基于數(shù)字電路的電子鐘

1、課程設(shè)計(jì)說明書目 錄摘要、關(guān)鍵詞.11、 前 言 . 22、總體方案設(shè)計(jì) . 32.1初步設(shè)計(jì)方框圖 . 32.2方案比較及選擇 . 32.2.1時(shí)鐘源的選擇 . 32.2.2計(jì)數(shù)器的選擇 . 42.2.3數(shù)字顯示器的選擇 . 63、單元模塊設(shè)計(jì) . 63.1 時(shí)鐘源設(shè)計(jì) . 63.1.1一秒時(shí)鐘源模塊圖 . 63.1.2功能及參數(shù)說明 . 63.2 計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) . 83.2.1 功能及參數(shù)說明 . 83.2.2 分、秒計(jì)數(shù)器 . 103.2.3 時(shí)計(jì)數(shù)器 . 114校時(shí)及功能 . 125、整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能 . 216、正5V電源設(shè)計(jì) . 217軟件設(shè)計(jì) . 148、系統(tǒng)功能及指標(biāo)參數(shù) . 20

2、9、設(shè)計(jì)總結(jié) . 2110、 致謝 . 2211、 參考文獻(xiàn) . 2312、 附 錄 . 24摘要：課程設(shè)計(jì)說明書時(shí)鐘的工作原理很簡(jiǎn)單，由秒，分，時(shí)三位構(gòu)成。進(jìn)行六十秒進(jìn)一分，六十分進(jìn)一小時(shí)，二十四小時(shí)為一個(gè)大的系統(tǒng)工作周期，即為一天。在進(jìn)位的問題上可考慮對(duì)本位采用反饋清零法，秒，分十位周期為六，作為進(jìn)位周期。主要問題在秒信號(hào)的選擇上，采用晶振分頻的方法得到穩(wěn)定高精度的秒脈沖信號(hào)，本系統(tǒng)的門電路全部采用低功耗，穩(wěn)定性好的CMOS門電路，從而使整個(gè)系統(tǒng)的精度得到提高。校時(shí)和報(bào)時(shí)電路分別由門電路和555定時(shí)正當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)成，校時(shí)電路采用快速校時(shí)法，報(bào)時(shí)電路的報(bào)時(shí)信號(hào)由分十位進(jìn)位信號(hào)提供。關(guān)鍵詞：計(jì)數(shù)器

3、，CC4518，CC4511，NE555，七段譯碼器，555振蕩器，電容，電阻，晶體三極管,蜂鳴器，扭子開關(guān)。Summary：The working principle of the clock is very simple, by seconds, minutes, when the three pose. Carried out in a sub-60 seconds, six very into one hour, round-the-clock system for a large duty cycle, which is one day. In the binary may cons

4、ider the issue of feedback on the use of zero-based method, seconds, 10 cycles at six, as a binary cycle. The main problem in choosing the second signal, using the method of crystal frequency stable high-precision pulse signal, the gate circuit of the system all use low-power, stability, good CMOS g

5、ate circuit, so that the accuracy of the entire system be improved.Time and time gate circuit, respectively, and 555 from time to time constitutes a legitimate system, school fast circuit law school, the newspaper of the time signals from the circuit 10 minutes into the digital signal to provide。Key

6、words:Count the machine,CC4518s,CC4511s, NE555, seven the segments translate the code machine, the 555 flaps the machine , electric capacity, electric resistance, crystal triode transistor,buzzer，switch.1課程設(shè)計(jì)說明書1、 前 言隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的飛速發(fā)展，人們發(fā)明了各種各樣越來越先進(jìn)的計(jì)時(shí)工具，從古代的沙漏，到30年前還非常普遍的機(jī)械鐘表，再到如今的電子表、原子鐘等。人們發(fā)明的計(jì)時(shí)工具越

7、來越可靠，計(jì)時(shí)越來越精確，使用和攜帶越來越方便，功能也越來越多（如秒表、定時(shí)等功能）。人們對(duì)計(jì)時(shí)工具的依賴程度也越來越高。數(shù)字顯示電子時(shí)鐘就是目前使用最普遍的計(jì)時(shí)工具之一。盡管目前市場(chǎng)上已有現(xiàn)成的數(shù)字鐘集成電路芯片，價(jià)格便宜，使用也非常方便。鑒于數(shù)字鐘電路的基本組成包含了數(shù)字電路的主要組成部分，為了幫助同學(xué)們將已經(jīng)學(xué)過的比較零散的數(shù)字電路的知識(shí)能夠有機(jī)的、系統(tǒng)地聯(lián)系起來用于實(shí)際，培養(yǎng)綜合分析、設(shè)計(jì)電路的 能力，進(jìn)行數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)是必要的。系統(tǒng)的工作原理：由振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的分頻脈沖信號(hào)作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn)，然后經(jīng)過分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖。秒計(jì)數(shù)器滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器滿60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器

8、進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器按“24翻1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出分別由譯碼器譯出后送顯示器顯示。當(dāng)計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，可以用校時(shí)電路校時(shí)時(shí)和分。在數(shù)字顯示方面，本設(shè)計(jì)采用七段數(shù)碼管顯示，非常直觀。本設(shè)計(jì)是最基本的數(shù)字電子鐘，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間的顯示與校時(shí)，并對(duì)定時(shí)鬧鐘，日等的功能實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，加上寄存器可以實(shí)現(xiàn)鬧鐘的定時(shí)功能，對(duì)于星期的顯示只需對(duì)時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)就可以做到，至于日期要復(fù)雜一些，因?yàn)槿掌诓皇敲總€(gè)月的天數(shù)都一樣的，還要考慮閏年的情況，用單純數(shù)字電路極難實(shí)現(xiàn)，用單片機(jī)或CPLD才好實(shí)現(xiàn)，所以日期只作探討。2課程設(shè)計(jì)說明書2、總體方案設(shè)計(jì)2.1初步設(shè)計(jì)方框圖圖2.1 電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)方框圖2.2方案比較

9、及選擇2.2.1時(shí)鐘源的選擇在本設(shè)計(jì)中，振蕩器是計(jì)時(shí)器的核心，主要用來產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（也叫基信號(hào)）。數(shù)字鐘的精確主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率及穩(wěn)定度。時(shí)鐘源（秒脈沖信號(hào)）可由555組成的多諧振蕩器構(gòu)成，如圖2.1.2所示。經(jīng)過參數(shù)計(jì)算可將振蕩器做成頻率為1Hz的振蕩信號(hào)作為時(shí)鐘源，但此方法精度和穩(wěn)定性均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，所以不用此方案作為信號(hào)源。3課程設(shè)計(jì)說明書圖2.1.2 555振蕩電路石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率易調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng)，在晶體某一方向加一電場(chǎng)，則在與此垂直的方向產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，有了機(jī)械振動(dòng)，就會(huì)在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場(chǎng)，從而使機(jī)械振動(dòng)和電場(chǎng)互為因果

10、，這種循環(huán)過程一直持續(xù)到晶體的機(jī)械強(qiáng)度限制時(shí)才達(dá)到最后穩(wěn)定。石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，它是硅石的一種，其化學(xué)成分為二氧化硅（SiO2）。石英晶片所以能振蕩是基于它的電壓效應(yīng)。若在極板間加交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電壓。一般說來，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅較小，振動(dòng)頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片固有頻率相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，所以稱為石英晶體振蕩器。它的品質(zhì)因數(shù)Q處于高達(dá)10 000500 000的范圍內(nèi)。其他元件和雜參數(shù)對(duì)振蕩頻率的影響極微，故頻率穩(wěn)定度高。利用此點(diǎn)我們將32768的頻率通過4060分頻得到時(shí)間間隔

11、是兩秒，在經(jīng)過D觸發(fā)器分頻將其頻率變?yōu)?HZ。4060元件圖如圖2.1.3所示。D觸發(fā)器元件圖如圖2.1.4所示。4課程設(shè)計(jì)說明書圖2.1.2 4060圖2.1.2 D觸發(fā)器石英晶體振蕩器的方案精度高，穩(wěn)定性好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，故采用此方案。5課程設(shè)計(jì)說明書2.2.2計(jì)數(shù)器的選擇圖2.3.1 10進(jìn)制計(jì)數(shù)器CC4518在本設(shè)計(jì)中，只要是十進(jìn)制或十進(jìn)制以上的計(jì)數(shù)器都可以做為秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器。一般使用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器較簡(jiǎn)單。CC4511是一種同步十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，它是CMOS集成電路，由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器組成， 可以分別組合成二、五、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。用兩個(gè)CC4511級(jí)聯(lián)可以組成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器（分、

12、秒計(jì)數(shù)器），也可以組成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器（時(shí)計(jì)數(shù)器）。2.2.數(shù)字顯示器的選擇本設(shè)計(jì)中需要用7段LED數(shù)碼管來顯示時(shí)間，因此需要用到BCD碼七段譯碼驅(qū)動(dòng)器。此類譯碼驅(qū)動(dòng)器型號(hào)有74LS47（共陽）、74LS48（共陰）、4511（共陰）等驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。課程設(shè)計(jì)說明書圖2.3.1 七位共陰驅(qū)動(dòng)器CC4511選擇 CC4518（時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器）、七段LED共陰數(shù)碼管、以及74LS00（與非門）、與門、非門等。在下一章中將詳細(xì)介紹各元器件以及它們組成的單元模塊的功能、參數(shù)等。 7課程設(shè)計(jì)說明書3、單元模塊設(shè)計(jì)3.1 時(shí)鐘源設(shè)計(jì) 3.1.1一秒時(shí)鐘源模塊圖圖3.1 一秒時(shí)鐘源3.1.2功

13、能及參數(shù)說明圖3.1是由石英晶體振蕩器與4060一起?？偟慕?jīng)過一次分頻。將32768的頻率通過4060分頻后變?yōu)?HZ,再經(jīng)過D觸發(fā)器進(jìn)行再次分頻（2分頻），最終得到穩(wěn)定的1Hz時(shí)鐘源。其原理和計(jì)算過程是，4060作為14位加法計(jì)數(shù)器，將32768Hz分頻為2Hz（32768/2e15=2），再經(jīng)D觸發(fā)器二分頻為1Hz的信號(hào)。3.2 計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)3.2.1 功能及參數(shù)說明CC4518是4位二進(jìn)制同步加計(jì)數(shù)器如圖3.3所示，MR為同步清零端，E為控制信號(hào)輸入端（高電平有效），CP為計(jì)數(shù)脈沖輸入端，Q0、Q1、Q2、Q3為計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出端。8課程設(shè)計(jì)說明書圖3.3 CC4518由表3.3.1可知，

14、CC4518計(jì)數(shù)器級(jí)為D觸發(fā)器。內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在時(shí)鐘上升沿或下降沿加計(jì)數(shù)。在單個(gè)單元運(yùn)算中，E保持高電平，且在CP上升沿進(jìn)位。MR線為高電平是時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。表3.1 4518的功能表表3.1是的功能表。有表可知，74LS161具有以下功能：1) 異步清零 當(dāng)MR=1時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何（包括時(shí)鐘信號(hào)CP），計(jì)數(shù)器輸出將被直接置零，稱為異步清零。2) 保持 在MR=0,CP不是上升沿，或者CP=0,E不是下降沿的情況下，計(jì)數(shù)器將保持原有狀態(tài)不變。9課程設(shè)計(jì)說明書3) 計(jì)數(shù) MR=0,CP為上升沿，其狀態(tài)表如下：表3.2 CC4518計(jì)數(shù)時(shí)的狀態(tài)表3.2.2 分、秒計(jì)數(shù)器圖

15、3.4就是由兩片集成CC4518級(jí)聯(lián)組成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以作為分、秒計(jì)數(shù)器。CC4518 (U7B)中，時(shí)鐘源通過9腳輸入計(jì)數(shù)脈沖，4518計(jì)數(shù)，此時(shí)對(duì)秒十位是十進(jìn)制，通過對(duì)4518的特性可知，當(dāng)CP為低點(diǎn)平時(shí)，E有下降沿動(dòng)作仍會(huì)計(jì)數(shù)，當(dāng)秒個(gè)位記到“9”時(shí)，BCD碼為1001，再記一次數(shù)返回0000，將各位到十位的信號(hào)定為秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的Q3位，從“9”返回“0”時(shí)Q3得到了一個(gè)下降沿，秒十位又一直是接地的，從而秒十位得以計(jì)數(shù)，利用了CC4518的這一特性得到了一個(gè)60進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器，再將秒十位的即U7A的Q1，Q2分別接在一個(gè)與門U4B的輸入兩端，輸出端作為清零信號(hào)，讓計(jì)數(shù)器從59跳到0，

16、同時(shí)作為進(jìn)位信號(hào)，作為分個(gè)位的計(jì)數(shù)信號(hào)，從而達(dá)到60秒一分鐘的要求。分計(jì)數(shù)器的原理同秒計(jì)數(shù)器相類似，同樣兩個(gè)4518計(jì)數(shù)，分個(gè)位的的信號(hào)由秒進(jìn)位信號(hào)獲得，分十位CP端接地，計(jì)數(shù)由E端完成，分進(jìn)位信號(hào)，仍然是由分十位Q1Q2完成。10課程設(shè)計(jì)說明書圖3.4.1 秒計(jì)數(shù)器圖3.4.2 分計(jì)數(shù)器3.2.3 時(shí)計(jì)數(shù)器時(shí)計(jì)數(shù)器的模塊圖如圖3.5所示。時(shí)計(jì)數(shù)器的工作原理與分、秒計(jì)數(shù)器相似。11課程設(shè)計(jì)說明書這里只陳述一下時(shí)計(jì)數(shù)器的不同之處。將反饋清零信號(hào)的與門輸入分別接在高位的Q1，地位的Q2，這樣就構(gòu)成了“2”“4”反饋清零，達(dá)到了“24小時(shí)制”的目的4511功能介紹：A、B、C、DBCD碼輸入端。QA

17、、QB、QC、QD、QE、QF、QG譯碼輸出端。 LT測(cè)試輸入端，LT =1時(shí)，譯碼輸出全為1。 BI消隱輸入端，BI=1時(shí)，譯碼輸出全為0。LE鎖定端，LE=1時(shí)，譯碼器處于鎖定（保持）狀態(tài)，譯碼器輸出保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。當(dāng)LE=0，LT=0，BI=0時(shí)為正常譯碼。12課程設(shè)計(jì)說明書圖3.6譯碼驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字顯示器至此，各基本單元模塊都已設(shè)計(jì)完畢，下一步是把各單元模塊連接起來，組成一個(gè)整體，使其達(dá)到預(yù)期的目的。我們可以用仿真軟件來把它仿真出來，看它是否達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。13課程設(shè)計(jì)說明書方法一圖4.1.1，手動(dòng)脈沖法校時(shí)是為了實(shí)現(xiàn)讓其時(shí)間起始控制在人的意識(shí)范圍之內(nèi)，方便使用。其中一種方

18、法是通過一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，使一端接信號(hào)脈沖，另一端接由上拉電阻連接電源連接按鈕再接地組成的線路（如圖視）。當(dāng)接信號(hào)脈沖時(shí)74HC161可以正常計(jì)數(shù)。當(dāng)接到上端時(shí)74HC161停止計(jì)數(shù)。在按鈕沒有按下的時(shí)候并不會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)，既沒有脈沖，當(dāng)按下再放看時(shí)則會(huì)產(chǎn)生脈沖使其計(jì)數(shù)一次。但是存在弊端，因?yàn)橐淮蚊}沖僅能觸發(fā)一次，接在秒鐘前端會(huì)非常難校正分鐘和時(shí)鐘因此可以考慮在時(shí)鐘和分鐘前也接入相同開關(guān)校時(shí)電路，以達(dá)到方便的效果。方法二圖4.1.2快速校時(shí)法校時(shí)的另一種方法是自動(dòng)跳變法，也叫快速校時(shí)法，此種方法不需要手動(dòng)給脈沖，只需在所需的位打開校時(shí)開關(guān)，所需位就開始自動(dòng)快速（或慢速）計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到所需時(shí)間時(shí)，關(guān)掉

19、校時(shí)開關(guān)即可。其原理是，有門電路構(gòu)成的RS觸發(fā)器和開關(guān)構(gòu)成選擇電路，另外兩個(gè)與非門為篩選作用，輸入端分別為快速（慢速）校時(shí)信號(hào)和正常計(jì)數(shù)信號(hào)。14課程設(shè)計(jì)說明書Z如圖4.1.3所示，當(dāng)SW1打在上方時(shí)U13A與非門的1輸入端為低電平，由又因?yàn)榇藭r(shí)6端口輸入的是高電平，這樣就使4輸出低電平，3輸出高電平，10端口輸出就跟隨校時(shí)信號(hào)，11端口一直為低電平，這樣校時(shí)信號(hào)就控制電路的輸出。同理當(dāng)SW1打在下端時(shí)，整個(gè)校時(shí)電路輸出就跟隨正常進(jìn)位信號(hào)走，當(dāng)校Z圖4.1.4當(dāng)TW1在下時(shí)。15課程設(shè)計(jì)說明書5、整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能5.1延時(shí)電路圖5.1.1 Tw=20s的延時(shí)電路該功能可以通過兩種方案實(shí)現(xiàn)。一種可以

20、在當(dāng)分秒顯示為00：00的時(shí)候用四輸入的與非門接入由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路中。由于僅有分秒輸出此時(shí)全為低電平則輸出為高電平，平時(shí)輸出為低電平擇可以觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，使其工作。另一種是直接從有分鐘向時(shí)鐘進(jìn)位的信號(hào)端口，即從與非門接出來，直接作為555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路的2端口。像上面的接法一樣。由于第二種方案接法比較簡(jiǎn)單。所以選擇第二種。我們可以通過改變電阻電容的參數(shù)值，延長(zhǎng)Tw的時(shí)間。電路接法如圖5.1.1所示。5.2振蕩電路設(shè)計(jì)要求是停一秒叫一秒，叫十次，現(xiàn)在已經(jīng)有了一個(gè)延時(shí)20秒的電路，就需要一個(gè)0.5Hz的振蕩，此時(shí)可以把已獲得的1Hz信號(hào)再次分頻，就得到了一秒低電平一秒高電平的

21、效果。結(jié)果如圖5.2.1所示。16課程設(shè)計(jì)說明書圖5.2.1振蕩電路的仿真測(cè)試17課程設(shè)計(jì)說明書6、正5V電源的設(shè)計(jì)如圖示，將一7805和電容相接可以組成一個(gè)輸入任何交流電，輸出都為+5V的直流穩(wěn)壓電源電路。18課程設(shè)計(jì)說明書7軟件設(shè)計(jì)我們使用的仿真設(shè)計(jì)軟件是ISIS 7 Professional。此軟件的特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的仿真能力，可自動(dòng)布線；缺點(diǎn)是某些器件無法找到或者不可使用。仿真設(shè)計(jì)流程如下：1) 先在界面上設(shè)計(jì)出秒計(jì)數(shù)器并連接上數(shù)碼顯示器，用時(shí)鐘脈沖作為CP脈沖信號(hào)輸入，運(yùn)行仿真功能，測(cè)試秒計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)是否正確，同時(shí)也測(cè)試數(shù)碼顯示器連接是否正確。若仿真出錯(cuò)則修改電路再測(cè)試，如此反復(fù)直至無誤

22、。2) 再將分計(jì)數(shù)器和數(shù)碼顯示器接到原電路中，再進(jìn)行仿真，測(cè)試連接是否正確。若仿真出錯(cuò)則修改電路再測(cè)試，如此反復(fù)直至無誤。3) 再將時(shí)計(jì)數(shù)器和數(shù)碼顯示器接到原電路中，再進(jìn)行仿真，測(cè)試連接是否正確。若仿真出錯(cuò)則修改電路再測(cè)試，如此反復(fù)直至無誤。4) 將上面三個(gè)板塊連接到一起再將一秒時(shí)鐘源接入電路中，再進(jìn)行仿真，測(cè)試連接是否正確。若仿真出錯(cuò)則修改電路再測(cè)試，如此反復(fù)直至無誤。5）將具有校時(shí)功能的電路與上面的板塊相接。測(cè)試其是否有校時(shí)功能，并且在校時(shí)后再接上脈沖源，是否可以從該時(shí)刻進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果可以則正確，否則將繼續(xù)調(diào)試，直至正確為止。 。6）將具有報(bào)時(shí)功能的電路與之前的電路中的分計(jì)數(shù)端高位的與非門的輸出端相接，看其是否具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。7） 由于晶體振蕩其產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖不能在ISIS仿真軟件中仿真出來。所以在實(shí)際仿真中將脈沖源直接代替石英晶體振蕩器。19課程設(shè)計(jì)說明書8、系統(tǒng)功能及指標(biāo)參數(shù)該電路系統(tǒng)的功能是能夠?qū)崿F(xiàn)從0時(shí)0分0秒計(jì)時(shí)到23時(shí)59分59秒（即24小時(shí)制），并能以阿拉伯?dāng)?shù)字顯示時(shí)間。主要參數(shù)：時(shí)鐘源：C9=33P C8=33P X1=3276HZ R4=15M R5=220K校時(shí)開關(guān)部分：R2=110K報(bào)時(shí)部分：R1=100KC3=10u正5V電源部分：C4=220uC7=100nC2=10u C5=47u C1=100n C6=100n 20課程設(shè)計(jì)說明