簡易數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)

1、簡易數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)姓名:何格張炬剛?cè)~常挺班級(jí):測控071 學(xué)號(hào):0702381018 指導(dǎo)老師:周利兵摘要:數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時(shí)的計(jì)時(shí)裝置,與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比,它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn),因而得到了廣泛的應(yīng)用:小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直?大到車站、碼頭、機(jī)場等公共場所的大型數(shù)顯電子鐘。數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對“時(shí)”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置。數(shù)字鐘的精度、穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老式機(jī)械鐘。與傳統(tǒng)機(jī)械鐘相比,它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀無機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)字顯示方面,目前以有集成的記數(shù)、譯碼電路,他可以直觀的驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器件。也可直接采用CMOS-LE

2、D光電組合器件,構(gòu)成模塊式石英晶體數(shù)字鐘。這些電路裝置十分小巧,安裝使用也方便,如果想實(shí)現(xiàn)大型光電數(shù)字顯示,可以加一定的驅(qū)動(dòng)電路,采用霓虹燈或白熾燈顯示系統(tǒng),做起來也不困難。數(shù)字鐘是以不同的計(jì)數(shù)器為基本單元構(gòu)成的,它的用途十分廣泛,只要有計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)的存在,便要用到數(shù)字鐘的原理及結(jié)構(gòu);同時(shí)在日期中,它以其小巧,價(jià)格低廉,走時(shí)精度高,使用方便,功能多,便于集成化而受廣大消費(fèi)的喜愛。關(guān)鍵詞:電子鐘計(jì)數(shù)器譯碼器顯示器一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求由555定時(shí)器產(chǎn)生1HZ的標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào),秒,分為00-59六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,時(shí)為00-23二時(shí)四進(jìn)制計(jì)數(shù)器,可以手動(dòng)校正:能分別進(jìn)行秒,分,時(shí)的校正。只要將開關(guān)置于手動(dòng)位置,

3、可分別對秒,分,時(shí)進(jìn)手動(dòng)脈沖輸入調(diào)整或連續(xù)脈沖輸入的校正。二、方案設(shè)計(jì)與論證1.時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路方案一: 由集成邏輯門與RC 組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC 組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。 方案二: 振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度,通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。因此,一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一時(shí)間脈沖信號(hào)。 +5V v o如圖(2所示為電子手表集成電路(如5C702中的晶體振蕩器電路,常取晶振的頻率為32768Hz,因其內(nèi)部有15級(jí)2分頻集成電路,所以輸出端正好可得到1H

4、z的標(biāo)準(zhǔn)脈沖。2.計(jì)數(shù)器: 有了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)“秒”信號(hào)后,就可以根據(jù)60秒為1分、60分為1小時(shí)、24小時(shí)為1天的計(jì)數(shù)周期,分別組成兩個(gè)六十進(jìn)制(秒、分、一個(gè)二十四進(jìn)制(時(shí)的計(jì)數(shù)器。將這些計(jì)數(shù)器適當(dāng)?shù)剡B接,就可以構(gòu)成秒、分、時(shí)的計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的功能。本實(shí)驗(yàn)采4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器CC40161.CC40161是CMOS集成同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。異步清零端CR,無論有無CP,計(jì)數(shù)器立即清零,同步預(yù)置端LD,在時(shí)鐘脈沖上升沿的作用下。Q3=D3,Q2=D2,Q1=D1,Q0=D0.計(jì)數(shù)使端ETp=ETt=1,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù).秒計(jì)數(shù)電路可以由兩位計(jì)數(shù)芯片構(gòu)成,個(gè)位是10進(jìn)制計(jì)數(shù),十位是6進(jìn)制計(jì)數(shù).將Q3和Q1通過

5、一個(gè)與非門接至清零端CR,當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)器計(jì)到1010(十進(jìn)制10時(shí),計(jì)數(shù)器立即清零。將Q3和Q0通過一個(gè)與門接至十位的使能端ETp和ETt,當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)器計(jì)到1001(十進(jìn)制9時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào),使十位計(jì)數(shù)器累加。分計(jì)數(shù)電路也可以由兩位計(jì)數(shù)芯片構(gòu)成。具體的做法同秒鐘相同,只是將十位的進(jìn)位信號(hào)接至?xí)r計(jì)數(shù)電路的使端。時(shí)計(jì)數(shù)電路是由兩個(gè)CC40161構(gòu)成的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。將個(gè)位的Q3和Q1通過一個(gè)與非門接至清零端CR,個(gè)位的Q3和Q0通過一個(gè)與門接至十位的使能端。將十位的Q1和個(gè)位的Q2通過與非門分別接至十位和個(gè)位的清零端CR。當(dāng)計(jì)數(shù)到0010 0100(十進(jìn)制24時(shí),十位和個(gè)位同時(shí)清零。3.譯碼和

6、數(shù)碼顯示電路:譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘和計(jì)時(shí)狀態(tài)直觀清晰地反映出來,被人們的視覺器官所接受。顯示器件選用LED七段數(shù)碼管。在譯碼顯示電路輸出的驅(qū)動(dòng)下,顯示出清晰、直觀的數(shù)字符號(hào)。本設(shè)計(jì)所選用的是半導(dǎo)體數(shù)碼管,是用發(fā)光二極管(簡稱LED組成的字形來顯示數(shù)字,七個(gè)條形發(fā)光二極管排列成七段組合字形,便構(gòu)成了半導(dǎo)體數(shù)碼管。半導(dǎo)體數(shù)碼管有共陽極和共陰極兩種類型。共陽極數(shù)碼管的七個(gè)發(fā)光二極管的陽極接在一起,而七個(gè)陰極則是獨(dú)立的。共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管相反,七個(gè)發(fā)光二極管的陰極接在一起,而陽極是獨(dú)立的。當(dāng)共陽極數(shù)碼管的某一陰極接低電平時(shí),相應(yīng)的二極管發(fā)光,可根據(jù)字形使某幾段二極管發(fā)光,所以共陽極數(shù)碼

7、管需要輸出低電平有效的譯碼器去驅(qū)動(dòng)。共陰極數(shù)碼管則需輸出高電平有效的譯碼器去驅(qū)動(dòng)。4.校時(shí)電路:實(shí)際的數(shù)字鐘表電路由于秒信號(hào)的精確性不可能做到完全(絕對準(zhǔn)確無誤,加之電路中其它原因,數(shù)字鐘總會(huì)產(chǎn)生走時(shí)誤差的窒蟆R虼耍緶分芯陀糜行W際奔涔艿牡緶貳?br> 本設(shè)計(jì)校時(shí)電路是將各個(gè)位上的使能端引出接一個(gè)單刀雙擲開關(guān),一端(1端接低位的進(jìn)位信號(hào),另一端(2端接+5V電壓。校正某位上的時(shí)間時(shí),可以將相應(yīng)位的開關(guān)接到2端,就能實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1.信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心。它的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度,通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器產(chǎn)生的脈沖經(jīng)

8、過整形、分步獲得1Hz的秒脈沖。一般來說,振蕩器的頻率越高,計(jì)時(shí)精度越高。如圖2.所示為電子手表集成電路(如5C702中的晶體振蕩器電路,常取晶振的頻率為32768Hz,因其內(nèi)部有15級(jí)2分頻集成電路,所以輸出端正好可得到1Hz 的標(biāo)準(zhǔn)脈沖。2. 晶體振蕩電路如果精度要求不高也可以采用由集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器如圖3.。這里設(shè)振蕩頻率fo =103Hz.3.多諧振蕩器2.秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)秒、分計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。小時(shí)計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)這兩種模數(shù)的計(jì)數(shù)器采用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器CC40161。(160進(jìn)制計(jì)數(shù)器“秒”計(jì)數(shù)器電

9、路與“分”計(jì)數(shù)器電路都是60進(jìn)制,它由一級(jí)10進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級(jí)6進(jìn)制計(jì)數(shù)器連接構(gòu)成。如圖4.所示由CC40161構(gòu)成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。首先將兩片CC40161設(shè)置成十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,將兩片計(jì)數(shù)器并行進(jìn)位則最大可實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器?，F(xiàn)要設(shè)計(jì)一個(gè)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器,可利用“反饋清零”的方法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出“2Q32Q22Q12Q0、1Q3Q2Q1Q0=0110、0000”時(shí),通過門電路形成一置數(shù)脈沖,使計(jì)數(shù)器歸零。(224進(jìn)制計(jì)數(shù)器同理當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)狀態(tài)為“Q3Q2Q1Q0=0100”,十位計(jì)數(shù)器狀態(tài)為“Q3Q2Q1Q0=0010”時(shí),要求計(jì)數(shù)器歸零。3. 譯碼顯示電路譯碼電路的功能是將“秒”、“

10、分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯,變成相應(yīng)的數(shù)字。用于驅(qū)動(dòng)LED七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有74LS47。74LS47是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器,其輸出是OC門輸出且低電平有效,專用于驅(qū)動(dòng)LED 七段共陽極顯示數(shù)碼管。由74LS47和LED七段共陽數(shù)碼管組成的一位數(shù)碼顯示電路如圖 6. 所示。若將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端,便可進(jìn)行不同數(shù)字的顯示。4.校時(shí)電路數(shù)字種啟動(dòng)后,每當(dāng)數(shù)字鐘顯示與實(shí)際時(shí)間不符進(jìn),需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。?！懊搿睍r(shí),采用等待校時(shí)。?！胺帧?、“時(shí)”的原理比較簡單,采用加速校時(shí)。對校時(shí)電路的要求是 :1.在小時(shí)校正時(shí)不影響分和

11、秒的正常計(jì)數(shù)。2.在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。5.整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路當(dāng)計(jì)數(shù)器在每次為計(jì)時(shí)到整點(diǎn)時(shí),開始報(bào)時(shí),即當(dāng)“分”變大為59,“秒”計(jì)數(shù)器為59時(shí),要求報(bào)時(shí)電路發(fā)出一控制信號(hào)F1,該信號(hào)持續(xù)時(shí)間為1秒鐘,在這一秒鐘內(nèi)使高音信號(hào)打開閘門,使報(bào)時(shí)鳴叫1聲.根據(jù)以上要求,設(shè)計(jì)的整點(diǎn)報(bào).脈沖產(chǎn)生電路:a.用555組成的脈沖產(chǎn)生電路:R1=15*103 R2=68*103 C=10F則555所產(chǎn)生的脈沖的為:f=1.43/(R1+2*R2*103*10*106=0.947Hz,而設(shè)計(jì)要求為 1Hz,因此其誤差為 5.3%,在精度要求不是很高的時(shí)候可以使用. b.石英晶體振蕩電路:采用的 32768

12、 晶體振蕩電路,其頻率為 32768Hz,然后再經(jīng) 過 15 分頻電路可得到標(biāo)準(zhǔn)的 1Hz 的脈沖輸出.R 的阻值,對于 TTL 門電路通常在 0.72K 之間;對于 CMOS 門則常在 10100M 之間時(shí)電路. 2.時(shí)序控制電路: 采用 555 單穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)其中 R=68*103 ,C=10*10-6 F,而 電路的輸出脈沖寬度 tw=1.1RC,即 tw=0.075s 四、安裝與調(diào)試 單元電路安裝好后，應(yīng)該先認(rèn)真進(jìn)行通電前的檢查，通電后，檢查每片集 成電路的工作電壓是否正常（TTL 型集成電路電源電壓為 5±0.25V），這是電路 有效工作的基本保證。 調(diào)試該單元電路直至正常

13、工作。統(tǒng)調(diào)主電路的方法是將已 調(diào)試好的若干單元電路連接起來，然后跟蹤信號(hào)流向，由輸入到輸出，由簡單到 復(fù)雜，依次測試，直至正常工作。因此時(shí)控制電路尚未安裝，需人為地給受控電 路加以特定信號(hào)使其正常工作。 調(diào)試控制電路分為兩步： 第一步單獨(dú)調(diào)試控制電路本身，施加于控制電路 的各個(gè)信號(hào)可以人為設(shè)定為某種狀態(tài)，直至正常工作。第二步將控制電路與系統(tǒng) 主電路中各個(gè)功能部件聯(lián)接起來，進(jìn)行電路統(tǒng)調(diào)。 五、結(jié)論與心得 做課程設(shè)計(jì)是為了讓我們對平時(shí)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合， 在理論 和實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固已學(xué)基本理論及應(yīng)用知識(shí)并加以綜合提高， 學(xué)會(huì)將 知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的方法， 提高分析和解決問題的能力。

14、通過這次對數(shù)字鐘的設(shè)計(jì) 與制作， 讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序， 也讓我了解了關(guān)數(shù)字鐘的原理與設(shè)計(jì)理念， 要實(shí)現(xiàn)電路功能總要先設(shè)計(jì),成功之后才實(shí)際接線的。但是最后的成品卻不一定 與理想的完全一樣，因?yàn)椋賹?shí)際接線中有著各種各樣的條件制約著。所以，在 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計(jì)方法。 在做課程設(shè)計(jì)的過程中，我深深地感受到了自己所學(xué)到知識(shí)的有 限， 明白了只學(xué)好課本上的知識(shí)是不夠的，要通過圖書館和互聯(lián)網(wǎng)等各種渠道來 擴(kuò)充自己的知識(shí)。 在實(shí)驗(yàn)過程中我們曾經(jīng)遇到過問題。一個(gè)是在電路接好之后計(jì) 數(shù)的顯示結(jié)果不正確,經(jīng)分析，檢察后我們請老師幫我們檢察了電路，知道了是 電路導(dǎo)線壞了， 于是改正

15、了錯(cuò)誤。我們遇到的第二個(gè)問題是有一個(gè)芯片忘記了接 地。由于有好幾百條連線，所以我們沒有一時(shí)檢察出問題，但是我們沒有沮喪。 在使用萬用表測量各個(gè)接點(diǎn)電壓后我們找到了原因。，但是從中我們學(xué)習(xí)到了如 何對待遇到的困難，進(jìn)一步培養(yǎng)了我們一絲不茍的科學(xué)態(tài)度和不厭其煩的耐心。 在實(shí)驗(yàn)的過程中我和我們組的成員始終在一起，我們互相討論互相合作，使得我 們的實(shí)驗(yàn)得以順利完成，體會(huì)到了合作的力量，感受到了 1+12。所有的這些 心得會(huì)對我以后的學(xué)習(xí)和工作有幫助作用， 忠心感謝老師在實(shí)驗(yàn)過程中給我們的 諄諄教導(dǎo)；忠心感謝學(xué)校給我們提供這次實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。 參考文獻(xiàn) 1.孫建三.數(shù)字電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2000 2.楊愛琴.數(shù)字電路與邏輯.北京：科技出版社.1996 3.郝波.數(shù)字電路.北京：電子工業(yè)出版社.1992 附錄：總原理圖 ： 原器件清單 74LS08：2 片 (含 IC-