數(shù)字鐘數(shù)電課程設(shè)計

1、課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 報告報告 題目題目 數(shù)字鐘數(shù)字鐘- -數(shù)電課程設(shè)計數(shù)電課程設(shè)計 2011-20122011-2012 第一學(xué)期第一學(xué)期 班班 級級 姓姓 名名 學(xué)學(xué) 號號 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 單單 位位 年年 月月 日日 前言前言 20 世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎 滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的 提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越 快。 時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當(dāng)前的時 間。忘記了要做的事情，當(dāng)事情不是很重要的時候，這種遺忘無傷大雅。但是， 一旦

2、重要事情，一時的耽誤可能釀成大禍。例如，許多火災(zāi)都是由于人們一時 忘記了關(guān)閉煤氣或是忘記充電時間。尤其在醫(yī)院，每次護(hù)士都會給病人作皮試， 測試病人是否對藥物過敏。注射后，一般等待 5 分鐘，一旦超時，所作的皮試 試驗就會無效。手表當(dāng)然是一個好的選擇，但是，隨著接受皮試的人數(shù)增加， 到底是哪個人的皮試到時間卻難以判斷。所以，要制作一個定時系統(tǒng)。隨時提 醒這些容易忘記時間的人。 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴(kuò)展了鐘表 原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定 時廣播、定時啟閉電路、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備，甚至各種定時電氣的 自動啟用等，所有

3、這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò) 大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。 目錄目錄 一、一、 設(shè)計目的設(shè)計目的.- 3 - 二、二、設(shè)計要求設(shè)計要求.- 3 - 2.1 設(shè)計指標(biāo).- 3 - 2.2 設(shè)計要求.- 3 - 2.3 制作要求.- 3 - 2.4 編寫設(shè)計報告.- 3 - 三、三、各單元電路設(shè)計各單元電路設(shè)計.- 4 - 3.1 工作原理.- 4 - 3.2 原理框圖.- 4 - 3.3 振蕩器.- 5 - 3.3.1 由石英晶體振蕩器構(gòu)成的 1hz 秒脈沖信號.- 5 - 3.4 時間計數(shù)器電路 .- 6 - 3.4.1 秒計數(shù)器的設(shè)計.- 6 - 3.4.2 分計數(shù)

4、器的設(shè)計.- 7 - 3.4.3 時計數(shù)器電路.- 8 - 3.5 譯碼驅(qū)動及顯示單元的設(shè)計.- 9 - 3.6 校時電路.- 9 - 3.7 整點報時電路.- 10 - 3.7.1 論證.- 10 - 3.7.2 實現(xiàn).- 10 - 四、四、總電路設(shè)計總電路設(shè)計.- 12 - 五、五、元件清單元件清單.- 12 - 六、六、課程設(shè)計體會課程設(shè)計體會.- 13 - 七、七、參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).- 14 - 一、一、 設(shè)計目的設(shè)計目的 1、熟悉集成電路的引腳安排； 2、掌握各芯片的邏輯功能及使用方法； 3、了解數(shù)字鐘的組成及工作原理； 4、熟悉數(shù)字鐘的設(shè)計與制作； 5、熟悉 protel99 se

5、 軟件的操作； 二、二、 設(shè)計要求設(shè)計要求 2.1 設(shè)計指標(biāo)設(shè)計指標(biāo) 時間以 24 小時為一個周期；能顯示時，分，秒； 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； 為了保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時間基準(zhǔn)信號。 2.2 設(shè)計要求設(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； 2.32.3 制作要求制作要求 自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題； 2.42.4 編寫設(shè)計報告編寫設(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。 三、三、各單元電路設(shè)計各單元電路設(shè)計

6、3.13.1 工作原理工作原理 數(shù)字鐘是一個將“ 時” ， “分” ， “秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它 的計時周期為 24 小時，顯示滿刻度為 23 時 59 分 59 秒，另外應(yīng)有校時功能和 報時功能。因此，一個基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、 “時” ， “分” ， “秒” 計數(shù)器、校時電路、報時電路和振蕩器組成。干電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、 “時、 分、秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、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

7、累計 60 秒發(fā)送一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器” 的時鐘脈沖。 “分計數(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 小時的累計。譯碼顯示電路將“時” 、 “分” 、 “秒”計數(shù)器 的輸出狀態(tài)由七段顯示譯碼器譯碼，通過六位 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，然后觸發(fā)音頻發(fā)生器 實現(xiàn)報時。校時電路時用來對“時” 、 “分”顯示數(shù)字進(jìn)行校對調(diào)整的。 數(shù)字電子鐘由振蕩器、分頻器 計數(shù)器、譯碼顯示、報時等電路組成。其中

8、振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒信號發(fā)生器，由不同進(jìn)制的計數(shù)器、譯碼器和顯示 器組 成計時系統(tǒng)。秒信號送入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，把累加的結(jié)果 以時， 、 分， 、 秒的數(shù)字顯示出來。 時顯示由 24 進(jìn)制 計數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成， 分 、 秒顯示分別由 60 進(jìn) 制計數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成?？蛇M(jìn)行整點 報時，計時出 現(xiàn)誤差時，可以用校時電路校時、校分。 3.23.2 原理框圖原理框圖 時顯示器分顯示器秒顯示器 秒譯碼器分譯碼器時譯碼器 時計時器分計時器秒計時器 校時電路校分電路分頻器振蕩器 報時器 1-1 原理框圖 3.33.3 振蕩器振蕩器 振蕩器產(chǎn)生的時基信號通常頻率都很高，要使它成為能用過來計時

9、的“秒” 信號，需由分頻器來完成。分頻器的級數(shù)和每級的分頻次數(shù)要根據(jù)時基頻率來 決定。例如，目前石英電子鐘多采用 32768hz 的時標(biāo)信號，將此信號經(jīng)過 15 級 即可得到周期為 1s 的“秒”信號。也可選用其他頻率的時基信號，確定好分頻 次數(shù)后再選選擇合適的集成電路。 3.3.13.3.1 由石英晶體振蕩器構(gòu)成的由石英晶體振蕩器構(gòu)成的 1hz1hz 秒脈沖信號秒脈沖信號 石英晶體振蕩器產(chǎn)生的 32768hz 時標(biāo)信號進(jìn)行 15 分頻。選用 14 為二進(jìn)制 計數(shù)器分頻器 cmos 集成電路 cc4060，由它可以得到 14 分頻的信號。再將 ttl 集成電路 74ls74 雙 d 觸發(fā)器鐘的

10、一個觸發(fā)器結(jié)成計數(shù)器型，完成第 15 級分頻， 即可得到周期為 1s 的沖信號。 振蕩器與分頻器連接電路和 cc4060 引腳排列下圖： q9 13 q5 5 q4 7 q6 4 q10 15 q12 1 q7 6 gnd 8 q13 2 q8 14 q14 3 clk0 10 clk0 9 rst 12 clk1 11 vdd 16 hcc4060bf cc4060列列列列列 圖 3-1cc4060 引腳排列 圖 3-2 cc4060 組成的振蕩器與分頻器連接 電路 3.43.4 時間計數(shù)器電路時間計數(shù)器電路 時間計數(shù)器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

11、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)器均為 60 進(jìn)制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，時個位和時十位計數(shù)器為 24 進(jìn)制 計數(shù)器。這些計數(shù)器電路都可以由中規(guī)模集成計數(shù)器 74ls90 來實現(xiàn)。 3.4.13.4.1 秒計數(shù)器的設(shè)計秒計數(shù)器的設(shè)計 秒信號發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了時信號 發(fā)生器和分信號發(fā)生器的精度。 “秒”計數(shù)器為 60 進(jìn)制計數(shù)器。實現(xiàn)此 100 模 數(shù)的計數(shù)器是由兩片中規(guī)模集成計數(shù)器 74ls90 構(gòu)成的。首先分別將兩片 74ls90 設(shè)置成 10 進(jìn)制加法計數(shù)器。即將兩片的 74ls90 的置數(shù)端 r0 和 r9 都接 地，將 ina

12、端接到 qa 端，以 qd 為進(jìn)位輸出端，則構(gòu)成了 10 進(jìn)制加法計數(shù)器。 再將其中一片 74ls90 計數(shù)器的進(jìn)位輸出端 qd 接到另一片 74ls90 的進(jìn)位輸入端 ina 端。如此，兩片計數(shù)器最大的即可實現(xiàn) 100 進(jìn)制的計數(shù)器。接下來，利用 74ls90 的反饋置數(shù)的方法實現(xiàn) 60 進(jìn)制。74ls90 屬于異步置數(shù)，所以計數(shù)器輸 出“2qd2qc2qb2qa、1qd1qc1qb1qa=0110、0000”時，通過置數(shù)脈沖使計數(shù)器清 零，也就是此時 qb，qc 發(fā)出置數(shù)脈沖送至清零端 r0，則 r0 使計數(shù)器清零。 “秒”計數(shù)器電路圖如圖所示。 圖 3-3 秒計數(shù)器電路 3.4.23.4

13、.2 分計數(shù)器的設(shè)計分計數(shù)器的設(shè)計 “分”計數(shù)器也是 60 進(jìn)制計數(shù)器。同“秒”計數(shù)器一樣是由兩片中規(guī)模集 成計數(shù)器 74ls90 構(gòu)成。將兩片 74ls90 按同秒計數(shù)器的方法先接成 10 進(jìn)制加法 計數(shù)器，再按“秒”計數(shù)器電路的方法連接就可實現(xiàn) 100 進(jìn)制的計數(shù)器。再用 同“秒”計數(shù)器的方法實現(xiàn) 60 進(jìn)制。其電路圖同“秒”計數(shù)器電路圖。如下圖 所示。 圖 3-4 分計數(shù)器電路 3.4.33.4.3 時計數(shù)器電路時計數(shù)器電路 時計數(shù)器是 24 進(jìn)制計數(shù)器。實現(xiàn)此模數(shù)的計數(shù)器也是由兩片中規(guī)模集成計 數(shù)器 74ls90 構(gòu)成。同“分” 、 “秒”計數(shù)器一樣，先將兩片計數(shù)器 74ls90 連接

14、 成 24 進(jìn)制的加法計數(shù)器，再把兩片計數(shù)器 74ls90 用“秒”計數(shù)器的方法接成 可實現(xiàn) 100 進(jìn)制的計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)器狀態(tài)為 “2qd2qc2qb2qa、1qd1qc1qb1qa=0010、0100”時，要求計數(shù)器歸零。通過 2qb、1qc 送出的置數(shù)脈沖使兩片計數(shù)器 74ls90 同時清零，這樣就構(gòu)成了 24 進(jìn) 制計數(shù)器。 “時”計數(shù)器電路圖如圖所示。 圖 3-5 時計數(shù)器電路 3.53.5 譯碼驅(qū)動及顯示單元的設(shè)計譯碼驅(qū)動及顯示單元的設(shè)計 計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以 8421bcd 碼形式輸出，為了將計數(shù)器輸出的 8421bcd 碼顯示出來，需用顯示譯碼電路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為

15、數(shù)碼顯示 器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，一般這種譯碼器通常稱為 7 段譯碼顯示 驅(qū)動器，4511 驅(qū)動顯示電路連接圖如下圖所示。 圖 3-6 譯碼顯示電路 3.63.6 校時電路校時電路 校時電路是數(shù)字電路不可缺少的部分，每當(dāng)數(shù)字鐘與時間不符時我們都要 進(jìn)行校時。s1、s2 分別是時校時和分校時開關(guān)，不校時時 s1、s2 是閉合的。 當(dāng)校正時位時需要把 s1 開關(guān)打開，然后用手撥動 s3 開關(guān)，來回?fù)軇右淮尉湍?使時位增加 1，可以根據(jù)需要來撥動開關(guān)次數(shù)，校正完畢后把 s1 開關(guān)閉上。校 正分時和校正時的方法一樣。其電路圖如下： 圖 3-7 校時電路 3.73.7 整點報時電路整點報時電路

16、 3.7.13.7.1 論證論證 整點報時是最基本的功能之一。此電路要求每當(dāng)“分”和“秒”計數(shù)器計 到 59 分 50 秒時，使自動驅(qū)動音響電路，在 10s 內(nèi)自動發(fā)出 5 次響聲。要求每 隔 1s 響一次，每次持續(xù)時間為 1s，共響 5 次，并且前 4 次為低音，最后一響 為高音，此時計數(shù)器正好為整點（“0”分“0”秒） 。 3.7.23.7.2 實現(xiàn)實現(xiàn) 整點報時電路見下圖，包括控制電路和音響電路兩部分。 圖 3-8 報時電路 第一部分為控制門電路部分。當(dāng)“分”和“秒”計數(shù)器到 59 分 50 秒時， 從 59 分 50 秒到 59 分 59 秒之間，只有“秒”個位在計數(shù)，而“秒”的十位，

17、 “分”的個位， “分”的十位中 c=qc4=qa4=qd3=qa3=qc2=qa2=1 不變。將它們相 與，即 c=qc4qa4qd3qa3qc2qa2 作為控制信號，去控制門 u3a 和門 u4a。在每小 時的最后 10s 內(nèi) c=1。門 u3a 輸入端加有頻率 2084hz 的信號 b（可取自分頻器 cc4060 的 q4 端） ，同時又受 qd1 和 qa1 的控制，即 c 在 59s 時，qd1qa1=1，門 u4a 被關(guān)閉，門 u3a 打開，b 信號通過們 u3a；門 u4a 輸入端加有頻率 1024hz 的信號 a（可取自分頻率 cc4060 的 q5 端） ，同時又受非 qd1

18、 和 qa1 的控制，即 c 在 51s、53s、57s 時，非 qd1qa1c=1，門 u3a 被關(guān)閉，門 u4a 打開，4 信號通 過門 u4a.則 z=qd1qa1cb+非 qd1qa1ca，即可實現(xiàn)前四響為 1024hz 的低聲，后 一響為 2048hz 的高音，最后一響完畢正好整點。 第二部分為音響電路部分。該電路選用射及跟隨器，推動揚聲器發(fā)生。三 極管選用高頻小功率 3dg4，三極管基極串聯(lián) 2k 限流電阻是為了防止電流過大 燒壞揚聲器。報時所需的 2048hz 和 1024hz 音頻信號，分別取自音頻電路。 四、四、 總電路設(shè)計總電路設(shè)計 圖 4-1 總電路圖設(shè)計 五、五、元件清單元件清單 多功能數(shù)字鐘主體電路元器件清單多功能數(shù)字鐘主體電路元器件清單 序號元器件名稱規(guī)格型號數(shù)量 1 適應(yīng)晶體振蕩器 3276hz1 2 十進(jìn)制計數(shù)器 cc45183 3 共陰極七段譯碼驅(qū)動器 cc45116 4 四 2 輸入與非門 74ls906 5 非門 dm74ls044 6 雙 4 輸入與非門 74ls202 7 14 為二進(jìn)制