數(shù)字時鐘設(shè)計論文

1、1 緒論1.1 意義及背景20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。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，與機械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。因此，我們此次設(shè)計數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會制作數(shù)字鐘。而且通過數(shù)字鐘的制作進一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及

2、實用方法。且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時敘電路。通過它可以進一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。1.2 課題研究內(nèi)容及要求本系統(tǒng)主要是基于555定時器電子時鐘設(shè)計，并完成相應(yīng)的實驗。主要內(nèi)容包括顯示電路設(shè)計、振蕩電路設(shè)計、分頻器電路設(shè)計、計數(shù)器電路設(shè)計、校時電路設(shè)計、實驗驗證等。具體內(nèi)容如下：（1）振蕩電路設(shè)計。振蕩器是數(shù)字電子時鐘的核心部分，本實驗中采用555集成芯片與RC構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號；（2）分頻器電路設(shè)計。振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，我們采用三片74LS90集成芯片來實現(xiàn)分頻；（3）計數(shù)器電路設(shè)計。本實驗的“秒”、“分”采用六十進制計數(shù)器，“時”采用二十四進

3、制計數(shù)器；（4）顯示器電路設(shè)計。顯示采用八個數(shù)碼管分別對“秒”、“分”、“時”進行顯示； （5）校時電路設(shè)計。本實驗設(shè)計了對“分”、“時”校正電路，使走時更加準(zhǔn)確； （6）實驗驗證。制定詳細(xì)的實驗方案，完成時間顯示，記錄實驗結(jié)果，并對實驗結(jié)果進行詳細(xì)分析，以驗證所設(shè)計系統(tǒng)的正確性和有效性。課題研究設(shè)計要求：（1）完成實驗硬件電路設(shè)計；（2）能夠準(zhǔn)確顯示時、分、秒；（3）能夠?qū)r、分校準(zhǔn)；（4）系統(tǒng)調(diào)試完成無誤；2 系統(tǒng)概述 數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進行計數(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

4、到準(zhǔn)確穩(wěn)定。 實驗中的數(shù)字電子鐘使用555集成芯片構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生計時脈沖信號，通過分頻器（74LS90集成芯片）使脈沖信號達到標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號即產(chǎn)生頻率為1HZ的信號。秒、分、時分別為60、60和24進制計數(shù)器。秒、分均為六十進制，即顯示0059，它們的個位為十進制，十位為六進制。分秒功能的實現(xiàn)是用兩片74LS161組成60進制遞增計數(shù)器。時為二十四進制計數(shù)器，顯示為0023， 當(dāng)十進位計到2，而個位計到4時清零，就為二十四進制。時功能的實現(xiàn)也是用兩片74LS161組成24進制遞增計數(shù)器。對計數(shù)信號采用74LS48集成芯片實現(xiàn)譯碼，使用6個共陰極七段數(shù)碼管顯示時，分，秒的計數(shù)。通過組合邏輯

5、電路對時鐘的“分”，“時”進行校時，為避免校時中機械開關(guān)產(chǎn)生的抖動，所以在校時電路中加入RS鎖存器，開關(guān)每按壓一次，輸出信號改變一次。 時鐘電路框圖如圖2.1 圖 2.1 時鐘電路框圖3 硬件電路設(shè)計3.1 555振蕩器電路設(shè)計 振蕩器是數(shù)字電子時鐘的核心部分，其作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)頻率的脈沖信號，信號振蕩頻率的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。本實驗中采用555集成芯片與RC構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號如圖3.1，信號從“3”腳輸出，。調(diào)節(jié)Rp可以改變脈沖信號的頻率。一般來說，振蕩頻率越高，產(chǎn)生信號的精確度越高，但是，同時振蕩頻率增大耗電量也會增加。試驗中，微調(diào)Rp使信號的輸出頻率為1kHZ。（若

6、要對精確度具有更高要求的時候，可以采用石英晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖信號）圖 3.1 555振蕩器3.2 分頻器電路設(shè)計 由于振蕩器產(chǎn)生的頻率很高（f=1kHZ），要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號，需要分頻電路。本實驗由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生1KHz的脈沖信號。因此，可以采用三片74LS90集成芯片（二五十分頻器）來實現(xiàn)分頻。計數(shù)脈沖從輸入，若為輸出時實現(xiàn)二分頻；當(dāng)與相連，作為輸出端時，電路實現(xiàn)十分頻。三片74LS90均采用十分頻連接，從而得到需要的1HZ標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號。電路如圖3.2。圖 3.2 分頻器 3.3 計數(shù)器電路設(shè)計 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號經(jīng)過6級計數(shù)器，分別得到“秒”個位、十位，

7、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時?！懊搿薄胺帧庇嫈?shù)器為六十進制計數(shù)，“時”為二十四進制計數(shù)。（1）六十進制計數(shù)器由分頻器來的脈沖信號，首先送到“秒”計數(shù)器進行累加，秒計數(shù)器應(yīng)完成一分鐘之內(nèi)的秒數(shù)目的累加，并達到60秒時產(chǎn)生一個向分鐘的進位信號。因此，可以選用兩片74LS161集成芯片組成60進制計數(shù)器。其中，“秒”個位為十進制，“秒”十位為六進制。電路如圖3.3。 圖 3.3六十進制計數(shù)器由圖可知CR（MR）接高電平，秒信號脈沖從CLK端輸入進行十進制記數(shù)，滿十輸出進位信號，即中的=1010時計數(shù)器清零，同時輸出進位信號，此信號用于控制秒十位計數(shù)器的記數(shù)。秒十位計數(shù)器為六進制計數(shù)器，

8、Q1、Q2的輸出端通過與非門輸出構(gòu)成清零復(fù)位信號給CR（MR）端，當(dāng)中的=0110時計數(shù)器清零，從而構(gòu)成六進制計數(shù)器，同時輸出向“分”計數(shù)器的進位信號。分計數(shù)器的組成電路與秒計數(shù)器的組成電路完全相同。不過進入CP的脈沖信號為秒十位進位信號輸入的信號。（2）二十四進制計數(shù)器數(shù)字電子鐘采用24小時制計時法，因此在“時”計數(shù)上采取二十四進制計數(shù)器。由“分”十位進位的脈沖信號，首先送到“時”個位計數(shù)器，“時”個位計數(shù)器由74LS161集成芯片構(gòu)成十進制計數(shù)，計數(shù)信號滿10向十位進位，“時”十位也是用74LS161芯片構(gòu)成三進制計數(shù)器。 電路如圖3.4 圖3.4二十四進制計數(shù)器由圖可知，來自“分”十位的

9、進位信號進入“時”個位計數(shù)器，計數(shù)器滿10清零，即當(dāng)計數(shù)器的=1010時，同時向“時”十位計數(shù)器送入脈沖信號。當(dāng)中的=0100且中的=0010時，計數(shù)器，同時清零，即完成24進制計數(shù)。 3.4 顯示電路設(shè)計 譯碼是把給定的代碼進行翻譯, 將時、分、秒計數(shù)器輸出的四位二進制代碼翻譯為相應(yīng)的十進制數(shù), 并通過LED 顯示器顯示, 通常LED 顯示器與譯碼器是配套使用的。實驗中選用的七段譯碼驅(qū)動器(74LS48集成芯片) 和數(shù)碼管采用共陰極接法。電路如圖3.5 圖3.5 顯示電路 3.5 校時電路設(shè)計 （1）通常情況下，時鐘開始計時與標(biāo)準(zhǔn)時間不同，時鐘采用輸入脈沖信號給“時”，“分”校正，電路如圖3

10、.6 圖3.6校時電路 由圖3.6可知，當(dāng)開關(guān)S向A閉合（自動閉合）時，時鐘正常計數(shù)，當(dāng)開關(guān)向B閉合即手動閉合時，每按壓一次輸出一個脈沖，即計數(shù)器計數(shù)增加1。在按壓按開關(guān)鍵時，由于機械開關(guān)的接觸抖動，往往在幾十毫秒內(nèi)電壓會出現(xiàn)多次抖動，相當(dāng)于連續(xù)出現(xiàn)了幾個脈沖信號。顯然，用這樣的開關(guān)產(chǎn)生的信號直接作為電路的驅(qū)動信號可能導(dǎo)致電路產(chǎn)生錯誤動作，這些情況下是不允許的。為了消除開關(guān)的接觸抖動，因此在機械開關(guān)與被驅(qū)動電路間接接入一個基本RS觸發(fā)器。當(dāng)S為0， R1（即開關(guān)向B閉合時），可得出CPl， 0。當(dāng)按壓按鍵時，開關(guān)向A閉合，S1，R0，可得出 CP0，1，改變了輸出信號的狀態(tài)。若由于機械開關(guān)的接

11、觸抖動，則R的狀態(tài)會在0和1之間變化多次，若 Rl，由于A0，因此G2（A）門仍然是“有低出高”，不會影響輸出的狀態(tài)。同理，當(dāng)松開按鍵時， S端出現(xiàn)的接觸抖動亦不會影響輸出的狀態(tài)。因此，圖3.6所示的電路，開關(guān)每按壓一次，輸出信號CP僅發(fā)生一次變化。這樣就可以對時鐘的“時”，“分”進行手動校正。（2）為使時鐘具有更加準(zhǔn)確的計時，可采用等待校時對”秒“進行校正。如圖3.7， 當(dāng)開關(guān)SW3閉合時，時鐘正常計數(shù)；當(dāng)開關(guān)斷開時，計數(shù)器停止計數(shù)，時鐘可以進行對“秒”的校正，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間與時鐘顯示的時間相同時，閉合開關(guān)SW3，這樣就實現(xiàn)了對“秒”的校正。圖3.7 秒調(diào)時4 系統(tǒng)調(diào)試及實驗結(jié)果4.1 系統(tǒng)綜述

12、電路通電后，由于計數(shù)器和譯碼器驅(qū)動電路的狀態(tài)不同，數(shù)字電子鐘的顯示時間要通過校時電路來調(diào)整。 555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生的f=1Hz的標(biāo)準(zhǔn)時間信號經(jīng)過三個74LS90二-五-十進制計數(shù)器級聯(lián)分頻后，從第三個74LS90的腳輸出f=1Hz的秒方波信號，它既是秒計數(shù)器的計數(shù)脈沖，同時又作為時、分校正電路的校正信號（對分，時的校正也可以手動輸入信號）。 秒脈沖信號送入秒計數(shù)器的個位進行計數(shù)，秒計數(shù)器個位從0開始計數(shù)，到9后輸出進位信號，秒十位計數(shù)器加1，如此循環(huán)下去，當(dāng)秒十位計數(shù)到6時 ，向分計數(shù)器送出進位信號，從而完成秒六十進制計數(shù)；分六十進制計數(shù)器工作原理與秒計數(shù)器完全相同；時計數(shù)器的個位在分計數(shù)

13、器輸入的進位信號作用下進行09的計數(shù)，到9后再接受到分進位信號，時個位輸出1，輸出計數(shù)脈沖使時十位的計數(shù)器加1，當(dāng)時十位和時個位顯示23點時，再有分進位信號脈沖輸入時清零，顯示為00點。時鐘顯示最大計數(shù)為23:59:59。各計數(shù)器的輸出端輸出的BCD碼，分別送入相應(yīng)的74LS48譯碼驅(qū)動集成電路譯碼，輸出到LED共陽極數(shù)碼管進行時間的顯示。4.2 實驗結(jié)果如圖4.1、圖4.2、圖4.3展示的是仿真照片,從照片上可以看到顯示的“時”、“分”、“秒”、充分驗證了本系統(tǒng)的功能精確、真實，可行。圖4.1 實驗結(jié)果圖4.2 實驗結(jié)果圖 4.3 實驗結(jié)果總 結(jié)利用中小規(guī)模的集成電路設(shè)計了一臺數(shù)字電子鐘。該

14、數(shù)字電子鐘具有顯示當(dāng)前時、分、秒的時間、校時等功能。在該系統(tǒng)中集成計數(shù)器是關(guān)鍵部件，由它構(gòu)成了60進制秒計數(shù)器、60進制分計數(shù)器和24進制時計數(shù)器，并用譯碼器，LED七段數(shù)碼顯示器顯示這三個計數(shù)器的輸出。在校時電路中，秒校時電路和分、時校時電路分別采用等待校時和輸入脈沖校時來校對當(dāng)前的顯示時間。在試驗中，一般采用555構(gòu)成多諧振蕩器，或使用石英晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，一般認(rèn)為，振蕩頻率越高則精度越高，但是頻率升高也會增加耗電量，所以在本實驗中選用555多諧振蕩器產(chǎn)生1KHZ的方波脈沖信號，經(jīng)過分頻后降為1HZ的信號輸入到秒計數(shù)器，電路開始計數(shù)時，有一定的示數(shù)顯示，整個電路并非從零開始計數(shù)。這對

15、于數(shù)字電子鐘的應(yīng)用沒有影響，因為電子鐘本身就需要時鐘校正電路。通過校正電路對時鐘進行校正，使之與當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)時間相吻合。在使用機械開關(guān)對時鐘進行較正時，時常會在電路中發(fā)生抖動，對此可以加入RS鎖存器避免抖動產(chǎn)生的影響，用此方法可以對時鐘進行手動輸入信號校正。也可以直接將校正信號接至1HZ的秒脈沖信號進行自動計數(shù)校正，若要加速校正電路，也可以將校正信號接至5HZ信號輸出端，即第三片74LS90芯片的端，這樣也可以避免部分在按壓機械開關(guān)時產(chǎn)生的抖動。參考文獻1彭介華 主編.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo).高教出版社出版.第一版.2002.2康華光 主編.電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社出版.第四版.1999.3胡宴如 主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社.2004.附錄系統(tǒng)總原理圖附錄 元器件清單序號名稱型號參數(shù)數(shù)量備注1555計時器NE55512二五十分頻計數(shù)器74LS9033二進制加計數(shù)器74LS16164BCD七段譯碼器74LS4865數(shù)碼顯示管74EG-DIGITAL662輸入端四與非門74LS003使用10個電路72輸入端四與門74LS081使用1個電路8六反相器74LS041使用2個電路9電阻10WATT1K610電容AUDI01U211機械開關(guān)SW-SPDT312導(dǎo)線導(dǎo)線