數(shù)字電路課程設(shè)計：數(shù)字鐘

1、四川航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系課程設(shè)計專業(yè)名稱:電子信息工程技術(shù)課程名稱:數(shù)子電路課程設(shè)計課題名稱:數(shù)字鐘兼鐘控定時器的設(shè)計設(shè)計人員:覃敏指導(dǎo)教師:申勇2010年06月11日課程設(shè)計報告書評閱頁課題名稱:數(shù)字鐘兼鐘控定時器的設(shè)計班級:G08電信2班姓名:覃敏2010年06月11日指導(dǎo)教師評語:考核成績:指導(dǎo)教師簽名:200年月日數(shù)字電路課程設(shè)計任務(wù)書一、課題名稱:數(shù)字鐘兼鐘控定時器的設(shè)計二、技術(shù)指標(biāo):1.時間以24小時為一個周期;2.顯示時、分、秒;3.有校時功能,可以分別對時及分進行單獨校時,使其校正到標(biāo)準時間;時;5.為了保證計時的穩(wěn)定及準確須由晶體振蕩器提供表針時間基準信號。三、要求:2

2、.元器件及參數(shù)選擇;3.電路仿真與調(diào)試;指導(dǎo)教師:申勇學(xué)生:覃敏電子工程系2010年06月11日摘要數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)時、分、秒數(shù)字顯示的計時裝置。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的使用,使得數(shù)字鐘的精度、穩(wěn)定性遠遠超過了機械鐘表,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。數(shù)字鐘可用中小規(guī)模集成電路制作,也可用做大規(guī)模集成電路制作。若用中小規(guī)模集成電路制作,至少需要振蕩器、分頻器、計算器、顯示器等電路,所用的元器件較多,僅計數(shù)器就需要好多塊,雖然原理簡單,但所畫出的電路圖比較復(fù)雜,功能單一。關(guān)鍵字:振蕩器、周期、IC、LED目錄目

3、錄 (11、設(shè)計目的 (22、設(shè)計方案 (23、設(shè)計原理及其框圖 (23.1數(shù)字鐘的構(gòu)成 (23.2數(shù)字鐘的工作原理 (43.3時間計數(shù)單元 (53.4譯碼驅(qū)動及顯示單元 (63.5校時電源電路 (63.6整點報時電路 (74、元器件 (74.1實驗中所需的器材 (74.2芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳圖 (84.3面包板內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 (105、功能塊電路圖 (106、總結(jié) (187、參考文獻 (19一、設(shè)計目的數(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。此次設(shè)計與制作數(shù)字電子鐘的目的是讓學(xué)生在了解數(shù)字鐘的原理的前提下,運用剛剛學(xué)過的數(shù)電知識設(shè)計并制作數(shù)字鐘,而且通過數(shù)字鐘的制

4、作進一步了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及其使用方法。由于數(shù)字電子鐘包括組合邏輯電路和時序電路,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,從而實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合?？偟膩碚f,此次課程設(shè)計,有助于學(xué)生對電子線路知識的整合和電子線路設(shè)計能力的訓(xùn)練,并為后繼課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。二、設(shè)計方案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行單獨校時,使其校正到標(biāo)準時間;計時過程具有報時功能,當(dāng)時間到達整點前5秒進行蜂鳴報時;為了保證計時的穩(wěn)定及準確須由晶體振蕩器提供表針時間基準信號。2.設(shè)計要求畫出電路原理圖(

5、或仿真電路圖;元器件及參數(shù)選擇;電路仿真與調(diào)試;3.編寫設(shè)計報告寫出設(shè)計與制作的全過程,附上有關(guān)資料和圖紙,有心得體會。三、設(shè)計原理及其框圖1.數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘是一個將“時”,“分”,“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時,顯示滿刻度為23時59分59秒,另外應(yīng)有校時功能和一些顯示星期、報時、停電查看時間等附加功能。因此,一個基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”,“分”,“秒”,“星期”計數(shù)器、校時電路、報時電路和振蕩器組成。數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準頻率(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)

6、準的1HZ時間信號必須做到準確穩(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)定準確的32768H z的方波信號,可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(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32768H z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進制計數(shù)器,而根

7、據(jù)設(shè)計要求,時個位和時十位計數(shù)器為12進制計數(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)光二極管(LED數(shù)碼管和液晶(LCD數(shù)碼管,本設(shè)計提供的為LED數(shù)碼管。2.數(shù)字鐘的工作原理1晶體振蕩器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R1為非門提供

8、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)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性,從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。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)要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時,還可接入校正電容并采取溫度補償措施。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,

9、非門電路可選74HC00。 圖3-2COMS晶體振蕩器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1H z的秒信號輸入,需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。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進制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如,將32768H z的振蕩信號分頻為1H Z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進制計數(shù)器。常用的2進制計數(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進制計數(shù)器,可以將32768

10、H Z的信號分頻為2H Z,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。 圖3-3CD4046內(nèi)部框圖3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12進制計數(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進制計數(shù)器,其輸出也為8421BCD碼。一般采用10進制計數(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74HC390,其內(nèi)部邏輯框圖如圖2.3所示。該器件為雙25-10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。 圖3-47

11、4HC390(1/2內(nèi)部邏輯框圖秒個位計數(shù)單元為10進制計數(shù)器,無需進制轉(zhuǎn)換,只需將QA與CPB(下降沿有效相連即可。CPA(下降沒效與1H Z秒輸入信號相連,Q3可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的CPA相連。秒十位計數(shù)單元為6進制計數(shù)器,需要進制轉(zhuǎn)換。將10進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進制計數(shù)器的電路連接方法如圖3-5所示,其中Q2可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的CPA相連。 圖3-510進制6進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換電路分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)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Q3作為向上的進位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的CPA 相連,分十位計數(shù)單元的Q2作為向上的進位信

12、號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的CPA 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行12進制轉(zhuǎn)換。利用1片74HC390實現(xiàn)12進制計數(shù)功能的電路如圖3-6所示。另外,圖3-6所示電路中,尚余-2進制計數(shù)單元,正好可作為分頻器2H Z輸出信號轉(zhuǎn)化為1H Z信號之用。 圖3-612進制計數(shù)器電路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LE

13、D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。 圖3-7帶有消抖動電路的校正電路6整點報時電路一般時鐘都應(yīng)具備整點報時電路功能,即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi),數(shù)字鐘會自動報時,以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有

14、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)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時,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。四、元器件1.實驗中所需的器材,5V電源,面包板1塊,示波器,萬用表,鑷子1把,剪刀1把,共陰八段數(shù)碼管6個,CD4511集成塊6塊,CD4060集成塊1塊,74HC390集成塊3塊,74HC51集成塊1塊,74HC00集成塊5塊,74HC30集成塊1塊, 10M電阻5個,500電阻14個,30p電容2個,32.768k時鐘晶體1個,蜂鳴器。 2.芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳圖 圖4-17400四2輸

15、入與非門圖4-2CD4511BCD七段譯碼/驅(qū)動器 圖4-3CD4060BD圖4-474HC390D 圖4-574HC51D圖4-674HC30 3.面包板內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 面包板右邊一列上五組豎的相通,下五組豎的相通,面包板的左邊上下分四組,每組中X、Y列(0-15相通,16-40相通,41-55相通,ABCDE相通,FGHIJ相通,E和F之間不相通。五、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,見附圖5-1。 圖5-14511驅(qū)動電路2.利用一個LED數(shù)碼管,一塊CD4511,一塊74HC390,一塊74HC0

16、0連接成一個十進制計數(shù)器,電路在晶振的作用下數(shù)碼管從09顯示,見附圖5-2。 圖5-274390十進制計數(shù)器3.利用一個LED數(shù)碼管,一塊CD4511,一塊74HC390,一塊74HC00和一個晶振連接成一個六進制計數(shù)器,數(shù)碼管從06顯示,見附圖5-3。 圖5-374390六進制計數(shù)器4.利用一個六進制電路和一個十進制連接成一個六十進制電路,電路可從059顯示,見附圖5-4。 圖5-4六十進制電路5.利用兩個六十進制的電路合成一個雙六十進制電路,兩個六十進制之間有進位,見附圖5-5。 圖5-5雙六十進制電路6.利用CD4060、電阻及晶振連接成一個分頻晶振電路,見附圖5-6。 7.利用74HC

17、51D和74HC00及電阻連接成一個校時電路,見附圖5-7。 圖5-7校時電路8.利用74HC30和蜂鳴器連接成整點報時電路。見附圖5-8。 9.利用兩個六十進制和一個十二進制連接成一個時、分、秒都會進位的電路總圖,見附圖5-9。 圖5-9六、總結(jié)我們學(xué)習(xí)了數(shù)字電子電路和模擬電子電路,對電子技術(shù)有了一些初步了解,但那都是一些理論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計,我們才把學(xué)到的東西與實踐相結(jié)合。從中對我們學(xué)的知識有了更進一步的理解。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中,更進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。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計,但通過這次課程設(shè)計我們了解了課程設(shè)計的一般步驟,和設(shè)計中應(yīng)注意的問題。設(shè)計本身并不是有很重要的意義,而是同學(xué)們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。至于設(shè)計的成績無須看的太過于重要， 而是設(shè)計的過程，設(shè)計的思想和設(shè)計電路中的每一個 環(huán)節(jié)，電路中各個部分的功能是如何實現(xiàn)的。各個芯片能夠完成什么樣的功能， 使用芯片時應(yīng)該注意那些要點。 同一個電路可以用那些芯片實現(xiàn)，各個芯片實現(xiàn) 同一個功能的區(qū)別。另外，我們設(shè)計要從市場需求出發(fā)，既要有強大的功能，又 要在價格方面比同等檔次的便宜。 在這次設(shè)計過程中，我也對 word、畫圖等軟件有了更進一步的了解，這使 我在以后的工作