XN1數(shù)字鐘的設(shè)計畢業(yè)論文

1、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 xn-1數(shù)字鐘的設(shè)計 指導(dǎo)老師 職稱 學(xué)生姓名 _ 學(xué)號 專 業(yè) 班級 院 (系) 完成時間 xn-1數(shù)字鐘的設(shè)計摘 要 在個人家庭、車站、碼頭、劇場、辦公室等公共場所，到處都看到數(shù)字鐘的身影，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便。但由于某些數(shù)字鐘的設(shè)計存在某些缺陷，使數(shù)字鐘走時不夠準(zhǔn)確、性能不穩(wěn)定、攜帶不方便等缺點，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和先進的石英技術(shù)的應(yīng)用使它的性能有了很大改善，xn-1數(shù)字鐘具有計時、自動報時、校時等功能；而且走時夠準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便、數(shù)字顯示清晰等優(yōu)點。本文介紹了xn-1數(shù)字鐘的組成結(jié)構(gòu)、工作原理，對其電路進行了詳細的分析。

2、關(guān)鍵詞 數(shù)字鐘；集成電路；邏輯電路；時序電路the design of digital clockabstract in the individuals, families, stations, piers, theaters, offices and other public places, everywhere we can see the figure of the digital clock bring great convenience to the way of peoples live, learning, working and entertainments. because

3、of some flaws of the design of the digital clock, the digital clock is not accurate enough, unstable of performance, hard to carry and other shortcomings. with the development of integrated circuit technology and the advanced quartz technology, its performance has been greatly improved. not only doe

4、s xn-1 digital clock have timing, automatic timekeeping, school functions, but also its travel time is enough for an accurate, stable performance, easy to carry, clearly figures show and so on. this article describes the structure of the xn-1 digital clock, working principle, and its circuit a detai

5、led analysis.key words digital clock; integrated circuit; logic circuit; sequential circuits 目 錄摘 要iabstractii前 言11.xn-1型數(shù)字鐘的組成結(jié)構(gòu)22. xn-1數(shù)字鐘的工作原理及電路分析32.1秒信號發(fā)生電路32.2. “時”、“分”、“秒”計數(shù)器電路52.3. 譯碼顯示電路92.4. 校時電路122.5. 整點報時電路142.5.1 控制門電路部分142.5.2 音響電路152.6 整機工作過程153. 安裝調(diào)試方法163.1 秒信號發(fā)生器的安裝和調(diào)試163.2 計數(shù)器的安裝和調(diào)

6、試163.3 譯碼顯示電路的安裝和調(diào)試163.4 校時電路的安裝和調(diào)試173.5 整點報時電路的安裝和調(diào)試174. 結(jié)束語175. 總 結(jié)18致 謝19參考文獻20前 言 現(xiàn)在我國的電子業(yè)發(fā)展非常快速，電子業(yè)的發(fā)展有利于鐘表業(yè)的發(fā)展。在中國鐘表發(fā)展史上，國產(chǎn)機芯研制的失敗已經(jīng)成為過去，“組裝業(yè)”作為新興鐘表工業(yè)的起步階段也已成為過去。一支新的充滿智慧的鐘表精英在成長。 我們相信在科技高速發(fā)展的今天，鐘表業(yè)運用當(dāng)今材料工業(yè)、電子工業(yè)和其他領(lǐng)域的最新技術(shù)，一定會生產(chǎn)出代表中國科學(xué)水平的產(chǎn)品。我們希望鐘表業(yè)的精英們在提高制造技術(shù)水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的品牌。這正是中國鐘表業(yè)發(fā)展的希望

7、。1.設(shè)計目的 xn-1數(shù)字鐘具有準(zhǔn)確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間、報時和校時功能。在電路中，要用到振蕩電路提供的 1h z 脈沖信號。在計時出現(xiàn)誤差時電路還可以進行校時和校分，為了使電路簡單所設(shè)計的電路不具備校秒的功能。并且要用數(shù)碼管顯示時、分、秒，各位均為兩位顯示。 2.設(shè)計功能 （1）時的計時要求為“24 翻 1”，分和秒的計時要求為 60 進制 （2）準(zhǔn)確計時，以數(shù)字形式顯示時，分，秒的時間 （3）校正時間 （4）報時功能； 1.xn-1型數(shù)字鐘的組成結(jié)構(gòu)圖1.1是xn-1數(shù)字鐘的組成框圖。它是由時鐘信號發(fā)生電路、“時”、“分”、“秒”計時電路、報時電路、校時電路、譯碼顯示電路

8、五大部分組成。圖1.1 xn-1型數(shù)字鐘組成框圖2. xn-1數(shù)字鐘的工作原理及電路分析2.1秒信號發(fā)生電路秒信號發(fā)生電路是數(shù)字鐘的心臟，它是產(chǎn)生時間標(biāo)準(zhǔn)“秒”信號的電路。為了制作簡便，本系統(tǒng)中采用cd4060構(gòu)成的晶體振蕩電路。cd4060是14位二進制串行計數(shù)/分頻器。它由兩部分電路組成，一部分電路是14級二進制分頻器，另一部分電路是振蕩器。分頻器部分是由d觸發(fā)器組成的14位二進制串行計數(shù)器，其分頻系數(shù)為16至16384（分別由q4到q14輸出），振蕩器部分是兩級反相放大器，通過外接電阻和電容構(gòu)成rc振蕩器，或通過外接石英晶體構(gòu)成高精度的晶體振蕩器。cd4060的十四級計數(shù)器只有10個輸出

9、端q4-q10、q12-q14，其管教排列和真值表分別如圖2.1和2.2所示圖2.1 cd4060管腳排列輸 入輸 出cp1r計數(shù)器狀態(tài)0不 變00100加計數(shù)全部輸出為01圖2.2 cd4060真值表r為復(fù)位端。它為高電平時計數(shù)器全部清零，同時使時鐘禁止輸入或者使內(nèi)振蕩器停振；r為低電平時，進入計數(shù)狀態(tài)。由cd4060內(nèi)部門電路構(gòu)成的晶體振蕩器與普通門電路構(gòu)成的晶體振蕩器的電路一樣，如圖2.3：電阻rf是反饋電阻，用來是非門工作在傳輸特性曲線的線性區(qū)，其值可在幾兆到幾十兆歐之間選取，晶體工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)，呈感性。調(diào)節(jié)可變電容ct的值，可使頻率跳到一個精確值。圖2.3為cd4060構(gòu)成的秒信

10、號發(fā)生器電路，它可以為數(shù)字鐘提供固定的時鐘信號（1秒）。該電路是由cd4060和bcd碼同步加法計數(shù)器cd4518構(gòu)成。電路中利用cd4060組成兩部分電路，一部分是14級分頻器，另一部分是外接電子表用石英晶體構(gòu)成的頻率為32768hz的振蕩源。振蕩器輸出經(jīng)14級分頻后在輸出端q14上得到2hz脈沖，再送入由cd4518構(gòu)成的二分頻器，分頻后在輸出端q1上得到秒基準(zhǔn)信號，頻率為1hz。圖2.3秒信號發(fā)生電路2.2. 計數(shù)器數(shù)字鐘的“秒”、“分”信號產(chǎn)生電路都是由六十進制計數(shù)器構(gòu)成，“時”信號產(chǎn)生電路為二十四進制計數(shù)器。他們都可以用兩個“二-十”計數(shù)器來實現(xiàn)。六十進制計數(shù)器和二十四進制計數(shù)器均可

11、由雙bcd加法計數(shù)器cd4518組成。cd4518的管腳排列如圖2.4所示，真值表如圖2.5所示。圖2.4 cd4518管腳排列cpenr功能10加計數(shù)00加計數(shù)0保持0保持00保持10保持1復(fù)位 圖2.5 cd4518真值表因為一片cd4518內(nèi)含有兩個十進制計數(shù)器，因此用一片cd4518就可以構(gòu)成六十進制或二十四進制計數(shù)器了。選取cd4518和與非門cd4511、采用反饋復(fù)位法構(gòu)成的六十進制和二十四進制加法計數(shù)器電路分別如圖2.6的（a）和（b）所示。圖2.6（ a ） 六十進制加法計數(shù)器圖2.6 （ b ） 二十四進制加法計數(shù)器把計數(shù)器各功能端前標(biāo)有“1”的叫“計數(shù)器1”，標(biāo)有“2”的叫

12、“計數(shù)器2”。在這兩個電路中，“計數(shù)器1”的控制脈沖均由cp端輸入，因此1en應(yīng)接高電平；“計數(shù)器2”的控制脈沖均由en端輸入，因此2cp應(yīng)接低電平。將1qd接至2en保證了低位十進制計數(shù)器向高位計數(shù)器提供觸發(fā)信號。由圖2.6可以看出：當(dāng)“計數(shù)器1”的狀態(tài)由1001向0000轉(zhuǎn)換時，1qd（2en）正好是一個下降沿，因此高位的計數(shù)器開始計數(shù)。在圖2.6（a）中，將2qb和1q相與后接至cr端構(gòu)成了六十進制計數(shù)器。在圖（b）中，將2qb和1qc相與后接至cr端構(gòu)成了二十四進制計數(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2.7所示。圖2.

13、7 計數(shù)器反饋復(fù)位電路將與非門組成的rs觸發(fā)器的輸出接至計數(shù)器的復(fù)位端，展寬了復(fù)位和進位信號的脈沖寬度，使其在本為可靠地復(fù)位的同時向高位提供了進位觸發(fā)脈沖。與非門選用四2輸入與非門cd4011，其外部引線排列如圖2.8所示。圖2.8 cd4011引線排列2.3. 譯碼顯示電路當(dāng)數(shù)字鐘的計數(shù)器在cp脈沖的作用下，按60秒為1分、60分為1小時，24小時為1天的技術(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)進行譯碼并將其顯示出來。本系統(tǒng)選用的計數(shù)器全部是二-十進制集成片，“秒”、“分”、“時”的個位和十位的狀態(tài)分別由集成片中的四個出發(fā)起的輸出狀態(tài)來反映的。每組（四個）輸出

14、的技術(shù)狀態(tài)都按bcd碼以高低電平來表現(xiàn)。因此，需經(jīng)譯碼電路將計數(shù)器輸出的bcd碼變成能驅(qū)動七段顯示器的工作信號。譯碼顯示電路選用bcd-7段鎖存譯碼/驅(qū)動器cd4511.cd4511有四個輸入端a，b，c，d和七個輸出端a至g，它還具有輸入bcd碼鎖存、燈測試和熄滅顯示控制功能，它們分別油鎖存端le、燈測試端(lt)、熄滅控制端bi來控制。cd4511管腳排列如圖2.9所示，真值表見表2.10所示。圖2.9 cd4511管腳排列l(wèi)e(bi)(lt)dcbaabcdefg顯示011111118010000000熄滅01100001111110001100010110000101100101101

15、10120110011111100130110100011001140110101101101150110110001111160110111111000070111000111111180111001111001190 1 11010至11110000000熄滅111為le上跳前的bcd碼決定鎖存圖2.10 cd4511真值表由表2.10可知，當(dāng)鎖存允許端le=“0”時，鎖存器直通，譯碼器輸出端a-g隨輸入a-d端變化，當(dāng)le=“1”時，鎖存器鎖定，輸出端保持不變。熄滅控制端(bi)=“0”時，譯碼器輸出全“0”，因此，正常工作是應(yīng)使bi為高電平。另外燈測試端(lt)=“0”時，譯碼器輸出全

16、“1”,數(shù)碼管各段均亮，即顯示8，用來檢測數(shù)碼管是否正常。當(dāng)輸入的bcd碼大于1001時，七段顯示輸出全“0”，各段均不亮。cd4511常用于驅(qū)動共陰極led數(shù)碼管，工作時一定要加限流電阻。由cd4511組成的基本數(shù)字顯示電路如圖2.11所示。圖2.11 一位數(shù)字顯示電路圖中bs205為陰極led數(shù)碼管，電阻r用于限制cd4511的輸出電流大小，它決定led的工作電流大小，從而調(diào)節(jié)led的發(fā)光亮度，r值由下式?jīng)Q定：r=（uoh-ud）/id式中uoh為cd4511輸出高電平（vdd），ud為led的正向工作電壓（1.5到2.5v）。下面以60進制“秒”計時電路為例，將計數(shù)器、譯碼顯示器和顯示數(shù)

17、碼管連在一起，其電路圖示意圖見圖2.12圖2.12 六十進制“秒”計時電路2.4. 校時電路當(dāng)時鐘指示不準(zhǔn)時，就需要校準(zhǔn)時間。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”的校準(zhǔn)電路為例，簡要說明它的校時原理，見圖2.13圖2.13 “分計時器” 校時電路與非門1,2構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可以將1hz的“秒”信號和“秒計時器的進位信號”送至“分計數(shù)器的cp端”。當(dāng)開關(guān)k置于“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”工作正常；需要校正“分計數(shù)器”時，將開關(guān)k置于“a”端，與非門1輸出高電平，門2輸出低電平，

18、門4封鎖“秒計數(shù)器進位信號”，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，達到校準(zhǔn)時間的目的。2.5. 整點報時電路數(shù)字鐘整點報時是最基本的功能之一。本系統(tǒng)設(shè)計的電路要求在離整點差1秒時鳴叫一次，持續(xù)時間為1秒。整點報時電路的原理如圖2.14所示。圖2.14 整點報時電路整點報時電路主要由控制門電路和音響電路兩部分組成。2.5.1 控制門電路部分由與非門1至8組成。圖中與非門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

19、，c,b,a分別表示組成計數(shù)器的四個觸發(fā)器的狀態(tài)。由圖2.12可知：y1=qc4qa4qd3qa3 y2=qc2qa2qd1qa1 y3=（y1y2）y1為59分，y2為59秒。2.5.2 音響電路 音響電路采用射極輸出器，推動8的喇叭，三極管基極串接1k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。2.6 整機工作過程 首先利用cd4060和石英晶體構(gòu)成能輸出2hz信號的電路，再把產(chǎn)生的2hz信號送入cd4518構(gòu)成二分頻器，分頻后輸出q1端得到秒基準(zhǔn)信號（1hz）。第二步，把得到的秒基準(zhǔn)信號送往計數(shù)器cd4518中，每隔1秒計數(shù)一次。在“秒”、“分”

20、、“時”計數(shù)器反饋復(fù)位支路中加了一個rs觸發(fā)器，將輸出接至計數(shù)器的復(fù)位端，實現(xiàn)進位功能。第三步，經(jīng)譯碼電路將計數(shù)器輸出的bcd碼編程能驅(qū)動數(shù)碼顯示器的工作信號。此部分需要cd4511進行掃描顯示。輸出顯示穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。第四步，由于一些內(nèi)在或外在的因素，有時候，鐘表可能會顯示不準(zhǔn)確。那么就需要校時電路。此系統(tǒng)的校時電路是由與非門構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，將1hz的“秒”信號和“秒計數(shù)器的進位信號”送至“分計數(shù)器的cp端”。并將信號送入開關(guān)控制。第四步，整點報時。將計數(shù)器的四個觸發(fā)器的狀態(tài)進行提取。當(dāng)時鐘達到59分59秒時，電路中的三極管導(dǎo)通，電流經(jīng)過喇叭，發(fā)出鳴叫。持續(xù)聲音為1秒。3. 安裝調(diào)試方法 本

21、設(shè)計電路在數(shù)字電路實驗箱上完成。在進行整體電路連接之前，應(yīng)對各部分的電路進行逐一安裝和調(diào)試。3.1 秒信號發(fā)生器的安裝和調(diào)試 按圖2.3電路在實驗箱上連線，輸出接發(fā)光二極管，觀察發(fā)光二極管的顯示情況。3.2 計數(shù)器的安裝和調(diào)試 按圖2.6電路在試驗箱上連線。因為cd4518內(nèi)含有兩個同步十進制計數(shù)器，cd4011內(nèi)含有四個2輸入與非門，因此分別用一片cd4518和cd4011就夠了。 1.按圖2.6（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，驗證是否為六十進制計數(shù)器。 2.按圖2.6（b）電路連線，驗證電路

22、是否為二十四進制計數(shù)器。 3.調(diào)試過程中，要注意的問題： （1）根據(jù)cd4518的功能表，當(dāng)觸發(fā)脈沖由cp端輸入時，en端應(yīng)接高電平，此時cp上升沿觸發(fā)；當(dāng)觸發(fā)脈沖由en端輸入時，cp端輸入端接低電平，此時cp下降沿觸發(fā)。 （2）cr為異步復(fù)位端，高電平有效。當(dāng)cr為高電平時，計數(shù)器復(fù)位；正常計數(shù)時，應(yīng)使cr=0。3.3 譯碼顯示電路的安裝和調(diào)試 按圖2.12電路在數(shù)字電路實驗箱上連線。它是由十進制加法計數(shù)器cd4518、bcd-7段鎖存譯碼/驅(qū)動器cd4511和led七段顯示數(shù)碼管組成。 觀察在cp作用下數(shù)碼管的顯示情況。cd4511正常工作時，(lt)(bi)應(yīng)為高電平，le應(yīng)為低電平。3

23、.4 校時電路的安裝和調(diào)試 按圖2.13所示電路在數(shù)字電路試驗箱上連線。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，可以取自試驗箱上的邏輯電平開關(guān)。3.5 整點報時電路的安裝和調(diào)試 按圖2.14電路在數(shù)字電路試驗箱上連線。 測試時，1khz的cp信號可由試驗箱上獲得。qa1qda端可接至十進制計數(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。4. 結(jié)束語： 經(jīng)過近一個月的努力，以及同學(xué)們和安老師的指導(dǎo)，xn-1型數(shù)字鐘終于完成了。本次設(shè)計的xn-1型數(shù)字鐘不同于以往的機械數(shù)字鐘。由于它采用晶體振蕩電路產(chǎn)生的秒信號，所以走時準(zhǔn)確。此外，系統(tǒng)采用的與非門組成的校時功能具有操作簡便等優(yōu)點。采用的led七段顯示數(shù)碼管更清晰直觀的把數(shù)字顯示出來?？傮w上xn-1數(shù)字鐘具有走時夠準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便、數(shù)字顯示清晰等優(yōu)點。不足之處是本系統(tǒng)沒有直流源電路，所以電池需要定期更換。5. 總結(jié)通過本次畢業(yè)設(shè)計,我明白了一個道理:無論做什么事情,都必需養(yǎng)成嚴(yán)謹,認真,善思的工作作風(fēng).我 這畢業(yè)設(shè)計由于我采用的是數(shù)字電路來 實現(xiàn)的,所 以電路較復(fù)雜,但 是容易理解.每一部分我都能