數(shù)電課程設(shè)計--電子鐘

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計一一電子鐘數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告1. 設(shè)計題目：多功能數(shù)字時鐘的電路設(shè)計2. 設(shè)計目的：數(shù)字時鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)“時”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計時裝置。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等。 數(shù)字鐘鐘 表的數(shù)字化在提高報時精度的同時，也大大擴展了它的功能，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、定時啟閉路燈等。并且與機械式 時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命， 因此得到了廣泛的使用。因此，我們此次設(shè)計與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會制作數(shù)字鐘.而且通過數(shù)字鐘的制作進一步

2、的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成 電路的作用及實用方法且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時序電路 .通過它可 以在實踐中進一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。3. 設(shè)計任務(wù)與要求（1）設(shè)計指標(biāo)時鐘顯示功能，能夠以十進制顯示“時”、“分”、“秒”。具有校準(zhǔn)時、分的 功能。整點自動報時，在整點時，便自動發(fā)出鳴叫聲，時長1s。選做：鬧鐘功能，可按設(shè)定的時間鬧時。日歷顯示功能。將時間的顯示增加“年”、“月”、“日”。（2）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；（3）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（4）編寫設(shè)計報告寫出設(shè)計與制作的全過程，附上有

3、關(guān)資料和圖紙，有心得體會。4. 數(shù)字鐘的基本原理及電路設(shè)計4.1數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。一個具有計 時、校時、報時、顯示等基本功能的數(shù)字鐘主要由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯 碼器、顯示器、校時電路、報時電路等七部分組成。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號 經(jīng)過分頻器得到秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)結(jié)果通過“時”、“分”、“秒”譯碼器譯碼，并通過顯示器顯示時間。數(shù)字鐘的整機邏輯框圖如下：圖1數(shù)字鐘整機邏輯圖4.2單元電路原理與設(shè)計1）振蕩電路石英晶體振蕩器的特點是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡單、頻率易調(diào)整，它是電 子鐘的核心，用它產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，再由分頻器分

4、成秒時間脈沖。用反相器與 石英晶體構(gòu)成的振蕩電路如圖3所示。利用兩個非門G1和G2自我反饋，使它 們工作在線形狀態(tài)，然后利用石英晶體 乙來控制振蕩頻率。振蕩器振蕩頻率的 精度與穩(wěn)定度基本上決定數(shù)字鐘的準(zhǔn)確度，晶振頻率越高，計時準(zhǔn)確度越高。此次使用的石英晶振頻率是32768 Hz時，則振蕩器輸出頻率為32768 Hz。圖3石英晶體振蕩電路2）分頻電路時間標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率很高，要得到秒脈沖，需要分頻電路。在數(shù)字時鐘中，通 常由晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。此次電路中，分頻器由芯片CD4060 14和芯片CD451構(gòu)成。CD4060由一振蕩器和14級二進制串行計數(shù)器位組成，振蕩

5、器的結(jié)構(gòu)可以是 RC或晶振電路，CR為高電平時，計數(shù)器清零且振蕩器使用無效。所有的計數(shù) 器位均為主從觸發(fā)器。在CP1（和CP0）的下降沿計數(shù)器以二進制進行計數(shù)。 在時 鐘脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對時鐘上升和下降時間無限制。其引腳圖如圖4。圖4 CD4060引腳功能圖芯片CD4518是二、十進制（8421編碼）同CD451SBJMS- CM52DBMBTOP VIEW步加計數(shù)器，內(nèi)含兩個單元的加計數(shù)器。每單 個單元有兩個時鐘輸入端 CLK和EN，可用時 鐘脈沖的上升沿或下降沿觸發(fā)。并采用并行進 位方式，只要輸入一個時鐘脈沖，計數(shù)單元Q1CLOCK AFJCABLE *REPCT BWEIQlBC

6、LOCKe第12頁共11頁xwm-1Functional DiagraniU1A LAVS5 - Q 誓口口 1 G翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng)Q1為1，Q4為0時，每輸入一 個時鐘脈沖，計數(shù)單元Q2翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng) Q仁Q2=1時，每輸入一個時鐘脈沖Q3翻轉(zhuǎn)一 次;當(dāng)Q仁Q2=Q3=1或Q仁Q4=1時，每輸入 一個時鐘脈沖Q4翻轉(zhuǎn)一次。這樣從初始狀態(tài)“0”態(tài)）開始計數(shù)，每輸入10個時鐘脈沖， 計數(shù)單元便自動恢復(fù)到“0”態(tài)。其引腳圖如圖。3）秒脈沖發(fā)生電路由電路1和電路2組合而成。脈沖發(fā)生器，是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。 此次脈沖發(fā)生電路是由振蕩器 32768 Hz晶振和分頻器CD40

7、60、CD4518組成。通過將32768 Hz的頻率15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出。脈沖發(fā)生電路的電路圖如圖6。圖6 CD4060秒脈沖發(fā)生器電路 脈沖發(fā)生電路仿真電路圖：4）計數(shù)器整個計數(shù)器電路由秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器串接而成。秒計數(shù)器和分計 數(shù)器相似，各由一個十進制計數(shù)器和一個六進制計數(shù)器串接組成，形成兩個六十 進制計數(shù)器。時計數(shù)器可由兩個十進制計數(shù)器串接并通過反饋接成二十四制計數(shù) 器。此次電路設(shè)計中均主要用芯片 74LS161四位二進制同步計數(shù)器來實現(xiàn)時分秒 計數(shù)器。74LS161功能表：輸入輸岀CR LD CTpCTt CPDj Di Di Dq0 QiQiQq0 X X

8、X XX X X X0 0 0 01 0 X X t必磯右蘇耳3分2泌11101 XX X X X保持11 X 0 XXXX X保持111 1 tX X X X計數(shù)74LS161時序圖:秒和分計數(shù)器的個位部分為逢十進一，十位部分為逢六進一，從而共同完成60進制計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)到59時清零并重新開始計數(shù)。個位部分的設(shè)計：利用 4 位二進制同步計數(shù)器74LS161設(shè)計10進制計數(shù)器顯示秒的個位 。個位計數(shù)器 由0增加到9時產(chǎn)生進位，連在十位部計數(shù)器脈沖輸入端 CP，從而實現(xiàn)10進 制計數(shù)和進位功能。利用74LS161和74LS09設(shè)計6進制計數(shù)器顯示秒的十位 ， 當(dāng)十位計數(shù)器由0增加到5時利用74L

9、S00與門產(chǎn)生一個高電平接到個位、十位 的74LS161的清零端，同時產(chǎn)生一個脈沖給分的個位秒計數(shù)器仿真電路：時計數(shù)電路，來自分計數(shù)電路的進位脈沖使時的個位加，個位計數(shù)器由 0增 加到9是產(chǎn)生進位，連在十位計數(shù)器脈沖輸入端 CP，當(dāng)十位計到2且個位計到 3時經(jīng)過74LS00與非門和74LS09與門產(chǎn)生一個清零信號，將所有 74LS161 清零。時計數(shù)器仿真電路:T 45）譯碼器此次電路設(shè)計中，譯碼器由六片 74LS48七段譯碼驅(qū)動器組成。計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計并以8421BCD碼的形式輸送到74LS48芯片，通過74LS48驅(qū)動器把BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M制數(shù)碼送到數(shù) 碼管中顯示出來。一片74LS

10、48驅(qū)動一只數(shù)碼，74LS48 是集電極開路輸出，為了限制數(shù)碼管的 導(dǎo)通電流，在74LS48的輸出與數(shù)碼管 的輸入端之間均應(yīng)串有4.7K限流電阻。 其引腳圖如圖所示。74LS48功能表：RBI12345678nccccDCU65431211109CCvfgabcde圖74LS48引腳圖輛出顯示疔廠DCBAREY,YcYdYeYfYg字符11000011111110c1IQQO 110:10000IiX0010111011011TQQ1 111i11001BiX010010110011TiXDI 0 111I11011SiXon o10I11111b I01 1 111110000111iX10

11、001111111siX100 11110011R1X101010(01101c1X101110011001o1X1 1001010Q11u1IHOI11001011匚1I1110100011111=1X1 H 11011c000IXXIXXQ00Q000D10ooco00000000cXXXX X111111186）顯示器本系統(tǒng)用七段發(fā)光數(shù)碼管來顯示譯碼器輸出的數(shù)字，發(fā)光數(shù)碼管有兩種：共陽 極或共陰極。74LS48驅(qū)動器是高電平輸出，采用共陰極數(shù)碼管顯示譯碼仿真電路:7）校時電路剛接通電源或走時不準(zhǔn)時，都需要進行時間校準(zhǔn)。實現(xiàn)校時電路的按鍵一般需 要消除抖動，消除抖動的方法有很多，可以通過數(shù)

12、字電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實 現(xiàn)，也可以簡單的通過電容濾波電路實現(xiàn)。還可以通過 D觸發(fā)器實現(xiàn)。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。這里利用輕觸開關(guān)來實現(xiàn)校時功能，輕觸開關(guān)的一端接低電平，另一端接時或分的個位 74LS161的CLK，當(dāng)按下輕觸開關(guān)時，時或分的個位就會加 1，這樣就能實現(xiàn) 校時功能端。同時改變旁路電容的大小，可以改變電壓變化的時間，從而實現(xiàn)按 一下跳變一的功能，也可以外加 SR觸發(fā)器來使電路更精準(zhǔn)。8）報時電路采用了 74LS22N四與非門，74LS02或非門和蜂鳴器組成。由秒和分的個位，

13、 十位上分別引出一個信號，秒的 59和分的59,岡収子把74LS22N的全部腳都用 上，再由兩個輸出位接到74LS02或非門上，最終于蜂鳴器接上。4.3整體電路框圖：11ri u匚i祥碼柴站令1 %擴時個值井十血LiS電路r11廠JIil-aA用分控制rHi 躋電 路LnJU768Hz晶愴振蕩；*電路二嚴(yán)諾h 斗1冷.,2Hz*1Hz本次數(shù)字時鐘設(shè)計的電路原理圖如圖所示:fKU.nw6tl.1UJ口5Kwrw/Cminimjl -UEI tavdlwbki且 h-B即彌（ft*ViH4.4原件清單：本次設(shè)計所使用的原件:元件型號數(shù)量-H- UL心片CD40601CD4518174LS16167

14、4LS48674LsO9274LS00474LS02174LS221七段共陰數(shù)碼管6跳針若干跳線若干蜂鳴器132768HZ 晶振1金屬膜電阻10KQ2金屬膜電阻100 Q6金屬膜電阻100KQ2陶瓷電容222陶瓷電容3327開關(guān)2錫線若干5. 電路和程序調(diào)試過程與結(jié)果5.1電路焊接及電路試調(diào)：1）在焊接前，先對電路板進行初步布局，整理好焊接的線路，盡量簡潔，而且 不使用跳線。2）在焊接原件時，注意集成芯片和元件的腳位，避免錯位。分清二極管和電容 正負(fù)極，“懸空端”、“清零端”、“置1端”要正確處理。并注意不能把電烙 鐵停留太久，以防燒壞原件，特別在焊接芯片的時候。3）將整個電路分為數(shù)個模塊，按

15、脈沖發(fā)生電路 秒、分、時計數(shù)器和顯示電 路校時電路整點報時電路的順序焊接。每焊接完一個模塊完后，將 電路接入5V電壓，檢查電路是否能正常工作，以便排查電路的錯誤。4）焊接完后，要用萬用表檢查電路，檢測是否出現(xiàn)短路，斷路的情況，同時檢 查點解電容是否的正負(fù)極是否接錯，發(fā)現(xiàn)問題的及時改正。5）通電試驗，測試時鐘各模塊是否能正常工作；并進行長時間的通電測試，觀 察電子鐘是否正常準(zhǔn)確地工作。5.2設(shè)計中所出現(xiàn)的問題：1）與門和與非門動態(tài)參數(shù)延時時間的差別。因為與門和與非門的延時時間不一致，與非門是用于74LS161的清零，而與門是用于數(shù)字鐘的進位。與非門 的反應(yīng)時間比與門快，所以一開始時，出現(xiàn)了電路完

16、整，74LS1616能清零， 卻不能進位的現(xiàn)象。解決方法：在使用與非門時，讓與非門和一個幾十到幾百皮的電容并聯(lián)， 電 容另一端接地。利用電容充電的時間能改變電平變化的時間， 從而延長與非 門的反應(yīng)時間，但這樣會使電平的波形變形。2）PCB板制作的失敗。在一開始設(shè)計好電路，仿真好的時候，我們是打算制作 PCB的，這樣能減少人為的錯誤，同時能減少短路斷路的現(xiàn)象，方便焊接， 為數(shù)字鐘提供一個良好電路。但由于對光感制版步驟不熟，對曝光時間，曝 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計一一電子鐘光強區(qū)的控制不當(dāng)，制作的 PCB板太大，而且還是雙面，導(dǎo)致了制版多次 失敗。3）局部電路短路。在焊接完后，曾出現(xiàn)一段時間分不跳動，

17、不顯示的情況，在 多方面檢查后，才發(fā)現(xiàn)是在報時用的 74ls22n四與非門上短路了，導(dǎo)致分的 不顯和不跳動。4）校時電路的不準(zhǔn)確性。一開始電路設(shè)計時，沒有考慮到輕觸式開關(guān)會有抖動 的現(xiàn)象，所以沒有加RS鎖存器，導(dǎo)致后期電路按一下開光，電路會跳動幾 下，不能達到按一下跳一下的準(zhǔn)確性。解決方法：改變了開關(guān)傍的電容，改變電容充電的時間，讓電路促于按一下 跳一下的情況，但還是不太精準(zhǔn)，要扶著板的情況下，才能基本準(zhǔn)確。5.3誤差：經(jīng)測試，電子時鐘運行24小時后，將會有4分30秒的誤差。誤差的來源主要有系統(tǒng)誤差（固有誤差）和偶然誤差（隨機誤差）。而產(chǎn)生系 統(tǒng)誤差的原因有：儀器本身的缺陷、理論公式和測量方法的近似性、 環(huán)境的改變 和個人存在的不良測量習(xí)慣等。系統(tǒng)誤差來源有工具誤差、裝置誤差、人身誤差、 外界誤差、方法誤差等。偶然誤差主要是某種未知的偶然因素對實驗者、儀器、 被測物理量的影響而產(chǎn)生的。經(jīng)過思考，造成誤差的因素可能有以下幾項：1）主要的誤差存在于脈沖發(fā)生電路，環(huán)境對晶振的影響。2）器件、焊接之間接觸不良，導(dǎo)致線路電阻增大分壓。3）在焊接過程中，高溫?fù)p害了元件。4）所選器件精度不高，實際值與額定值不相稱。5）輸入電壓未達到標(biāo)準(zhǔn)值，