電氣自動化畢業(yè)論文：基于計數(shù)器的數(shù)字鐘電路設(shè)計

1、分類號 單位代碼 11395 密 級 學(xué) 號 0805230207 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 基于計數(shù)器的數(shù)字鐘電路設(shè)計作 者白廣平院 (系)能源工程學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師王 雄答辯日期年 月 日榆 林 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。畢業(yè)設(shè)計（論文）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人畢業(yè)設(shè)計（

2、論文）與資料若有不實(shí)，愿意承擔(dān)一切相關(guān)的法律責(zé)任。 論文作者簽名: 年 月 日摘 要數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強(qiáng)，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。數(shù)字鐘適用于自動打鈴、自動廣播，也適用于節(jié)電、節(jié)水及自動控制多路電器設(shè)備。它是由數(shù)子鐘電路、定時電路、放大執(zhí)行電路、電源電路組成。為了簡化電路結(jié)構(gòu)，數(shù)字鐘電路與定時電路之間的連接采用直接譯碼技術(shù)。具有電路結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、

3、使用壽命長、更改設(shè)定時間容易、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。從有利于學(xué)習(xí)的角度考慮，這里主要介紹以中小規(guī)模集成電路設(shè)計數(shù)字鐘的方法。abstracta digital clock is a kind of digital circuit technology, minutes and seconds when the timing device, and the mechanical clock is higher than the accuracy and intuitive, and no machinery, has more longer service life, so it has been

4、widely used.from the principle of digital clock is a kind of typical digital circuits, including the assembly logic circuit and the sequential circuits. at present, a digital clock function is more and more strong, and a variety of special options. applicable for automatic digital clock rung, automa

5、tic broadcasting, also suitable for electricity, water and automatic control and electrical equipment. it is by several children clock circuit, timing circuit, amplifier circuit, the power circuit implementation. in order to simplify the circuit structure, a digital clock circuit and timing circuits

6、 using direct connection between decoding technology. with simple structure, reliable operation, long service life, change the setting time for easy and manufacturing cost etc.to learn from the point of view, there are mainly introduced in small scale integrated circuit design method of digital cloc

7、k。目 錄摘要abstract第一章 前言1.1設(shè)計目的.1.2設(shè)計要求.第二章 數(shù)字電子鐘的組成和工作原理.2.1數(shù)字鐘的構(gòu)成.2.2原理分析.2.3數(shù)字點(diǎn)鐘的基本邏輯功能框圖.第三章 方案設(shè)計與論證. 3.1時間脈沖產(chǎn)生電路. 3.2分頻器電路. 3.3時間計數(shù)器電路. 3.4譯碼驅(qū)動及顯示單元電路. 3.5校時電路. 3.6報時電路.第四章 單元電路的設(shè)計. 4.1時間脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計. 4.2計數(shù)電路的設(shè)計. 4.2.1 60進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計. 4.2.2 24進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計.4.3譯碼及驅(qū)動顯示電路的設(shè)計.4.4校時電路的設(shè)計.4.5報時電路的設(shè)計.4.6電路總圖.致謝.參考文獻(xiàn)

8、.附錄 元件清單.第一章 前言1.1設(shè)計目的設(shè)計一種多功能數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘具有基本功能和擴(kuò)展功能兩部分。其中，基本功能部分的有準(zhǔn)確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間和校時功能。擴(kuò)展功能部分則具有：自動整點(diǎn)報時的功能。數(shù)字鐘的電路也是由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分構(gòu)成，在電路中，基本功能部分由主體電路實(shí)現(xiàn)，而擴(kuò)展功能部分則由擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)。這兩部分都有一個共同特點(diǎn)就是它們都要用到振蕩電路提供的1hz脈沖信號。在計時出現(xiàn)誤差時電路還可以進(jìn)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，擴(kuò)展部分要有相應(yīng)的響應(yīng)電路。1.2設(shè)計要求1.時間計數(shù)電路采

9、用24進(jìn)制，從00開始到23后再回到00；2.各用2位數(shù)碼管顯示時、分、秒；3.具有手動校時、校分功能，可以分別對時及分進(jìn)行單獨(dú)校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間； 4.計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。5.為了保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確，須由晶體振蕩器提供時間基準(zhǔn)信號第二章 數(shù)字電子鐘的組成和工作原理2.1數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器、較時電路、報時電路等部分組成，這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的基本電路。（1）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32768z的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針

10、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。（2）分頻器電路：分頻器電路將32768hz的高頻方波信號經(jīng)32768（）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(shí)際上也就是計數(shù)器。（3）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，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。（4）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。（5）整點(diǎn)報時電路：一般時鐘都應(yīng)具備

11、整點(diǎn)報時電路功能，即在時間出現(xiàn)整點(diǎn)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(shí)時語音提示。2.2數(shù)字鐘原理分析數(shù)字鐘實(shí)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。振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當(dāng)計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。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可以對分和時進(jìn)行校時。另外，計時過程要具有報時功能

12、，當(dāng)時間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。2.3數(shù)字點(diǎn)鐘的基本邏輯功能框圖圖1 數(shù)字鐘的基本邏輯框圖第三章 數(shù)字鐘的電路設(shè)計下面將介紹設(shè)計電路具體方案。其中包括電源電路的設(shè)計、秒信號發(fā)生器的設(shè)計、時間計數(shù)電路的設(shè)計、譯碼驅(qū)動顯示電路的設(shè)計、整點(diǎn)報時電路的設(shè)計、校時電路的設(shè)計幾個部分。3.1電源電路的設(shè)計用一個變壓器把220v的家用交流電壓變?yōu)?v的小電壓。利用二極管單向?qū)ǖ脑?，用四個二極管構(gòu)成一個橋堆，對交流電進(jìn)行半波整形，再經(jīng)過一個電容對其整形，變成供這個近似直流的電壓，但由于還有許多文波，再用一個w7805穩(wěn)壓管變成5v的穩(wěn)定直流電壓，供這個電路的使用。 如圖2。 圖2

13、電源電路3.2秒信號發(fā)生器的設(shè)計通過查找資料并展開討論，我們共同討論了三個不同的秒信號發(fā)生器的設(shè)計方案。3.2.1方案一：555構(gòu)成的多諧振蕩器 如圖3 圖3 555構(gòu)成的多諧振蕩器3.2.2方案二：晶體振蕩分頻電路石英晶體振蕩電路本方案采用頻率fs32768hz的石英晶體。1、2是反相器，1用于振蕩，2用于緩沖整形。rf為反饋電阻（10100m），反饋電阻的作用是為cmos反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。c1是頻率微調(diào)電容，改變c1可對振蕩器頻率作微量調(diào)整，c1一般取535pf。c2是溫度特性校正用的電容，一般取20405pf，電容c1、c2與晶體共同構(gòu)成型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩器頻率的控制，

14、并提供必要的1800相移。最后輸出fs=32768hz 圖4 石英晶體振蕩電路 3.2.3方案三：由集成邏輯門與rc組成的時鐘源振蕩器。 圖5 門電路組成的多諧振蕩器圖3.2.3三個方案的比較用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)計要求為1hz,因此其誤差為5.3%,在精度要求不是很高的時候可以使用。石英晶體振蕩電路:采用的32768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

15、常在0.72k之間;對于cmos門則常在10100m之間。由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時間常數(shù)rc有關(guān)，而且還取決于門電路的閾值電壓vth，由于vth容易受到溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差，只能用于對頻率穩(wěn)定性要求不高的場合。綜上分析： 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)字鐘計時的準(zhǔn)確程度。為了達(dá)到設(shè)計要求，獲取更高的計時精度，選擇方案二，選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路。而且，振蕩器的頻率越高，計時精度越高3.3 分頻電路通常，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(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)

16、器電路，一般采用多級2進(jìn)制計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。例如，將32768hz的振蕩信號分頻為1hz的分頻倍數(shù)為32768（），即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當(dāng)于15級2進(jìn)制計數(shù)器。從盡量減少元器件數(shù)量的角度來考慮，這里可選多極進(jìn)制計數(shù)電路cd4060和cd4040來構(gòu)成分頻電路。cd4060和cd4040在數(shù)字集成電路中可實(shí)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)為級進(jìn)制計數(shù)器，可以將32768z的信號分頻為z，其內(nèi)部框圖如圖2.1所示，從圖中可以看出，cd4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。圖 1.1 cd4046內(nèi)部框圖 圖

17、5.2 cd4040內(nèi)部框圖cd4040計數(shù)器的計數(shù)模數(shù)為4096（），其邏輯框圖如圖5.2。如將32768hz信號分頻為1hz，則需外加一個8分頻計數(shù)器，故一般較少使用cd4040來實(shí)現(xiàn)分頻。將32 768hz脈沖信號輸入到cd4060（內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5.1）組成的脈沖振蕩的14位二進(jìn)制計數(shù)器，所以從最后一級q14輸出的脈沖信號頻率為：32768/214 = 32768/16384 = 2hz 如圖6。再經(jīng)過二次分頻，得到1hz的標(biāo)準(zhǔn)信號脈沖，即秒脈沖如圖7。圖6 脈沖分頻電路圖7 秒信號原理圖3.4 時間計數(shù)電路的設(shè)計由圖1所示數(shù)字鐘的邏輯圖可清楚知道秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后

18、，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時輸出信號，然后送至譯碼顯示電路，以便實(shí)現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求。顯示“時”“分”“秒”需要6片中規(guī)模計數(shù)器。其中，“秒”和“分”計數(shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，而“時”計數(shù)器應(yīng)為二十四進(jìn)制。六十進(jìn)制計數(shù)器和二十四進(jìn)制計數(shù)器都選用74ls90集成塊來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的方法采用反饋清零法。3.5 譯碼顯示電路譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時”計數(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led七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有74ls48。74ls48是bcd-7段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是oc門輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動led七段共陽極顯

19、示數(shù)碼管。將“秒”、“分”、“時”計數(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。3.6 整點(diǎn)報時電路的設(shè)計要求當(dāng)時間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。即當(dāng)時間達(dá)到xx時59分50秒時蜂鳴器開始響第一次，并持續(xù)一秒鐘，然后停鳴一秒，這樣響五次。在59分50秒到59分59秒之間，只有秒的個位計數(shù)，分的十位qd qc qb qa輸出0101,個位qd qc qb qa 輸出1001，秒的十位qd qc qb qa 輸出0101均不變，而秒的個位qa計數(shù)過程中輸出在0和1之間轉(zhuǎn)。所以可以利用與非門的相與功能，把分十位的qc 、qa ,分個位的qd、qa，秒十位

20、的qc、qa 和秒個位的qa相“與非”作為控制信號控制與非門的開斷，從而控制蜂鳴器的響和停。方案一：方案二：方案二與方案一實(shí)現(xiàn)功能一樣，電路不一樣3.7 校時電路的設(shè)計方案一：。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。圖所示為所設(shè)計的校時電路。方案二：這個方案的校時電路比較簡單，由兩個開關(guān)k1和k2分別控制“時”和“分”的校時。方案三：校

21、準(zhǔn)電路由基本rs觸發(fā)器和“與”門組成，基本rs觸發(fā)器的功能是產(chǎn)生單脈沖，主要作用是起防抖動作用。未撥動開關(guān)k時，“與非”門g2的一個輸入端接地，基本rs觸發(fā)器處于“1”狀態(tài)，這是數(shù)字鐘正常工作，“分”進(jìn)位脈沖能進(jìn)入“分”計數(shù)器。撥動開關(guān)k時，“與非”門g1的一個輸入端接地，于是基本rs觸發(fā)器轉(zhuǎn)為“0”狀態(tài)。秒狀態(tài)可以直接進(jìn)入“分”計數(shù)器，而“分”進(jìn)位脈沖被阻止進(jìn)入，因而能較快地校準(zhǔn)分計數(shù)器的計數(shù)值。校準(zhǔn)后，將校正開關(guān)恢復(fù)原位，數(shù)字鐘繼續(xù)進(jìn)行正常計時工作。 通過比較可知，方案二和方案三比方案一多了防抖動的措施，穩(wěn)定性更好，方案二和方案三相比，防抖動措施更好，更完備，但電路也更為復(fù)雜，成本也更高，

22、通過比較選擇方案二，既能實(shí)現(xiàn)防抖動功能，做出事物也更經(jīng)濟(jì)一些。第四章 單元電路的設(shè)計4.1時間脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計4.2 計數(shù)電路的設(shè)計秒、分計數(shù)器為60進(jìn)制計數(shù)器。小時計數(shù)器為24進(jìn)制計數(shù)器。4.2.1 60進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計“秒”計數(shù)器電路與“分”計數(shù)器電路都是六十進(jìn)制，它由一級十進(jìn)制計數(shù)器和一級六進(jìn)制計數(shù)器連接構(gòu)成，如下圖所示，采用兩片中規(guī)模集成電路74ls90串接起來構(gòu)成的“秒”“分”計數(shù)器。4.2.2 24進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計同理當(dāng)個位計數(shù)狀態(tài)為“q3q2q1q0=0100”，十位計數(shù)器狀態(tài)為“q3q2q1q0=0010”時，要求計數(shù)器歸零。4.3 譯碼及驅(qū)動顯示電路譯碼電路的功能是將“秒”

23、、“分”、“時”計數(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led七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有74ls48。74ls48是bcd-7段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是oc門輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動led七段共陽極顯示數(shù)碼管。由74ls48和led七段共陽數(shù)碼管組成的一位數(shù)碼顯示電路如圖 16 所示。若將“秒”、“分”、“時”計數(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。譯碼及驅(qū)動顯示電路圖4.4 校時電路的設(shè)計數(shù)字種啟動后,每當(dāng)數(shù)字鐘顯示與實(shí)際時間不符進(jìn),需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行校時。校“秒”時，采用等待校時。?！胺帧薄ⅰ皶r”的原理比較簡單，采用加速校時。對校時電路的要求是 :1在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù) 。2在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù) 。4.5 報時電路根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開始整點(diǎn)報時，即當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數(shù)器十位的q