數(shù)字鐘設計—課程設計

1、課程設計說明書 第19頁 電子技術課程設計 數(shù)字鐘設計院（系）名稱 信息工程學院 專 業(yè) 班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 數(shù)字鐘設計摘 要數(shù)字鐘是用數(shù)字集成電路構成的、用數(shù)碼顯示的、具有實現(xiàn)時、分、秒數(shù)字顯示的計時裝置。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的使用，使得數(shù)字鐘的精度與傳統(tǒng)機械表相比，具有走時準確、顯示直觀、無機械傳動裝置等特點。因而廣泛應用于車站、碼頭、機場、商店等公共場所。在控制系統(tǒng)中，也常用來作定時控制的時鐘源。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。數(shù)字鐘的設計方法有許多種,例如,可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘；也可以利用專

2、用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘；還可以利用單片機來實現(xiàn)電子鐘等等。本課題采用中小規(guī)模集成電路制作，需要振蕩器、分頻器、計算器、顯示器等電路，所用的元器件較多，僅計數(shù)器就需要好多塊，雖然原理簡單，但所畫出的電路圖比較復雜，功能單一關鍵詞：振蕩器，分頻器，顯示器，74hc390，cd4511目 錄1 緒論11.1 課題描述11.2 基本工作原理及構成框圖12 設計原理及相關芯片介紹22.1 晶體振蕩器電路22.1.1 工作原理及電路組成22.1.2 二進制計數(shù)器cd406032.2 分頻器電路32.2.1 工作原理及構成32.2.2 2輸入與非門74hc00d42.2.3

3、 七段顯示譯碼/驅動器cd451142.3 時間計數(shù)電路62.3.1 十進制計數(shù)器74hc39062.3.2 工作原理及電路組成62.4 譯碼驅動及數(shù)字顯示電路72.4.1 7段數(shù)碼管譯碼器74ls4772.4.2 數(shù)字顯示電路82.5 校正電路102.6 整點報時電路112.6.1 工作原理及電路組成112.6.2 8輸入與非門74hc30d113 總體電路設計123.1 實驗設備及元器件123.2 部分元器件介紹12總 結16致 謝17參考文獻181 緒論1.1 課題描述數(shù)字鐘因其小巧，價格低廉，走時精度高，使用方便，功能多等特點，更加適合現(xiàn)代人的工作和生活，因此得到了廣泛的使用。本課題采

4、用中小規(guī)模集成電路制作，根據(jù)數(shù)碼管動態(tài)顯示原理來進行顯示，用32768hz的晶振產生振蕩脈沖，采用相應進制的計數(shù)器，轉化為二進制數(shù)，經過譯碼和顯示電路準確地將時間“時”“分”“秒”用數(shù)字的方式顯示出來，是一個將“時”“分”“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。在此次設計中，電路具有顯示時間的其本功能，還可以實現(xiàn)對時間的調整。1.2 基本工作原理及構成框圖圖1所示為數(shù)字鐘的一般構成框圖數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1hz）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1hz時間信號必須做到準確穩(wěn)定。它的計時周期為24小時，顯示滿刻

5、度為23時59分59秒，另外應有校時功能和一些顯示、查看時間等附加功能。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、分頻器電路和振蕩器組成。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數(shù)字鐘，其一般構成電路如圖1所示。2 設計原理及相關芯片介紹2.1 晶體振蕩器電路晶體振蕩器簡稱石英晶體或晶體，是構成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。2.1.1 工作原理及電路組成圖2所示為晶體振蕩器電路。該電路通過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

6、器。電容c1、c2與晶體構成一個諧振型網(wǎng)絡，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構成一個正反饋網(wǎng)絡，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。晶體x1的頻率選為32768hz。該元件專為數(shù)字鐘電路而設計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)【5】。c1、c2均為30pf。當要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補償措施。該電路由晶體與2個30pf電容、1個cd4060、一個10兆的電阻組成，芯片3腳輸出2hz的方波信號。圖2晶體振蕩電路2.1.2 二進制計數(shù)器cd4060cd4060是14位二進制串行計數(shù)

7、器【1】，其有三個特點：內置振蕩器；全靜態(tài)操作；有14級計數(shù)器，10個輸出端，其內部框圖和引腳分布如圖3、4所示。 圖3 cd4060內部框圖圖4 cd4060引腳圖它有兩部分組成，一部分是14級分頻器信號；另一部分是振蕩器，由內含兩個串接的反相器和外接電阻電容構成，因此該集成電路可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。cd4060的工作電壓通常為4.5v18v。2.2 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行分頻。2.2.1工作原理及構成本實驗中采用cd4060來構成分頻電路。cd4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且cd406

8、0還包含振蕩電路所需的非門，使用相對更為方便。cd4060計數(shù)為14級2進制計數(shù)器，可以將32768hz的信號分頻為1hz。其電路原理圖如圖5所示。圖5 分頻器電路2.2.2 2輸入與非門74hc00d74hc00d是一個2輸入與非門集成塊引腳圖見圖6。圖6 74hc00d引腳圖2.2.3 七段顯示譯碼/驅動器cd4511cd4511是一個用于驅動共陰極led（數(shù)碼管）顯示器的bcd碼七段碼譯碼器【2】，特點：具有bcd轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的cmos電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗觢ed顯示器。引腳排列如圖7所示。其中a,b,c,d為bcd碼輸入，a為最低位。lt為燈測試

9、端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。bi為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時，b1端應加高電平。le是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。ag是7段輸出，可驅動共陰led數(shù)碼管。另外，cd4511顯示數(shù)“6”時，a段消隱；顯示數(shù)“9”時，d段消隱，所以顯示6、9這兩個數(shù)時，字形不太美觀。所謂共陰led數(shù)碼管是指7段led的陰極是連在一起的，在應用中應接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5v時可使用300的限流電阻。圖7 cd4511引腳圖cd4511的真值表如表1所示。cd4511有拒絕偽碼

10、的特點，當輸入數(shù)據(jù)越過十進制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱。表1 cd4511真值表2.3 時間計數(shù)電路時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。時計數(shù)單元一般為24進制計數(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60進制計數(shù)器，其輸出也為8421bcd碼。2.3.1 十進制計數(shù)器74hc390時間計數(shù)電路一般采用10進制計數(shù)器74hc390來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能【7】，該器件為雙2-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均提供一個異步清零端（高電平有效）。其內部框圖及引腳圖見圖8、9。圖8 74hc390內部框圖圖9 74hc390引腳圖2.3.2工作

11、原理及電路組成秒個位計數(shù)單元為10進制計數(shù)器，無需進制轉換，只需將qa與cpb（下降沿有效）相連即可。cpa（下降沒效）與hz輸入信號相連，q3可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的cpa相連。秒十位計數(shù)單元為6進制計數(shù)器，需要進制轉換。將10進制計數(shù)器轉換為6進制計數(shù)器的電路連接方法如圖9所示，其中q2可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的cpa相連。圖9 10進制6進制計數(shù)器轉換電路分個位和分十位計數(shù)單元電路結構分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的q3作為向上的進位信號應與分十位計數(shù)單元的cpa相連，分十位計數(shù)單元的q2作為向上的進位信號應與時個位計數(shù)單元的cpa相

12、連。時個位計數(shù)單元電路結構仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應為12進制計數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進行12進制轉換。利用1片74hc390實現(xiàn)12進制計數(shù)功能的電路如圖10所示。圖10 12進制計數(shù)器電路2.4 譯碼驅動及數(shù)字顯示電路 選擇74ls47作為顯示譯碼電路；選擇led數(shù)碼管作為顯示單元電路【5】。由74ls47把輸進來的二進制信號翻譯成十進制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來。計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計并以8421bcd碼的形式輸送到74ls47芯片，再由74ls47芯片把bcd碼轉變?yōu)槭M制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。2.4.1 7段

13、數(shù)碼管譯碼器74ls4774ls47的功能用于將bcd碼轉化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼【6】，可以直接把數(shù)字轉換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字，其引腳圖見圖11圖11 74ls47引腳圖74ls47的功能表如表2所示，其中a3a2a1a0=dcba表2 74ls47功能表2.4.2 數(shù)字顯示電路數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中顯示電路可以由許多中小規(guī)模集成電路組成，所以可以分成許多獨立的電路。根據(jù)數(shù)字鐘顯示的需要有：（1）六進制電路由74hc390、74hc00d、數(shù)碼管與74ls47組成【4】。先由十進制計數(shù)器74hc390構成六進制計數(shù)器，再通過74ls47將輸入進來的六進制信號翻譯成十進

14、制數(shù)，輸送到數(shù)碼管顯示出來。電路如圖12。 圖12 六進制電路圖（2）十進制電路由74hc390、數(shù)碼管與74ls47組成，電路如圖13。圖13十進制電路圖（3）六十進制電路由兩個數(shù)碼管、兩74ls47、一個74hc390與一個74hc00d芯片組成。先由十進制計數(shù)器74hc390構成六十進制計數(shù)器，再通過74ls47將輸入進來的六十進制信號翻譯成十進制數(shù)，輸送到數(shù)碼管顯示出來。電路如圖14。 圖14六十進制電路圖（4）雙六十進制電路由2個六十進制連接而成，把分個位的輸入信號與秒十位的qc相連，使其產生進位。2.5 校正電路數(shù)字鐘應具有分校正和時校正功能，因此，應截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通

15、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。即為用coms與或非門實現(xiàn)的時或分校時電路，in1端與低位的進位信號相連；in2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產生的1hz或2hz（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時個位計時輸入端相連。當開關打向上時，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開關的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門，故校時電路處于正常計時狀態(tài)；當開關打向下時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。實際使用時，因為電路開關存在抖動問題，所以一般會接一個rs觸發(fā)器構成開關消抖動電路，所以整個較時電路就如圖15。 圖15帶有消抖電路的校正電路2

16、.6 整點報時電路實際應用中，有的數(shù)字鐘帶有整點報時的功能，即電路在整點前10秒鐘內開始整點報時，例如當時間在59分50秒到59分59秒期間時，發(fā)出報時電路報時控制信號。2.6.1 工作原理及電路組成當時間在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qc和qa,個位的qd和qa及秒計數(shù)器十位的qc和qa相與，從而產生報時控制信號。報時電路可選74hc30來構成，其電路圖見圖16。圖16整點報時電路2.6.2 8輸入與非門74hc30d74hc30d為8輸入與非門【1】，其引腳圖如圖17所示：圖17 74hc30d引腳圖3 總體電

17、路設計本課題整個數(shù)字鐘由時間計數(shù)電路、晶體振蕩電路、校正電路、分頻器電路以及數(shù)字顯示電路組成，不再討論整點報時電路。其中以校正電路代替時間計數(shù)電路中的時、分、秒之間的進位，當校時電路處于正常輸入信號時，時間計數(shù)電路正常計時，但當分校正時，其不會產生向時進位，而分與時的校位是分開的，而校正電路也是一個獨立的電路。電路的信號輸入由晶振電路產生，并輸入各電路。3.1 實驗設備及元器件+5v直流電源，雙擲開關2個，四連面包板1塊，共陽七段數(shù)碼管6個，網(wǎng)絡線2米/人，474ls47集成塊6塊，cd4060集成塊1塊，74hc390集成塊3塊，74hc51集成塊1塊，74hc00集成塊2塊，74ls08集

18、成塊1塊，10m電阻5個，300電阻6個，30p電容2個，32.768k時鐘晶體1個。3.2 部分元器件介紹（1）面包板一塊總共由五部分組成，一豎四橫，面包板本身就是一種免焊電板。面包板的樣式如圖18所示：圖18 面包板得樣式面包板右邊一列上五組豎的相通，下五組豎的相通，面包板的左邊上下分四組，每組中x、y列（0-15相通，16-40相通，41-55相通，abcde相通，fghij相通，e和f之間不相通。面包板的注意事項：1、面包板旁一般附有香蕉插座，用來輸入電壓、信號及接地。2、上圖中連著的黑線表示插孔是相通的。3、拉線時，盡量將線緊貼面包板，線成直角，避免交叉，也不要跨越元件。4、面包板使

19、用久后，有時插孔間連接銅線會發(fā)生脫落現(xiàn)象，此時要將此排插孔做記號。并不再使用。（2）2路與或非門74hc5174hc51是一個2路與或非門，其內部引腳圖如圖19所示：圖19 74hc51內部引腳圖（3）4-2輸入與門74hc0874hc08是一個4-2輸入的與非門電路，其內部引腳圖如圖20所示：圖20 74hc08內部引腳圖（5）雙d觸發(fā)器74ls7474ls74內含兩個獨立的d上升沿雙d觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（d）、置位輸入（）復位輸入（）、時鐘輸入（cp）和數(shù)據(jù)輸出（q、）。、的低電平使輸出預置或清除，而與其它輸入端的電平無關。當、均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的d數(shù)據(jù)在cp

20、上升沿作用下傳送到輸出端。如圖21所示為74ls74的內部引腳圖。圖21 74ls74內部引腳圖在原有的簡圖的基礎上，可畫出按實際芯片布局所形成的數(shù)字鐘設計原理圖，如圖22所示。 圖22 數(shù)字鐘設計原理圖總 結課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。隨著科學技術發(fā)展的日新月異，電子技術在生活中可以說是無處不在。因此做為二十一世紀的大學生來說掌握電子技術是非常之重要?；仡櫞舜螖?shù)字鐘課程設計，至今我仍感慨頗多，的確，從得知選題到定稿，從理論到實踐，在整整兩周的日子里，可以說是苦多于甜，但是可以學到很多很多東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上無法學到的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的。只有理論與實際相結合才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計中遇到的問題有很多，這畢竟是第一次，難免會遇到各