數(shù)字鐘課程設(shè)計

1、數(shù)字鐘課程設(shè)計設(shè)計目的進(jìn)一步掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。進(jìn)一步掌握數(shù)字鐘的設(shè)計方法和和計數(shù)器相互級聯(lián)的方法。進(jìn)一步掌握數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計和數(shù)字系統(tǒng)功能的測試方法。進(jìn)一步掌握數(shù)字系統(tǒng)的制作和布線方法。設(shè)計要求設(shè)計指標(biāo)數(shù)字鐘具有顯示時、分、秒的功能；有校時功能，可以分別對時及分進(jìn)行單獨校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間；計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒進(jìn)行蜂鳴報時，報時聲音四低一高; 并且要求走時準(zhǔn)確。設(shè)計要求畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數(shù)選擇，有相關(guān)原器件清單；制作要求自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。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?？?/p>

2、體概要設(shè)計數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)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時間信號必須做到準(zhǔn)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(zhǔn)確的32768 H z的脈沖，可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)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)74LS4060和74LS250的二分頻的分頻后 得到1Hz的方波信號，可以供秒計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。

3、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(jìn)制計 數(shù)器，時個位和時十位計數(shù)器可以設(shè)計為12進(jìn)制計數(shù)器或者24進(jìn)制計數(shù)器，我們這里根據(jù)自己的意愿設(shè)計成 24進(jìn)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)計采用的為 LED數(shù)碼管。各單元模塊設(shè)計和分析晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的

4、核心，它保證了時鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖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R!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C 1、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18 0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XTAL的頻率選為32768H

5、z。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 Ci、C2分別為20pF,和200PF當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度 更高時，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻 Ri可選為20MD。較高的反饋電 阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。脈沖輸岀端圖2晶體振蕩器電路圖分頻器電路通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)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(jìn)制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如， 將32767H z的振蕩信號分頻為1H Z的分頻倍數(shù)為32767 （ 2 15）

6、，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。CD 4060計數(shù)為最高為14級2進(jìn)制計數(shù)器， 可以將32767 H z的信號分頻為2H z， 而經(jīng)過74LS90可以將它分為1HZ的信號。如圖3所示，可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻 的功能。ioe時間計數(shù)單元1011顯示譯碼芯片接口 1010 口iosP1012CHIO5104- IOS107k-T.p .匸103：圖3 CD4046和74LS90的分頻電路圖1 HZ的信號特入時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分

7、計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。時計數(shù)單元一般為24進(jìn)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6 0進(jìn)制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。本實驗采取了 74LS90用兩塊芯片進(jìn)行級聯(lián)來產(chǎn)生 60進(jìn)制和24進(jìn)制秒個位計數(shù)單元為10進(jìn)制計數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將Q 0與CP i （下降沿有 效）相連即可CP 0 （下降沒效）與1H Z秒輸入信號相連，Q 3可作為向上的進(jìn) 位信號與十位計數(shù)單元的CP i相連。秒十位計數(shù)單元為6進(jìn)制計數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制 計數(shù)器的電路連接，其中Q 2可作為向上的進(jìn)位信號與分個位的計數(shù)單元的CP0相連。分個位和分

8、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，也是 分個位計數(shù)單元的Q 3作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的CP0相連，分十位計數(shù)單元的Q 2作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的CP0相連。60進(jìn)制的連接如圖4所示。1108口I91GgU4州Il 03 -g g gS: :8: 34L590N高位的進(jìn)位帥沖1 HZ的信號愛入圖4 60進(jìn)制計數(shù)器電路圖5 24進(jìn)制計數(shù)器電路譯碼驅(qū)動及顯示單元1L590NI020 |310171013-低氈的進(jìn)莓信號星示譯碼芯片無口I02-1H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24進(jìn)制計數(shù)器，所以在兩塊

9、 74LS90構(gòu)成的100進(jìn)制中截取24,就得在24的 時候進(jìn)行異步清零。24進(jìn)制計數(shù)功能的電路如圖5所示。1011星示譯碼茜片接口IOS1010 iod=-|10181015_Q.口1-_107kqI FL .L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74LS47作為顯示譯碼電路，選用74LS546八段共陽LED數(shù)碼管作為顯示單元電路，如圖6所示SEVEN SEG COMUSvcC_ _ . _ .5vl =1022r 05# 1024 fuzd11-a計數(shù)器狀態(tài)輸入EURE 口4LS4?D

10、 1023圖6譯碼驅(qū)動和顯示電路校時電源電路 當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進(jìn)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(jìn)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7所示為所設(shè)計的校時電路。6肚 * $沖軸圖7校正電路整點報時電路74LSQ4D 74LS040L 74LS04D砂十拴鍛便的壬鞏館號誹人3($ U1D匸1,fl&CMD 無正 tit 號 I2

11、HZ入小時神特岀*分十俊進(jìn)施的正第信特$人MI4-B5 町6me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51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，作為選蜂鳴器為電 聲器件，選用CC4016模擬開關(guān)作控制，使蜂鳴器可以一響一停。如圖 8所示。數(shù)字鐘設(shè)計一整點報時電騫郃分說明:當(dāng)時間在59分晚到59分昭期間時分十位.分個位和砂十僅均保持不吏，分別為& W5： 因此，可且將分

12、計親器十位的QcWA, T僅的cmiQAK 秒計數(shù)器十恆的QC和QA相與.從而產(chǎn)生報吋控制皓號電路的安裝與調(diào)試在完成了理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行對自己設(shè)計不大肯定的電路，利用軟件Multism進(jìn)行模擬，根據(jù)成功與否再進(jìn)行修正之后，開始電路的安裝和調(diào)試。在拿到了工具的和器材之后，首先對各元器件進(jìn)行測試，檢查是否芯片存在問題。在確認(rèn)沒有問題之后，就可以按照布線方案來進(jìn)行布線了。我的布線方案，首先安裝驅(qū)動和計數(shù)模塊。對譯碼驅(qū)動電路和計數(shù)電路同時布線，但是，先只進(jìn)行 它的一個顯示管和一塊 74LS47和一塊74LS90 （秒的個位）安裝，當(dāng)驗證產(chǎn)生的計 數(shù)沒有問題時，才盡一步對它進(jìn)行擴(kuò)展，安裝秒的十位，分

13、的個位和十位，以及時 的個位和十位，并進(jìn)行檢驗，為什么不安裝完驅(qū)動模塊再進(jìn)行計數(shù)模塊的安裝 呢？我認(rèn)為這樣可以方便我們的檢驗（當(dāng)然我的檢驗脈沖現(xiàn)在不一定是1HZ的，所以我利用面包板上自帶的脈沖輸出），當(dāng)裝完了那么一個龐大的電路后，一旦哪 里出錯，進(jìn)行檢查怎么說也是個難事。其次安裝的是晶體振蕩電路電路。按照理論設(shè)計和已經(jīng)在 Multism軟件中驗證過的 電路進(jìn)行安裝，當(dāng)然實際安裝中有不可預(yù)見的問題可能發(fā)生， 我才用示波器來觀察， 果然，象設(shè)計和預(yù)料的那樣，1HZ的脈沖波形出現(xiàn)。再次安裝的模塊是校時模塊。接出如圖 7的電路然后和計數(shù)模塊相連接。在這個連 接中，我們原來的設(shè)計的是采用單刀雙制開關(guān)，但

14、是由于在實驗室沒有這樣的開關(guān)， 我們的設(shè)計只好稍微做下修改，這樣的設(shè)計我覺得在數(shù)字電子的設(shè)計中是常見的。 一種典型的接法。最后要接的是正點報時電路。這個部分是我們平時沒怎么實驗和設(shè)計過的部分，說 實際的，在做這個設(shè)計之前，心理真的沒有底到底蜂明器是怎么工作的，怎樣去驅(qū)動它才能讓它正常工作。第一個在我腦海里產(chǎn)生的利用555接一個電子琴電路，再加上模擬開關(guān)來選擇高低聲音，理論上設(shè)計沒問題，也對它包有很大的信心。但是在實習(xí)的過程中，在做這個人的時候，到中午了，于是我回來了，我想利用In ternet搜索點對自己的設(shè)計有用的信息來，偶爾的一個蜂明的電路啟發(fā)了我，那就是現(xiàn)在 如設(shè)計圖紙中的那個報時電路。

15、不過，先發(fā)現(xiàn)報時電路聲音比較的低，于是我決定 見效電阻使聲音合適。完成了布線的過程之后，就是一個綜合的測試，由于在各個模塊的安裝，布線的認(rèn) 真和有條理性，綜合測試，一次成功，本人認(rèn)為教為不錯！而且就整個實驗來說由 于設(shè)計的原理時的態(tài)度的認(rèn)真，嚴(yán)謹(jǐn)和對這次實習(xí)的重視，以及考慮問題的全面和 方案的多樣性，使得裝配，布線，和調(diào)試幾乎沒有什么大問題難倒我，一切都還比 較的順利和成功！記得在一個實驗室一起做實驗的同學(xué)中，我的實驗是第一個完成 的，綜合測試成功的那一刻，很興奮！總結(jié)設(shè)計過程中遇到的問題及其解決方法。在檢測面包板狀況的過程中，出現(xiàn)本該相通的地方被斷了的導(dǎo)線堵塞，用鑷子將其 挑出。在檢測74L

16、S47驅(qū)動電路的過程中發(fā)現(xiàn)有兩個數(shù)碼管顯示的數(shù)字是沒有規(guī)律的（不 是從0到9的顯示），正是由于我們布線的整齊簡明，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是74LS47其中的兩跟譯碼線與顯示管腳連接出錯，交換，就OK了！在連接晶振的過程中，晶振起振，但是輸出的脈沖明顯不是1HZ的，對照設(shè)計電路檢查，發(fā)現(xiàn)CD4060的輸出管腳接錯，接上3號管腳，一切0K !。在制作報時電路的過程中，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在 57分59秒的時候就開始報時，后經(jīng)檢測 電路發(fā)現(xiàn)是由于把74HC30芯片當(dāng)16引腳的芯片來接，以至接線都錯位，重新接線 后能正常報時。在布置地線和5V電壓線時，不甚把兩線接到了一起，導(dǎo)致整個板沒法工作。經(jīng)認(rèn)真的檢查，排除了問題！設(shè)

17、計體會在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，更進(jìn)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。在連接六進(jìn)制、十進(jìn)制、六十進(jìn)制的進(jìn)位及十二進(jìn)制的接法中，要求熟悉邏輯電路 及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯時便能準(zhǔn)確地找出錯誤所在并及時糾正了。在設(shè)計電路中，往往是先仿真后連接實物圖，但有時候仿真和電路連接并不是完全 一致的，例如仿真的連接示意圖中，往往沒有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳，因此在實際的電路連接中往往容易遺漏。又例如74HC390芯片，其本身就是一個十進(jìn)制計數(shù)器，在仿真電路中必須連接反饋線才能正常顯示，而在 實際電路中無需再連接，因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區(qū)別的。在設(shè)計電路的連接圖中出錯的主要原因都是接線和芯片的接觸不良以及接線的錯誤 所引起的。對該設(shè)計的建議此次的數(shù)字鐘設(shè)計重在于仿真和接線，雖然能把電路圖接出來，并能正常顯示