集成電路數(shù)字電子鐘系統(tǒng)的設(shè)計

1、目 錄1 設(shè)計任務(wù)11.1 設(shè)計目的.11.2 設(shè)計要求.11.3 功能擴展.11.4 方案對比.12 數(shù)字電子鐘系統(tǒng)設(shè)計32.1 各部分設(shè)計原理.32.1.1 電源電路.42.1.2 晶體振蕩及分頻電路.52.1.3 時間計數(shù)單元.62.1.4 譯碼與顯示電路102.1.5 校時校分電路102.1.6 整點報時電路112.2 擴展電路部分.122.3 整機原理圖.142.4 元器件的選擇.153 電路的調(diào)試和誤差分析.163.1總體的調(diào)試步驟163.2蜂鳴器功能測試163.3 計時功能調(diào)試及誤差.164 課程設(shè)計的收獲、體會和建議.164.1焊接調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題174.2 設(shè)計體會.17

2、4.3實驗建議.18參考文獻附錄1 設(shè)計任務(wù)1.1 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。1.2 設(shè)計要求1、時間計數(shù)電路采用24進制，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 、分進行單獨校時，使其校正標準時間；4、計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。1、由一個數(shù)碼顯示管顯示星期；5、為了保證計時的穩(wěn)定及準確，須由晶體振蕩器提供時間基準信號。1.3功能擴展1、由一個數(shù)碼顯示管顯示星期，星期計數(shù)采

3、用7進制；2、星期顯示為，星期一至星期六顯示分別為1、2、3、4、5、6，星期天顯示為日（即為8）。1.4 方案對比 1、方案一如圖1，可知此方案的電路的校時開關(guān)中,電路存在開關(guān)抖動問題，使電路無法正常工作。圖1 方案一2、方案二 如圖2，此方案加采用基本rs觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消除抖動電路。圖2 方案二總結(jié)：由于方案二很好的解決了開關(guān)抖動的現(xiàn)象，選用方案二2 數(shù)字電子鐘系統(tǒng)的設(shè)計2.1各部分設(shè)計原理數(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。通常使用石英晶體振

4、蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。如下圖3所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖它由石英晶體振蕩器、分頻電路、計數(shù)器、譯碼顯示器和較時電路組成。 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，另外應有校時功能和一些顯示星期、報時、停電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、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)。

5、將標準秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“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”?！皶r計數(shù)器”采用24進制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。 圖3 數(shù)字鐘構(gòu)成框架圖2.1.1電源電路主要選用器件：變壓器、電感、橋堆、穩(wěn)壓管7805、電容圖4中，是一個將頻率為50hz220v的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為5v的直流電壓的直流電壓的直流穩(wěn)壓電源，經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后，輸出為5v直流電壓。圖4 電源電路2.1.2 晶體振蕩及分頻電路圖5 晶體振蕩及

6、分頻電路圖5中，石英晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768hz的脈沖信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。晶振出來接cd4060分頻，從3端出來的脈沖為2hz。圖6中，再把這2hz的脈沖信號接入74ls74（此為雙d觸發(fā)器），由74ls74的5端出來即為數(shù)字鐘的1hz的脈沖。圖6 1hz分頻2.1.3時間計數(shù)單元時間計數(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，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； 一般采用10進制計數(shù)器來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，即我們選用74ls90。在本電路中，第一

7、組計數(shù)器74ls901用來作秒個位計數(shù)，輸出端為1q4 1q1，計數(shù)范圍為00001001循環(huán)。每當計數(shù)到1001（相當于10進制數(shù)的9）時，再輸入一個計數(shù)脈沖則會變?yōu)?000，這時74ls90 1的1q4由高電平變低電平輸出一個負跳變脈沖到74ls902的時鐘輸入端即為14端，作為進位脈沖使第二組計數(shù)器74ls902作一次秒十位的計數(shù)。同時74ls90 -1開始作下一個計數(shù)循環(huán)。秒十位計數(shù)為6進制（可以通過導線連接使10進制變?yōu)?進制。實現(xiàn)原理：輸出端2q42q32q22q1要從0101跳變到0000, 中間經(jīng)過一個瞬間狀態(tài)0110。 這時我們只須將2q3接入74ls90 1、74ls902

8、的1r端，2q2接入到74ls901、74ls902的2r端）。74ls902輸出端為2q4 2q1，計數(shù)范圍為00000101循環(huán)。每當計數(shù)到0101（相當于10進制數(shù)的5）時，再輸入一個計數(shù)脈沖則會變?yōu)?000，這時74ls902的2q32q2兩端經(jīng)過一個二輸入與門(74ls08)輸出端再送到74ls903的cp端，作為進位脈沖使74ls903作一次分個位的計數(shù)。同時74ls902開始作下一個計數(shù)循環(huán)。同理分計數(shù)的實現(xiàn)原理與秒計數(shù)的實現(xiàn)原理一樣，用第三組計數(shù)器74ls903作分個位計數(shù)，用第四組計數(shù)器74ls904作分十位計數(shù)。第五組計數(shù)器74ls905和第六組計數(shù)器74ls906作為時計

9、數(shù)器，但要設(shè)置為24進制。由74ls904的2q32q2兩端經(jīng)過一個二輸入與門輸出端送到的74ls905的cp端，作為進位脈沖使74ls905作一次時個位的計數(shù)。計數(shù)范圍也是00001001循環(huán)，當計數(shù)由1001變?yōu)?000輸出一個負跳變脈沖到74ls902的時鐘輸入端即為14端，作為進位脈沖使第六組計數(shù)器74ls906作一次時十位的計數(shù)。因為我們要求時間由23：59：59能跳到00：00：00。所以當74ls904向74ls905再發(fā)一次脈沖時，74ls905、74ls906的輸出端6q46q36q26q15q45q35q25q1要從00100011跳變到00000000，中間經(jīng)過一個瞬間狀

10、態(tài)00100100。這時我們只須將6q2接入 74ls905、74ls906的r1 端，5q3 接入74ls905、74ls906的r2 端。（1） 秒計數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖7）圖7 秒計數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖中74ls08的三端是接入分計時器的cp端）（2） 分計數(shù)器、譯碼、顯示電路(圖8)圖8 分計數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖中74ls08的6端是接入時計時器的cp端）（3）時計數(shù)器、譯碼、顯示電路(圖9)圖9 時計數(shù)器、譯碼、顯示電路2.1.4 譯碼與顯示電路譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘的計時狀態(tài)直觀清晰地反映出來。譯碼是把給定的代碼進行翻譯，將時、分、秒計數(shù)器輸出的四位二進制代碼翻譯

11、為相應的十進制數(shù)，并通過led七段數(shù)碼管。而譯碼器采用cd4511器件組成，在譯碼顯示電路輸出信號的驅(qū)動下，顯示出清晰直觀的數(shù)字符號。2.1.5 校時校分電路當重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正。通常，校正時間的方法是:首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進行人工出觸發(fā)計數(shù)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，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。由于每個機械開關(guān)具有抖動現(xiàn)象，因此每一個開關(guān)都需要用rs觸發(fā)器作為去抖電路。采用rs基本觸發(fā)器及單刀雙擲開關(guān)組成，當截斷正常的計數(shù)脈沖，就可以實現(xiàn)手動校時功能，如

12、圖10 圖10 消除開關(guān)抖動電路（圖中的74ls32的2端由秒計時器的74ls08的3端接入，74ls32的3端接入分計時器的cp端； 74ls32的5端由分計時器的74ls08的6端接入，74ls32的6端接入時計時器的cp端 ）2.1.6報時電路整點報時電路：根據(jù)要求，電路應在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當時間在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q3和q1 、個位的q4和q1及秒計數(shù)器十位的q3和q1相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。報時電路可選74ls3

13、0來構(gòu)成。74ls30為8輸入與非門。選蜂鳴器為電聲器件，蜂鳴器是一種壓電電聲器件，當其兩端加上一個直流電壓時酒會發(fā)出鳴叫聲，兩個輸入端是極性的，其較長引腳應與高電位相連。與非門74ls30輸出端應與蜂鳴器的負極相連，而蜂鳴器的正極則應與電源相連。如圖11。圖11 報時電路2.2 擴展電路部分“時計數(shù)器”采用24進制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。每累計24小時，發(fā)出一個“星期脈沖”信號，該信號將被送到“星期計數(shù)器”，“星期計數(shù)器” 采用7進制計時器，可實現(xiàn)對一周7天的累計。譯碼顯示電路將 “星期”計數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼器譯碼，通過七位led七段顯示器顯示出來。星期顯示為，星期一

14、至星期六顯示分別為1、2、3、4、5、6，星期天顯示為日（即為8，這樣更符合我們?nèi)粘Ｉ盍晳T）。同時還可以對星期進行校星期。2.2.1 擴展電路原理“時計數(shù)器”采用24進制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。每累計24小時，發(fā)出一個“星期脈沖”信號。為實現(xiàn)此操作，只需要把74ls906的6q2 和74ls905的5q3 接入二輸入與門輸出到星期計數(shù)器74ls907的cp端作為作為進位脈沖使74ls907作一次星期的計數(shù)。星期計數(shù)為7進制也要通過導線連接使10進制變?yōu)?進制。實現(xiàn)原理：輸出端1q41q31q21q1要從0110跳變到0000, 中間經(jīng)過一個瞬間狀態(tài)0111。這時我們只須將1q31

15、q21q1三端經(jīng)過一個四輸入與非門（74ls20）和一個或門送到端r1 和r2 。星期一顯示“1”，星期二顯示“2”， 星期六顯示“6” ，星期天顯示“日”。這是要把74ls907的q3q21q1三端經(jīng)過一個三輸入或非門（74ls27）和一個非門送到本級譯碼器cd4511的端即可。2.2.2 星期計數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖12） 圖12 星期計數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖中的74ls32中的1端由時計數(shù)器74ls906的6q2 和74ls905的5q3 接入二輸入與門輸入）2.3整機原理圖圖13 整機原理圖2.4 元器件選擇表一 元件清單 元件名稱數(shù)量晶振32768hz電容103雙位數(shù)碼管顯示器共

16、陰數(shù)碼管ledcd4060cd4511(譯碼器)74ls0074ls0474ls0874ls2074ls3074ls3274ls7474ls90ic插座電阻按鈕開關(guān)連接導線實驗工具箱蜂鳴器萬能板電源包1個2個4個3個1個7個7個2個1個1個1個1個1個7個14腳 16個，16腳 7個，40腳 2個2k 8個，22m 1個，0.01k 2個帶鎖 2個 不帶鎖 3個若干1個1個2片內(nèi)含變壓器9v/10w 一個，lm7805(三端穩(wěn)壓) 1個，橋堆rs207電容若干3 電路的調(diào)試及誤差分析3.1 總體的調(diào)試步驟(1)用示波器檢測石英晶振的輸出信號波形和頻率，輸出頻率應為32768hz。(2)將327

17、68hz信號送入分頻電路，用示波器檢測輸出頻率是否符合要求。(3)將1hz秒脈沖分別送入時、分、秒計數(shù)器，檢查各組計數(shù)器的工作情況。(4)觀察較時電路的功能是否滿足要求。(5)當分頻電路和計數(shù)器調(diào)試正常后，觀察電子鐘是否準確，正常工作。3.2 蜂鳴器功能測試使數(shù)字時鐘從00：59：50開始計時。當計數(shù)顯示為00：59：51時，蜂鳴器開始工作，發(fā)出一秒響一秒停的有規(guī)律聲音。具體是00：59：51響，00：59：52停；00：59：53響，00：59：54停；00：59：55響，00：59：56停；00：59：57響，00：59：58停；00：59：59響，01：00：00停。 從以上測試結(jié)果可知

18、，蜂鳴器工作完全正常，達到理論要求。3.3 計時功能調(diào)試及誤差表2 功能測試表數(shù)字時鐘測試數(shù)據(jù)手機顯示的數(shù)據(jù)10s20s60s 5分鐘（300s）10分鐘（600s）10.2s20.5s60.7s300.9s600.6s經(jīng)測試表2可知，故系統(tǒng)在運行時有一定的誤差，其原因是晶體振蕩的特點所決定的，同時與芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時存在人為按鍵誤差。從數(shù)據(jù)來看，最大誤差小于1，達到設(shè)計要求。4 課程設(shè)計的收獲、體會和建議實驗之初，由于之前曾做過與之相似的電子秒表實驗，所以設(shè)計電路得時候并不是太困難?？墒牵S之實驗最后部分的到來，組內(nèi)人員一下轉(zhuǎn)入困境之中，任憑百般檢查，都不能得出正確的顯示效果。一方面，

19、我們想早日完成，以得到可觀的分數(shù)；另一方面，隨之學期末的接近，各科目也陸續(xù)要開始期末考，所以提早完成實驗，快些轉(zhuǎn)入復習也是我們的愿望。所以這么一來，我們就更加著急了，到底是什么原因呢？針對此問題，我們研究并對個部分一一加以檢查，最終使時間正確顯示。通過本次實驗，我們的手動能力和經(jīng)驗有了一定程度的加強。在數(shù)字電子技術(shù)的理論知識上也有了更深的了解，特別是對芯片的功能、引腳有了進一步的了解。在調(diào)試的過程中，通過排除故障，我們學到了許多從書本上學不到得經(jīng)驗。4.1 焊接調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題如下（1）在分別焊接完秒、分、時后，發(fā)現(xiàn)分鐘變成了二十進制，當時以為時焊接的時候把8和9端焊接在一起了，但檢查中，

20、發(fā)現(xiàn)線路沒有問題。再次查找問題時，認為時ic插座的問題，換上另一個沒有問題的ic插座，問題還是分鐘問二十進制。經(jīng)過一番的檢查，才知道74ls08有些與門壞了，換另外一個問題解決了。焊接電路中需要我們認真的做一些檢查，這也是我們這次實習中要學會的知識（2）在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)校時和校分很不穩(wěn)定，當時以為是接線的問題，就這個問題，我們想了很多的辦法，從焊了很多的地方，但是問題同樣還是沒有解決。這個問題困擾著我們，詢問了很多的同學，也試用了他們提供的一些方法，問題同樣沒有解決。最后，還是在我們認真，仔細的調(diào)試和檢查中，發(fā)現(xiàn)是因為地線，正是因為地線的焊接不好而導致顯示、校時和校分的亂顯。（3）當我們把第

21、一個焊接好的秒顯示器焊好時，就進行測試，發(fā)現(xiàn)不能進行計數(shù)，我們認為計數(shù)信號已經(jīng)接入了，應該是沒有問題的，進一步檢查發(fā)現(xiàn)是沒有74ls90的電源沒有接入，接入電源既可計數(shù)。（4）在調(diào)試數(shù)碼顯示器時，發(fā)現(xiàn)有些顯示管不能正常顯示，我們認為是顯示管的問題，但用了確定是能正常顯示的顯示器來代替原來的顯示器，發(fā)現(xiàn)問題并不在于顯示器。我們再次從ic插座上檢查顯示器與cd4511的連接，發(fā)現(xiàn)是其中的一條沒有焊接好，也就是有兩個顯示管的引腳接入了cd4511的同一個的同一個引腳上。4.2 設(shè)計體會我們這次的最大體會就是在焊接電路中要非常小心。因為可能就是因為焊接的一點點小錯誤就會導致顯示的錯誤，而這些錯誤一犯，

22、在調(diào)試過程中會很難發(fā)現(xiàn)是哪個地方出錯了，而且要花費大量的時間來進行調(diào)試。為此在焊接過程中一定要認真、仔細，切勿操之過急。 在調(diào)試過程中，可能因為一些芯片的問題而導致這個顯示的不正常，這就是要求我們要學會測試芯片，就是在發(fā)現(xiàn)有些問題不能解決時可以檢測一下是否是芯片的問題。當然學會了調(diào)試是我們很重要的實習目的之一，還有在此次實驗之后，我們能夠鞏固和運用了在“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”及“電路分析”等課程中所學的理論知識和實驗技能，基本掌握了常用電子電路的一般設(shè)計方法，提高了設(shè)計能力和實驗技能。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。在連接六進制，十進制，六十