數(shù)字電子鐘畢業(yè)設(shè)計.doc

1.數(shù)字鐘的組成和基本工作原理數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。它的計時周期是24小時，由于計數(shù)器的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致所以采用校準(zhǔn)功能和報時功能。數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、校準(zhǔn)電路、報時電路、時計數(shù)、分計數(shù)、秒計數(shù)器，振蕩電路和單次脈沖產(chǎn)生電路組成。其中電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、“時”、“分”、“秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校準(zhǔn)電路、整點報時電路組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)，將標(biāo)準(zhǔn)秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進(jìn)制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用60進(jìn)制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個時脈沖信號，該信號將被送到時計數(shù)器。時計數(shù)器采用24進(jìn)制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的計時。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)通過顯示驅(qū)動電路，七段顯示譯碼器譯碼，在經(jīng)過六位LED七段顯示器顯示出來。整點報時電路時根據(jù)計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一個脈沖信號，然后去觸發(fā)一音頻發(fā)生器實現(xiàn)低、高音報時。校準(zhǔn)電路時用來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對調(diào)整的。如圖1所示多功能數(shù)字鐘的組成框圖。譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動時十位計數(shù)分頻器電路分頻器電路振蕩器電路譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動時個位計數(shù)分十位計數(shù)分十位計數(shù)秒十位計數(shù)秒十位計數(shù)校時電路校分電路 圖1 數(shù)字鐘組成框圖1.1振蕩器振蕩器是數(shù)字鐘的核心,其的作用是產(chǎn)生一個頻率標(biāo)準(zhǔn)時間頻率信號,然后再由分頻器分秒脈沖,因此,振蕩器頻率的精度與穩(wěn)定度基本決定了數(shù)字電子鐘的質(zhì)量。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Hz的方波信號。保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。1.2分頻器電路分頻器電路將32768z的高頻方波信號經(jīng)32768（215）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。本次設(shè)計是運用了CD4060分頻器進(jìn)行分頻，分頻電路可提供512HZ和1024HZ的頻率，在經(jīng)CD4040分頻器進(jìn)行一分頻，為此電路輸送一秒脈沖。1.3計數(shù)器時間計數(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，通常用2個十進(jìn)位計數(shù)器的集成片組成,其中”秒”個位是十進(jìn)制,秒十位為六進(jìn)制?？刹捎梅答仛w零變”秒”十位為六進(jìn)制,實現(xiàn)秒的六十進(jìn)制?！狈帧庇嫈?shù)器原理也一樣。而根據(jù)設(shè)計要求。1.4 譯碼顯示電路 是將數(shù)字鐘的計時狀態(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信號的驅(qū)動下，顯示出清晰、直觀的數(shù)字符號.并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。1.5校時電路實際的數(shù)字鐘電路由于秒信號的精確性和穩(wěn)定性不可能做到完全(絕對)準(zhǔn)確無誤，加之電路中其它原因，數(shù)字鐘總會產(chǎn)生走時誤差的現(xiàn)象。因此，電路中就應(yīng)該有校準(zhǔn)時間功能的電路。1.6報時電路當(dāng)數(shù)字鐘顯示整點時，應(yīng)能報時。要求當(dāng)數(shù)字鐘的“分”和“秒”計數(shù)器計到59分50秒時，驅(qū)動音響電路，要求每隔一秒音響電路嗚叫一次，每次叫聲的時間持續(xù)1秒，10秒鐘內(nèi)自動發(fā)出五聲嗚叫，且前四聲低，最后一聲高，正好報整點。2.設(shè)計步驟與方法2.1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。如圖2所示電路通過非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個電路中，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(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。晶體XTAL1的頻率選為32768Hz。其中C1的值取520 pF，C2為30pF。C1作為校正電容可以對溫度進(jìn)行補償，以提高頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。由于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。圖2振蕩電路圖2.2分頻器電路由數(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。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)器來實現(xiàn)。例如，將32767Hz的振蕩信號分頻為1Hz的分頻倍數(shù)為32767（2），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。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)為最高為14級2進(jìn)制計數(shù)器，首先由U1(CD4060)的Q14(第3腳)產(chǎn)生2Hz的振蕩信號,然后由二進(jìn)制計數(shù)器CD4040和兩個U3A(74LS20),U3B(74LS20)組成120計數(shù)器分頻,從U3B的輸出端輸出一個的分脈沖,作為分鐘計數(shù)器的分鐘信號,按鍵開關(guān)S作為分鐘調(diào)時有手動脈沖開關(guān),每按動一次,從U3B的輸出端輸出一個脈沖,同時U2的Q1管腳輸出秒脈沖信號驅(qū)動發(fā)光二極管LED1,LED2,作為秒指示(因為2Hz的信號經(jīng)1位二進(jìn)制計數(shù)器分頻后為1Hz)。如圖3所示。 圖3分頻電路 2.3計數(shù)器秒脈沖信號經(jīng)過級計數(shù)器，分別得到“秒”個位、十位，“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時?！懊搿?、“分”計數(shù)器為60秒為1分、60分為1小時、24小時為1天的計數(shù)周期，分別組成兩個六十進(jìn)制（秒、分）、一個二十四進(jìn)制（時）的計數(shù)器。將這些計數(shù)器適當(dāng)?shù)剡B接，就可以構(gòu)成秒、分、時的計數(shù)，實現(xiàn)計時的功能進(jìn)制計數(shù)器。它們都可以用兩個“二- 十進(jìn)制”計數(shù)器來實現(xiàn)。六十進(jìn)制計數(shù)器和二十四進(jìn)制計數(shù)器均可由雙BCD加法計數(shù)器CC4518組成。因為一片CC4518內(nèi)含有兩個十進(jìn)制計數(shù)器，因此用一片CC4518就可以構(gòu)成六十進(jìn)制或二十四進(jìn)制計數(shù)器了。選取CC4518和與非門CC4511、采用反饋復(fù)位法構(gòu)成的六十進(jìn)制和二十四進(jìn)制加法計數(shù)器電路分別見圖4(a)和圖4 (b)所示。 圖4(a)計數(shù)器六十進(jìn)制2.3.1計數(shù)器六十進(jìn)制的接法圖4(a)個位為十進(jìn)制.故EN=1,Cr=0,計數(shù)到9以后自動清零,向高位進(jìn)位信號采用Q4Q3Q2Q1=1001,將Q4,Q1送入與非門, 與非門的輸出可以做進(jìn)位信號。因為:當(dāng)Q4,Q1不同時為1,Y為1當(dāng)Q4,Q1同時為1時,Y為0,同時計數(shù)器到9后自動清零,這時Y又變?yōu)?,即出現(xiàn)了一個上升沿。 十位接成六進(jìn)制,利用Q4Q3Q2Q1=0110的信號清零,同時結(jié)合高位進(jìn)位。2.3.2二十四進(jìn)制計數(shù)器的接法 個位為進(jìn)制計數(shù)器,當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到24時,即十位為0010,個位為0100時,同時清零,達(dá)到了二十四進(jìn)制計數(shù)器的目的,即高位的Q2,底位的Q3送入與非門做清零信號,如圖4(b) 二十四進(jìn)制計數(shù)器。4(b) 二十四進(jìn)制計數(shù)器在這兩個電路中，計數(shù)器的控制脈沖由CP端輸入，1EN接高電平；計數(shù)器的控制脈沖由EN端輸入，狀態(tài)如圖5看出：當(dāng)“計數(shù)器的狀態(tài)由1001向0000轉(zhuǎn)換時，1Q4(2EN)正好是一個下降沿，高位的計數(shù)器開始計數(shù)。在圖4 (a)中，將2Q3和2Q2相與后接至CR端，構(gòu)成了六十進(jìn)制計數(shù)器，在圖4(b)中，將2Q2和1Q3相與后接至CR端構(gòu)成了二十四進(jìn)制計數(shù)器。為了保證電路能可靠地工作，在“秒”、“分”、“時”計數(shù)器反饋復(fù)位支路中，加了一個RS觸發(fā)器，如圖7所示。圖5計數(shù)器狀態(tài)圖6“秒”進(jìn)位電路各功能模塊中用到的門電路可以采用4011(四2輸入與非門)來實現(xiàn),其外部引線排列見圖7所示。將與非門組成的RS觸發(fā)器的輸出接至計數(shù)器的復(fù)位端，展寬了復(fù)位和進(jìn)位信號的脈沖寬度，使其在本位可靠地復(fù)位的同時向高位提供了進(jìn)位觸發(fā)圖7 CC4011引線排列2.4譯碼顯示電路數(shù)碼管是數(shù)碼顯示器的俗稱。常用的數(shù)碼顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管，熒光數(shù)碼管，輝光數(shù)碼管和液晶顯示器等。譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘和計時狀態(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)動下，顯示出清晰、直觀的數(shù)字符號。本設(shè)計所選用的是半導(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)碼管的七個發(fā)光二極管的陽極接在一起，而七個陰極則是獨立的。共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管相反，七個發(fā)光二極管的陰極接在一起，而陽極是獨立的。 當(dāng)共陽極數(shù)碼管的某一陰極接低電平時，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)碼管需要輸出低電平有效的譯碼器去驅(qū)動。共陰極數(shù)碼管則需輸出高電平有效的譯碼器去驅(qū)動。當(dāng)數(shù)字鐘的計數(shù)器在CP脈沖韻作用下，按60秒為1分、60分為1小時，24小時為1天的計數(shù)規(guī)律計數(shù)時，就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號。這就需要將計數(shù)器的狀態(tài)進(jìn)行譯碼并將其顯示出來。我們選用的計數(shù)器全部是二-十進(jìn)制集成片，“秒”、“分”、“時”的個位和十位的狀態(tài)分別由集成片中的四個觸發(fā)器的輸出狀態(tài)來反映的。每組(四個)輸出的計數(shù)狀態(tài)都按 BCD代碼以高低電平來表現(xiàn)。因此,譯碼顯示電路選用BCD-7段鎖存譯碼驅(qū)動器CC4511。七段顯示數(shù)碼管的外部引線排列見圖8a)、(b)。現(xiàn)以60進(jìn)制“秒”計時電路為例，將計數(shù)器、譯碼顯示器和顯示數(shù)碼管連在一起，其電路示意圖見圖9 圖8(a) 譯碼器外引線排列 圖8(b) 二極管示意圖圖9譯碼顯示器和顯示數(shù)碼管2.5校時電路實際的數(shù)字鐘表電路由于秒信號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)字鐘總會產(chǎn)生走時誤差的現(xiàn)象。因此，電路中就應(yīng)該有校準(zhǔn)時間功能的電路。校準(zhǔn)的方法很多，常用的有“快速校時法”?，F(xiàn)在以“分計時器”的校時電路為例，簡要說明它的校時原理，見圖10，與非門1，2構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可以將1Hz的“秒”信號和“秒計數(shù)器的進(jìn)位信號”送至“分計數(shù)器的CP端”。兩個信號中究竟選哪個送入由開關(guān)K控制，它的工作過程是這樣的：當(dāng)開關(guān)K置“B”端時，與非門1輸出低電平，門2輸出高電平?！懊胗嫈?shù)器進(jìn)位信號”通過門4和門5送至“分計數(shù)器的CP端”，使“分計數(shù)器”正常工作；需要校正“分計時器”時，將開關(guān)K置“A”端，與非門1輸出高電平，門2輸出低電平，門4封鎖“秒計數(shù)器進(jìn)位信號”，而門3將1Hz的CP信號通過門3和門5送至“分計時器”的CP控制端，使“分計數(shù)器”在“秒”信號的控制下“快速”計數(shù)，直至正確的時間，再將開關(guān)置于“B”端，以達(dá)到校準(zhǔn)時間的目的圖10校時電路圖11整點報時電路圖2.6整點報時電路數(shù)字鐘整點報時是最基本的功能之一?，F(xiàn)在設(shè)計的電路要求在離電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當(dāng)時間在59分51秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號每隔1秒鐘鳴叫一次，每次持續(xù)時間為1秒，共響5次，前四次為低音500Hz，最后一聲為高音1000Hz。整點報時電路的電路原理圖如圖12所示。2.6.1控制門電路部分 圖11中與非門1，3，5的輸入信號Q4，Q3，Q2，Q1分別表示“分十位”“分個位”“秒十位”和“秒個位”的狀態(tài)，下標(biāo)中D，C，B，A分別表示組成計數(shù)器的四個觸發(fā)器的狀態(tài)。Y1=QC4.QA4.QD3.QA3, Y2=Y1.QC2.QA2. Y3=Y2.QD1.F1(1KHz), Y4=Y2.QD1.QA.F2(500Hz).每當(dāng)分和秒計數(shù)到59分50秒時,QD4.QC4.QB4.QD4.=0101, QD3,QC3,QB3,QD3=1001,QD2,QC2,QB2,QA2=0101, QD1,QC1,QB1,QA1=0000可見,從59分50秒到59分59秒之間,只有秒個位計數(shù),而分有十位,分的個位,秒的十位中QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不變.將它們相”與”,即圖11中Y2=QC4.QA4.QD3.QA3.QC2.QA2作為控制信號,去控制Y3和Y4.在每小最最后10秒Y2=1,Y3輸入端加有頻率為2048Hz的信號B(可取自分頻器CD的Q4端),同時又受QD1,QA1的控制,即C就是在59S時,QD1QA1C=1,將Y4關(guān)閉,Y3打開,B信號通過Y3.Y4的輸入端加有頻率為1024Hz的信號A,同時又受QD1,QA1的控制,即在51,53,55,57s時,C.QD1.QA1=1,將Y3關(guān)閉Y4打開,A信號通過Y4,則Z=CQD1 QA1B+C.QD1,QA1A,即可實現(xiàn)前四響為1024Hz的底音,后一響為2048Hz的高音,最后一響完畢正好整點。QD1QC2QB3QA1D1QA100000000110010000111010000101101100011112.6.2音響電路部分音響電路中采用射極輸出器，推動8的喇叭，三極管基極串接lk限流電阻，是為了防止電流過大損壞喇叭，集電極串接51限流電阻，三極管選用高頻小功率管即可。當(dāng)Y5端為高電平時，三極管T導(dǎo)通，有電流流經(jīng)喇叭，使之發(fā)出鳴叫聲。通過以上分析可知，當(dāng)計時至59分51、53、55、57秒時，頻率為500Hz的信號通過喇叭，當(dāng)計時至59分59秒時，頻率為1000Hz的信號通過喇叭，因而發(fā)出四低一高的聲音，音響結(jié)束正好為59分60秒。圖12數(shù)字鐘的布線圖3.組裝與調(diào)試在實驗板上組裝組裝電子時鐘時,應(yīng)嚴(yán)格按圖連接引腳,注意走線整齊,布局合理,器件的懸空端,清0端,置1端要正確處理。插拔集成芯片時要用力均勻,避勉芯片管腳在插拔過程中變彎,折斷。3.1接通電源逐步調(diào)試如果出現(xiàn)錯誤,可先檢查各芯片的電源線是否接上,并保證有正常的工作電壓。按圖9電路在數(shù)字電路實驗箱上連線。它是由十進(jìn)制加法計數(shù)器CC4518、BCD-7段鎖存譯碼驅(qū)動器CC4511和LED七段數(shù)碼管組成。觀察在CP作用下數(shù)碼管的顯示情況。需要注意的是，CC4511正常工作時，為高電平，LE應(yīng)為低電平。按圖4電路在實驗箱上連線。因為CC 4518內(nèi)含有兩個同步十進(jìn)制計數(shù)器，CC 4011內(nèi)含有四個2輸入與非門，因此分別用一片CC4518和CC4011就夠了。按圖4(a)電路連線，輸出可接發(fā)光二極管。觀察在CP作用下(CP為1Hz可直接由實驗箱連續(xù)脈沖輸出端提供)輸出端發(fā)光二極管的狀態(tài)變化情況，驗證是否為六十進(jìn)制計數(shù)器。按圖4(b)電路連線驗證該電路是否為二十四進(jìn)制計數(shù)器。其次安裝的是晶體振蕩電路電路。按圖2電路連線，輸出接發(fā)光二極管，觀察發(fā)光二極管的顯示情況。3.2按順序?qū)﹄娐愤B線和調(diào)試按圖10所示在數(shù)字電路實驗箱上對校時電路連線。將電路輸出(門5)接發(fā)光二極管。撥動開關(guān)，觀察在CP(1Hz)作用下，輸出端發(fā)光二極管的顯示情況。根據(jù)開關(guān)的不同狀態(tài)，輸出端輸出頻率之比約為1：60，“開關(guān)可以取自實驗箱上的邏輯電平開關(guān)。參照圖11,對整點報時電路的安裝因為報時電路發(fā)出聲響的時間是59分51秒至59分60秒之間，59分的狀態(tài)是不變的。圖12中的Y2=1不變。測試時，lkHz的CP信號可由實驗箱上獲得，500Hz的CP信號可將lkHz的信號經(jīng)D觸發(fā)器二分頻得到。QAlQDl端可接至十進(jìn)制計數(shù)器的相應(yīng)輸出端。觀察計數(shù)器在CP信號的作用下，喇叭發(fā)出聲響的情況。將時間調(diào)整到59分50秒,觀察報時電路能否準(zhǔn)確報時。如果不正常,則需檢查相應(yīng)的CC4518芯片。4.結(jié)束語數(shù)字鐘的設(shè)計涉及到模擬電子與數(shù)字電子技術(shù)。其中絕大部分是數(shù)字部分、邏輯門電路、數(shù)字邏輯表達(dá)式、計算真值表與邏輯函數(shù)間的關(guān)系、編碼器、譯碼器顯示等基本原理。數(shù)字鐘是典型的時序邏輯電路，包含了計數(shù)器，二進(jìn)制數(shù)，六進(jìn)制數(shù)，六十進(jìn)制，二十四進(jìn)制，十進(jìn)制數(shù)的概念。數(shù)字鐘的設(shè)計與制作可以進(jìn)一步加深對數(shù)字電路的了解，通過本次電子電路的設(shè)計，為數(shù)字電路的制作提供思路。我學(xué)到了很多東西，最重要的是去做好一個事情的心態(tài)，也許在你拿到題目時會覺得困難，但是只要你充滿信心，一步一個腳印去實現(xiàn)它，就肯定會完成的。有時候畫的線和其它線重要合時會看不到，有時又會明明連的是這個端點，一移動時卻連到任外一個端點了，再加上電路有這么大了，顯示器的界面寬度又有限，所以做起來有點麻煩，一但搞不好就要重新來，這個時候就要你有足夠的耐心了。從這次設(shè)計中我覺得我學(xué)到了以下東西：對于數(shù)字邏輯一些基本知識有了更深的了解,了解很多集成門電路芯片的使用,增強了面對困難勇于面對，勇于解決的信心。以往每做一次課程設(shè)計，感覺自己的收獲總會不少，這次也不例外。做課程設(shè)計是為了讓我們對平時學(xué)習(xí)的理論知識與實際操作相結(jié)合，在理論和實驗教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固已學(xué)基本理論及應(yīng)用知識并加以綜合提高，學(xué)會將知識應(yīng)用于實際的方法，提高分析和解決問題的能力。通過這次對數(shù)字鐘的設(shè)計與制作，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)數(shù)字鐘的原理與設(shè)計理念，要實現(xiàn)電路功能總要先設(shè)計,成功之后才實際接線的。但是最后的成品卻不一定與理想的完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約