數(shù)字鐘的設(shè)計

1、物理與電子工程學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計報告書 設(shè)計題目： 數(shù)字鐘的設(shè)計 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級： 11電科本1 學(xué)生姓名: 孫娜 學(xué) 號: 2011171124 指導(dǎo)教師： 袁晶晶 2013年12月 18日物理與電子工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班級： 11電科本1 學(xué)生姓名 孫娜 學(xué)號 2011171124課程名稱數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計題目 數(shù)字鐘的設(shè)計設(shè)計目的、主要內(nèi)容（參數(shù)、方法）及要求設(shè)計目的：1 鞏固和掌握數(shù)字電子技術(shù)的基本理論和知識，加深對課程知識的理解；2 掌握常用電子電路的設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計、分析問題和解決問題的綜合能力；3 培養(yǎng)學(xué)生對工

2、程設(shè)計的思維方式和步驟，培養(yǎng)識圖、繪圖能力以及獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力；4 掌握對模電/數(shù)電進(jìn)行仿真的軟件基本應(yīng)用。設(shè)計內(nèi)容及要求：設(shè)計一個時鐘器，能夠以十進(jìn)制顯示“時”、“分”、“秒”。其中時為24進(jìn)制，分秒為60進(jìn)制。工作量2周時間，每天3學(xué)時，共計42學(xué)時進(jìn)度安排第1-2天：明確課程設(shè)計任務(wù)及要求，查找資料，包括仿真軟件等第3-6天：電路的總體設(shè)計第7-11天：電路的調(diào)試第12-14天：撰寫課程設(shè)計報告主要參考 資料1. 康華光等.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）(第五版）M.北京:高等教育出版社,20062. 畢亞軍.電子工藝與課程設(shè)計M. 北京:電子工藝出版社,20113. 張常年,王振紅,綜合電子設(shè)

3、計與實踐M.北京:清華大學(xué)出版社,20084. 王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)計M. 北京:高等教育出版社,2006指導(dǎo)教師簽字教研室主任簽字2摘 要 數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更長的使用壽命，已得到廣泛的使用。如多用于數(shù)控機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、汽車等。 數(shù)字鐘的設(shè)計方法有許多種：可用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘；也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成數(shù)字鐘；還可以利用單片機(jī)來實現(xiàn)數(shù)字鐘等等。這些方法都各有其特點(diǎn)，其中利用單片機(jī)實現(xiàn)的數(shù)字鐘具有編程靈活，并便于功能的擴(kuò)展。關(guān)鍵字：數(shù)字鐘； 設(shè)計方法；用

4、途；編程靈活；目 錄1 設(shè)計目的12 設(shè)計要求12.1 設(shè)計指標(biāo)12.2 設(shè)計要求13 設(shè)計原理及其框圖13.1 數(shù)字鐘的構(gòu)成13.2 數(shù)字鐘的工作原理24 各功能塊電路圖65 總結(jié)65.1 設(shè)計體會65.2 對該設(shè)計的建議7 參 考 文 獻(xiàn)8 1 設(shè)計目的 1. 熟悉集成電路的引腳安排。 2. 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。 3. 了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法。 4. 了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。 5. 熟悉數(shù)字鐘的設(shè)計與制作。2 設(shè)計要求 2.1 設(shè)計指標(biāo) 時間以24小時為一個周期； 顯示時、分、秒； 有校時功能，可以分別對時及分進(jìn)行單獨(dú)校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間； 計時過程具有報時功能，當(dāng)

5、時間到達(dá)整點(diǎn)前5秒進(jìn)行蜂鳴報時； 為了保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時間基準(zhǔn)信號。 2.2 設(shè)計要求 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）； 元器件及參數(shù)選擇； 電路仿真與調(diào)試；3 設(shè)計原理及其框圖 3.1 數(shù)字鐘的構(gòu)成 數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖 3-1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。其組成成分主要有以下幾種：晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768HZ的方波信號，可

6、保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。分頻器電路 分頻器電路將32768HZ的高頻方波信號經(jīng)32768次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。時間計數(shù)器電路時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進(jìn)制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，時個位和時十位計數(shù)器為12進(jìn)制計數(shù)器。譯碼驅(qū)動電路譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二

7、極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計提供的為數(shù)碼管。3.2 數(shù)字鐘的工作原理1）晶體管振蕩電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖3-2所示電路通過CMOS非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U2實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容C1、C2與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了

8、振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。 晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。從有關(guān)手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10M。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。非門電路可選74HCOO。2）分頻器電路 通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1HZ的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻。 通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級2進(jìn)制計數(shù)

9、器來實現(xiàn)。例如，將32746HZ的振蕩信號分頻為1HZ的分頻倍數(shù)為32768(215)，即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當(dāng)于15極2進(jìn)制計數(shù)器。常用的2進(jìn)制計數(shù)器有74HC393等。 本實驗中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計數(shù)為14級2進(jìn)制計數(shù)器，可以將32768HZ的信號分頻為2HZ，其內(nèi)部框圖如圖3-3所示，從圖中可以看出，CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。）時間計數(shù)單元 時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。 時計數(shù)單元一般為

10、12進(jìn)制計數(shù)器計數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計數(shù)和秒計數(shù)單元為60進(jìn)制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。一般采用10進(jìn)制計數(shù)器74HC390來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選74HC930，其內(nèi)部邏輯框圖如圖2.3所示。該器件為雙2-5-1-0異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均提供一個異步清零端（高電平有效）。 秒個位計數(shù)單元為進(jìn)制計數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將與（降沿有效）相連即可。（下降沒效）與Z秒輸入信號相連，為向上的進(jìn)位信號與十位計數(shù)單元的相連。 秒十位計數(shù)單元為進(jìn)制計數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為進(jìn)位的計數(shù)單元的相連 分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)

11、分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的相連，分十位計數(shù)單元的作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的相連。時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應(yīng)為12進(jìn)制計數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進(jìn)行12進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用片74LC390實現(xiàn)12進(jìn)制計數(shù)功能的電路如圖3-6所示。另外，圖3-6所示電路中，尚余進(jìn)制計數(shù)單元，正好可作為分頻器Z輸出信號轉(zhuǎn)化為Z信號之用。4）譯碼驅(qū)動及顯示單元 計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換

12、為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。5）校時電源電路 當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進(jìn)行校正。通常，校正時間的方法是：首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可。 根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。圖3-7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時電路，一般電路都有整點(diǎn)報時功能，即在時間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報時，

13、以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復(fù)雜的也可以是實時語音提示。根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒內(nèi)開始整點(diǎn)報時，即當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。報時電路選74HC30,選蜂鳴器為電聲器件。4 各功能塊電路圖1.一個CD4511和一個LED數(shù)碼管連接成一個CD4511驅(qū)動電路，數(shù)碼管可從0-9顯示，以次來檢查數(shù)碼管的好壞。 4511驅(qū)動電路：2.利用一個LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個十進(jìn)制計數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管從09顯示。74390十進(jìn)制計數(shù)器：3.利用一個LED數(shù)碼管，一塊CD4511，

14、一塊74HC390，一塊74HC00和一個晶振連接成一個六進(jìn)制計數(shù)器，數(shù)碼管從06顯示。 74390六進(jìn)制計數(shù)器： 4.利用一個六進(jìn)制電路和一個十進(jìn)制連接成一個六十進(jìn)制電路，電路可從059顯示。 六十進(jìn)制電路： 5.利用兩個六十進(jìn)制的電路合成一個雙六十進(jìn)制電路，兩個六十進(jìn)制之間有進(jìn)位。 雙六十進(jìn)制電路： 6.利用CD4060電阻及晶振連接成一個分頻晶振電路。 分頻晶振電路: 7.利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個校時電路。 校時電路: 8.利用74HC30和蜂鳴器連接成整點(diǎn)報時電路，利用兩個六十進(jìn)制和一個十 二進(jìn)制連接成一個時、分、秒都會進(jìn)位的電路。5 總結(jié)5.1 設(shè)計體會在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。 在設(shè)計電路中，往往是先仿真后連接實物圖，但有時候仿真和電路連接并不是完全一致的，例如仿真的連接示意圖中，往往沒有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳，因此在實際的電路連接中往往容易遺漏。又例如74HC390芯片，其本身就是一個十進(jìn)制計數(shù)器，在仿真電路中必須連接反饋線才能正常顯示，而在實際電路中無需再連接。5.2 對該設(shè)計的建議