數(shù)字鐘最終版本

1、瓊州學(xué)院本科生課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： 數(shù)字鐘Digital Clock 專 業(yè)： 通 信 工 程 班 級： 2 0 0 9 級 學(xué)生姓名： 王 威 學(xué) 號： 0 9 2 1 6 0 3 5 起止日期： 2011、52011、6 指導(dǎo)教師： 楊 偉 2011年6月數(shù)字鐘摘要：數(shù)字鐘是一種既具有邏輯電路又具有時序電路的一種典型性的數(shù)字電路，它是用以實(shí)現(xiàn)時、分、秒的計(jì)時裝置，它由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器、來達(dá)到六十進(jìn)制，和二十四進(jìn)制，以及整點(diǎn)報(bào)時的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞： 數(shù)字鐘、進(jìn)制、振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器 校時，報(bào)時1、設(shè)計(jì)要求： 時鐘功能 具有顯示日、

2、時、分、秒的功能； 具有快速較準(zhǔn)時、分、秒的功能； 具有整點(diǎn)報(bào)時的功能，在離整定10s時，便自動發(fā)出鳴叫聲，步長1s，每隔1s鳴叫一次，前4響是低音，后1響為高音，共鳴叫5次，最后1響結(jié)束時為整點(diǎn)； 整點(diǎn)報(bào)時高音為1000Hz； 計(jì)時準(zhǔn)確度 每天計(jì)時誤差不超過10秒2、數(shù)字時鐘的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)：2.1設(shè)計(jì)原理數(shù)字電子鐘是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。它由振蕩器、分配器、計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器電路組成。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(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計(jì)數(shù)器電路計(jì)滿60后觸發(fā)分計(jì)數(shù)器電路，分計(jì)數(shù)器電路計(jì)滿

3、60后觸發(fā)時計(jì)數(shù)器電路，當(dāng)計(jì)滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計(jì)數(shù)。通過校時電路可以對分和時進(jìn)行校時，且計(jì)時過程具有報(bào)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。2.2整體構(gòu)思數(shù)字鐘是用計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器等集成電路實(shí)現(xiàn)“時”、“分”、“秒”按照數(shù)字方式顯示的計(jì)數(shù)裝置，主要由振蕩器、分頻器、校時電路、整點(diǎn)報(bào)時電路、計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器六部分組成；1 蕩器電路：555多諧震蕩電路電路給數(shù)字鐘提供一個頻率方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時穩(wěn)定。分頻器電路：分頻器電路將高頻方波信號經(jīng)分頻后得到低頻的方波信號供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。時間計(jì)數(shù)器電路：時間計(jì)數(shù)電路由秒個

4、位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器及時個位和時十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時個位和時十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。譯碼驅(qū)動電路：譯碼驅(qū)動電路將計(jì)數(shù)器輸出的4511BD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。 整點(diǎn)報(bào)時電路：一般時鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)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(bào)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。時顯示器分顯示器秒顯示器時譯碼器分譯碼器秒譯碼器時計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器校正電路振 蕩 器分頻器報(bào)時 數(shù)字鐘總體框架圖（1）3、數(shù)字鐘各部分

5、電路的設(shè)計(jì)3.1振蕩器電路振蕩器是數(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(jì)時的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路，也可以選擇555定時器。我在這里選擇的是555定時器。555定時器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路，因集成電路內(nèi)部含有3個5K電阻而得名。該電路使用靈活、方便，只需接少量的阻容元件就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，且價格便宜。555定時器廣泛應(yīng)用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。表2-1 555定時器的功能表復(fù)位端高電平觸發(fā)端U11低電平觸發(fā)端U12放電三極管VTD輸出端UO0導(dǎo)通012/3VCC1/3VCC導(dǎo)通011/3VCC不變不變12/3

6、VCC1/3VCC截止112/3VCC1/3VCC截止1555定時器構(gòu)成的振蕩電路如圖 圖2用555組成的脈沖產(chǎn)生電路: R3=R4=47KC=10F，則理論上555所產(chǎn)生的脈沖的為:f=1/（R3+2R4）Cln2=1/(47000+47000*2)*0.000001=1Hz,而設(shè)計(jì)要求為1Hz,因此理論上其誤差為0,但是在實(shí)際中有很大的不確定性。圖33.2 時間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)時間計(jì)數(shù)電路由秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器及時個位和時十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，小時計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。用6個74LS90組成

7、兩個60進(jìn)制和一個24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。分別如圖4和5。圖4對于上圖，74LS90芯片的引腳8、9、11、12分別對應(yīng)QC、QB、QD、QA四個輸出端，而第5端和第10端分別接高電平和地，上圖已默認(rèn)，就不畫出，下面的電路圖凡涉及到芯片本身就需要接高電平和地的引腳亦不畫出。當(dāng)分的74LS90芯片的進(jìn)位輸入端11端的脈沖進(jìn)位信號傳到時的脈沖輸入端時，時便計(jì)數(shù)一次，并且其十位和個位的進(jìn)位關(guān)系與分（秒）的十位和個位的進(jìn)位關(guān)系一樣，此處不再重述。24進(jìn)制電路圖如圖5。圖53.3整點(diǎn)報(bào)時電路的設(shè)計(jì)當(dāng)分和秒計(jì)數(shù)器計(jì)到59分50秒時，“分”十位QDQCQBQA=0101，“分”個位QDQCQBQA=1001，“秒”

8、十位QDQCQBQA=0101，“秒”個位QDQCQBQA=0000，從59分50秒到60分0秒（0分0秒），只有“秒”個位在計(jì)數(shù)，最后到整點(diǎn)時全部置“0”，從圖中可以看出在59分50秒到59分59秒，門2的輸入全為高電平，門3輸入除“秒”個位QA外也是高電平，那么當(dāng)秒個位QA=1（QA=0）時門3輸出高電平，這個時間正對應(yīng)是50秒、52秒、54秒、56秒、58秒。在這幾個時間上，500HZ的振蕩信號可以通過門1，再經(jīng)過門4送出音響電路，發(fā)出五次音響。而當(dāng)時間達(dá)到整點(diǎn)時，門3輸出為0，500Hz的信號不能通過門1。此刻在分十位有一個反饋歸零信號QCQB，把它引來觸發(fā)由門6、門7構(gòu)成的基本RS觸

9、發(fā)器并使門6的輸出為高電平“1”，這時1KHz振蕩信號可以通過門5，再經(jīng)門4，送入音響電路，在整點(diǎn)時，報(bào)出最后一響。觸發(fā)器的狀態(tài)保持1S時間后被“秒”個位QA作用回到零，整個電路結(jié)束報(bào)時。報(bào)時所需的500Hz和1KHz信號可以從分頻電路中取出。圖63.4校時電路的設(shè)計(jì)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。由于秒鐘誤差比較的小，在這里不進(jìn)行“秒”校時，校“分”、“時”的原理比較簡單，采用加速校時，即用外開關(guān)通過與非門開通電路的脈沖通道使其進(jìn)入“時”或者“分”的CLOCK輸入端，作為計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行校時。如圖所示，當(dāng)開關(guān)打向下時，因?yàn)樾Ｕ盘柡?相與的輸出為0，而開關(guān)

10、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(jì)時狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)打向上時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。與非門可選74LS00，非門則可用與非門2個輸入端并接來代替節(jié)省芯片。因此實(shí)際使用時，須對開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行消除抖動處理，圖加2個0.01uF的電容。 圖73.5分頻器的設(shè)計(jì)在數(shù)字電路中，分頻器是一種可以進(jìn)行頻率變換的電路，其輸入、輸出信號是頻率不同的脈沖序列。輸入、輸出信號頻率的比值稱為分頻比。分頻器是用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的“秒”計(jì)時信號，在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中需要1KHz、500Hz、1Hz的脈沖信號。我們知道把555定時器產(chǎn)生的1KHz的時間標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)過103分頻，即需

11、要經(jīng)過3級十分頻得到1Hz的“秒”計(jì)時信號。再經(jīng)2分頻獲得500Hz脈沖信號，因此我們用三塊74LS90來實(shí)現(xiàn)3級十分頻。 圖83.6譯碼驅(qū)動顯示電路譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時”計(jì)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4511BD。4511BD是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，其具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動LED顯示器，專用于驅(qū)動LED七段共陽極顯示數(shù)碼管。由4511BD和LED七段共陽數(shù)碼管組成的一位數(shù)碼顯示電路如圖所示。若將“秒”、“分”、“時”計(jì)數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七

12、段譯碼器的輸入端，便可進(jìn)行不同數(shù)字的顯示。 圖94、整體電路圖設(shè)計(jì) 圖10本次設(shè)計(jì)后的方案分電源電路、時間計(jì)數(shù)電路、正點(diǎn)報(bào)時電路、校時電路、秒信號發(fā)生器電路和譯碼驅(qū)動顯示電路等幾個模塊，設(shè)計(jì)后分別送到計(jì)算機(jī)模擬軟件Multisim10中中進(jìn)行模擬調(diào)試用實(shí)驗(yàn)室的秒表進(jìn)行測試數(shù)字鐘的精確度，測試結(jié)果如表1；表1 數(shù)字鐘時間與秒表時間的比較表秒表時間(單位：秒)數(shù)字鐘時間誤差（單位：秒）0000：00：0003000：00：30060.0100：01：000.019000：01：30012000：02：000150.0200：02：300.02180.0300：03：000.035、誤差分析從表1可

13、看出，誤差接近于0，而且理論上，誤差本來是累積的，但實(shí)際上不然，該表的數(shù)據(jù)已顯示數(shù)字鐘走了90秒和120秒時的誤差與走了60秒的誤差并不相關(guān)聯(lián)，亦即誤差不累積。因此易得出此誤差值為人的反應(yīng)時間（包括視覺反應(yīng)時間和手的反應(yīng)時間），并不是數(shù)字鐘本身的誤差。因此，此數(shù)字鐘的精確度相當(dāng)高，滿足設(shè)計(jì)要求。6、原件清單；表2 元器件清單一覽表元器件數(shù)量SN74LS90N9 CD4511BE6數(shù)碼顯示管6 74LS004 10K滑動變阻器10.1uF電容2 5.1K電阻12K電阻1 555定時器4蜂鳴器1 0-50歐電阻6 74LS082單刀雙擲開關(guān)2電感47、實(shí)驗(yàn)心得體會1、加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作精神。很難想象，

14、如果我們各人之間沒有好好的配合，設(shè)計(jì)過程將成為一團(tuán)亂麻。正是由于各人做好了應(yīng)該做的工作，整個過程才能一氣呵成。更為可貴的是，我們彼此鼓勵，同舟共濟(jì)地處理每個問題。這種團(tuán)隊(duì)精神將是我們美好的回憶。2、提高了對芯片的認(rèn)識。為了在實(shí)驗(yàn)室里做好測試工作，我們必須對所用到的芯片了解得一清二楚。通過查閱手冊，或者詢問老師，我們終于對芯片的引腳功能熟透，這樣不但測試起來可靠，對以后的學(xué)習(xí)也是有極大的幫助。3、磨練了我們的意志力。我們花了很多心血來做這個課程設(shè)計(jì)，但凡事不是一帆風(fēng)順的，我們遇到了許多困難。有些困難甚至看進(jìn)來難于解決，確實(shí)也是打擊了我們的信心。但我們毫不氣餒，認(rèn)真地檢查電路。4、做到理論聯(lián)系實(shí)際。剛剛學(xué)過了數(shù)電這門課程，還沒完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次課程設(shè)計(jì)恰恰提供了一個好機(jī)會，讓我們從實(shí)踐中悟出電子技術(shù)的深奧之處。在做課程設(shè)計(jì)的過程中，我深深地感受到了自己所學(xué)到知識的有限，明白了只學(xué)好課本上的知識是不夠的，要通過圖書館和互聯(lián)網(wǎng)等各種渠道來擴(kuò)充自己的知識。在實(shí)驗(yàn)過程中我們曾經(jīng)遇到過問題。一個是在電路接好之后計(jì)數(shù)的顯示結(jié)果不正確,經(jīng)分析，檢察后我們請老師幫我們檢察了電路，知道了是電路導(dǎo)線壞了，于是改正了錯誤。我們遇到的第