課程設(shè)計論文數(shù)字顯示電子時鐘的設(shè)計

1、1、前言計時工具大多數(shù)都使用了石英晶體振蕩器, 由于電子鐘、石晶表、石英鐘都采用了石英技術(shù), 因此走時精度高, 穩(wěn)定性好, 使用方便, 不需要經(jīng)常調(diào)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 人們對時間計量的精度要求越來越高。高精度的校, 數(shù)字式電子鐘用集成電路計時時, 譯碼代替機械式傳動, 用led顯示器代替指針顯示進而顯示時間, 減小了計時誤差, 這種表具有時、分、秒、顯示時間的功能, 還可以進行時和分的校對。片選的靈活性好。因此時鐘的數(shù)字化使其功能更加豐富，使用更佳便利。數(shù)字鐘電路是一個典型的數(shù)字電路系統(tǒng)，其由時、分、秒計數(shù)器以及校時和顯示電路組成。利用60進制和24進制遞增計數(shù)器子電路構(gòu)成的數(shù)字鐘系統(tǒng)。

2、在數(shù)字鐘電路中由兩個60進制同步遞增計數(shù)器完成秒、分計數(shù)，由一個24進制同步遞增計數(shù)器實現(xiàn)小時計數(shù)。本文就是一篇關(guān)于數(shù)字顯示電子時鐘的設(shè)計報告。本設(shè)計報告使用了大量表格、插圖、公式，詳細介紹了由555定時器、四位二進制計數(shù)器74ls161、bcd碼七段譯碼驅(qū)動器4511和7段發(fā)光led數(shù)碼管（共陰）構(gòu)成的24小時制數(shù)字電子時鐘的工作原理、設(shè)計方法、設(shè)計過程、各部分功能及整體功能。2、總體方案設(shè)計2.1 初步設(shè)計方框圖2.1.1.以晶體振蕩器作為時鐘脈沖源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，頻率易高調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng)，在晶體某一方向加一電場，則在與此垂直的方向產(chǎn)生機械振動和電場

3、互為因果，這種循環(huán)過程一直持續(xù)到晶體的機械強度限制時，才達到最后的穩(wěn)定，這種壓電諧振的頻率就是晶體振蕩的固有頻率。數(shù)字顯示器bcd譯碼驅(qū) 動 器60進制bcd譯碼驅(qū) 動 器60進制bcd譯碼驅(qū) 動 器24進制數(shù)字顯示器數(shù)字顯示器秒十位器秒個位數(shù)器時個位數(shù)器分個位數(shù)器時十位器分十位器晶體振蕩器分頻器校時存儲器數(shù)器控制音響揚聲器數(shù)器圖1 石英晶體時鐘脈沖源2.1.2以555定時器作為時鐘脈沖源數(shù)字顯示器bcd譯碼驅(qū) 動 器60進制bcd譯碼驅(qū) 動 器60進制bcd譯碼驅(qū) 動 器24進制數(shù)字顯示器數(shù)字顯示器秒十位器秒個位數(shù)器時個位數(shù)器分個位數(shù)器時十位器分十位器555定時器校時存儲器數(shù)器控制音響揚聲器

4、數(shù)器圖2 555時鐘脈沖源2.2 方案的比較與論證由于555定時器與石英晶體振蕩器相比較來說，我們更熟悉555定時器的各項功能，更能更好的實現(xiàn)數(shù)字時鐘的各項要求，因此，我們選擇555定時器作為時鐘脈沖源。2.2.1譯碼驅(qū)動器和數(shù)字顯示器的選擇本設(shè)計中需要用7段led數(shù)碼管來顯示時間，因此需要用到bcd碼七段譯碼驅(qū)動器。此類譯碼驅(qū)動器型號有74ls47（共陽）、74ls48（共陰）、4511（共陰）等。本設(shè)計采用作者曾接觸過的相對較熟悉的 4511 bcd鎖存/七段譯碼/驅(qū)動器來驅(qū)動共陰led數(shù)碼管。關(guān)于4511的具體功能及參數(shù)將在后面的章節(jié)中詳細介紹。圖3 45112.2.2 計數(shù)器的選擇在本

5、設(shè)計中，只要是十進制或十進制以上的計數(shù)器都可以做為秒、分、時計數(shù)器。一般使用十進制計數(shù)器較簡單。74ls290是一種異步十進制計數(shù)器，它由一個1位二進制計數(shù)器和一個異步五進制計數(shù)器組成，可以分別組合成二、五、十進制計數(shù)器。用兩個74ls290級聯(lián)可以組成60進制計數(shù)器（分、秒計數(shù)器），也可以組成24進制計數(shù)器（時計數(shù)器）。由于7ls290在仿真軟件中無法仿真。所以在本設(shè)計中不采用74ls290，而用了稍微復(fù)雜一點的四位二進制計數(shù)器74ls161。74ls161同樣可以象74ls290那樣通過級聯(lián)組成60進制計數(shù)器和24進制計數(shù)器，只是電路結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些。2.2.3 時鐘源的選擇在本設(shè)計中，比較

6、合適的時鐘源應(yīng)該是555定時器。555定時器可以和電阻及電容組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器需要外部輸入信號才能工作，而且在輸入有限信號的情況下不能持續(xù)產(chǎn)生輸出信號，將很快有暫態(tài)回到穩(wěn)態(tài)。多諧振蕩器不需要輸入外部信號，一旦產(chǎn)生諧振即可永遠振蕩下去，且輸出的信號是有規(guī)律的，即輸出信號是周期性的。施密特觸發(fā)器的工作情況與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器類似。在時鐘電路中，由于時間的顯示是有規(guī)律的相對連續(xù)且可持續(xù)無限長時間的，所以我們選擇多諧振蕩器作為時鐘源。本設(shè)計中使用的是周期為一秒的時鐘源，因此，需要將多諧振蕩器的周期設(shè)置為一秒，這一點將在本文的單元模塊設(shè)計部分具體講解。圖4 555定時器綜

7、合以上敘述，本設(shè)計中選用的元器件為555定時器、74ls161（時、分、秒計數(shù)器）、4511（七段譯碼驅(qū)動）、七段led共陰數(shù)碼管。在下一章中將詳細介紹各元器件以及它們組成的單元模塊的功能、參數(shù)等。3、單元模塊設(shè)計3.1 譯碼驅(qū)動器和數(shù)字顯示器選擇cd4511作為顯示譯碼電路；選擇led數(shù)碼管作為顯示單元電路。由cd4511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。這里的led數(shù)碼管是采用共陰的方法連接的。計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計并以8421bcd碼的形式輸送到cd4511芯片，再由4511芯片把bcd碼轉(zhuǎn)變?yōu)槠叨螖?shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。4511功能介紹：a、b、c、dbcd

8、碼輸入端。qa、qb、qc、qd、qe、qf、qg譯碼輸出端。lt測試輸入端，lt =1時，譯碼輸出全為1。bi消隱輸入端，bi=1時，譯碼輸出全為0。le鎖定端，le=1時，譯碼器處于鎖定（保持）狀態(tài)，譯碼器輸出保持在le=0時的數(shù)值。當(dāng)le=0，lt=0，bi=0時為正常譯碼。圖5 譯碼驅(qū)動器和數(shù)字顯示器3.2 +5v電源設(shè)計圖6 +5v電源設(shè)計如圖6示，輸入220v 的交流電經(jīng)過變壓器變?yōu)榧s9伏交流電，經(jīng)過橋式整流電路后，然后用7805穩(wěn)壓就可以得到穩(wěn)定的+5v的直流穩(wěn)壓電源。3.3 時鐘源的設(shè)計3.3.1一秒時鐘源模塊圖圖7 一秒時鐘源模塊圖3.3.2 功能及參數(shù)說明圖7是由555定時

9、器和電阻、電容組成的周期為一秒多諧振蕩器。此多諧振蕩器可以作為我們要設(shè)計的數(shù)字電子時鐘的時鐘源。接通電源后，電容c被充電,v上升，當(dāng)v上升到2/3 v時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時放電 bjt導(dǎo)通，此時v為低電平，電容c 通過r和t放電，使v下降。當(dāng)v下降到1/3 v時，觸發(fā)器又被置位，vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器c放電所需的時間為t=r cln20.7rc 當(dāng)c放電結(jié)束時，t截止，v通過r1、r向電容器c充電，v由1/3 v上升到 v所需的時間為t =(r+ r) cln20.7(r+ r) c 當(dāng)v上升到2/3 v時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端（3端）就得到一個周期性的方波，其頻率為f=

10、因此，我們可以選擇阻值為400k的電阻作為r,300k的電阻作為r ，電容為1.43uf的電容器作為c,于是有 f=1(s)輸出波形如下圖：圖8 輸出波形圖3.4 計數(shù)器的設(shè)計3.4.1 功能及參數(shù)說明74ls161是4位二進制同步加計數(shù)器如圖3.3所示。clr請零端，load是預(yù)置數(shù)控制端，a、b、c、d 為預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，qa、qb、qc、qd是數(shù)據(jù)輸出端，enp和ent是計數(shù)使能（控制）端，rco ( =ent·enp·qa· qb· qc· qd)是進位輸出端。 圖9 74ls161表3.1 74ls161的功能表清零clr預(yù)置load

11、使 能enp ent時鐘cp預(yù)置數(shù)據(jù)輸入a b c d輸 出qa qb qc qdlhhhh × l h h h × × × × l × × l h h × × × × × × ×d0 d1 d2 d3 × × × × × × × × × × × × l l l ld0 d1 d2 d3保 持保 持計 數(shù) 由表可知，74ls161具有以下

12、功能：1) 異步清零 當(dāng)clr=0時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何（包括時鐘信號cp），計數(shù)器輸出將被直接置零，稱為異步清零。2) 同步并行預(yù)置數(shù) 在clr=1的條件下，當(dāng)load=0、且有時鐘脈沖cp的上升沿作用時，d0、d1、d2、d3輸入端的數(shù)據(jù)將分別被q0q3所接收。由于這個置數(shù)操作要與cp上升沿同步，且d0d3的數(shù)據(jù)同時置入計數(shù)器，所以稱為同步并行預(yù)置3) 保持 在clq=load=1的條件下，當(dāng)ent·enp=0，即兩個計數(shù)器使能端中有0時，不管有無cp脈沖作用，計數(shù)器都將保持原有狀態(tài)不變（停止計數(shù)）。4) 計數(shù) 當(dāng)clr=load=ent=enp=1時，74ls161處于計

13、數(shù)狀態(tài)，其狀態(tài)表如下：表3.2 74ls161計數(shù)時的狀態(tài)表計數(shù)脈沖cp的順序電 路 狀 態(tài)等 效十進制數(shù)qa qb qc qd0123456789101112131415160 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 0 012345678910111213141503.4.2 時計數(shù)器時計數(shù)器的模塊圖如圖3.5所示。時計數(shù)器的工作原理與分、秒計數(shù)器相似。這里只陳述一下時計數(shù)器的不同之處。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到

14、23時，再輸入一個cp脈沖，74ls161(0)的輸出變?yōu)閝a qb qc qd =0010，qc=1，與74ls161(1)的qb=1通過一個與非門反饋到兩個74ls161的mr（清零）端，使兩個74ls161同時清零，于是計數(shù)又從0開始。計數(shù)器不會計數(shù)到24，因為00100100只是一個瞬時狀態(tài)，一旦計數(shù)到此狀態(tài)就會立即清零。其計數(shù)范圍為023。74ls161(0)顯示09（個位），74ls161(1)顯示02（十位）。圖10 時計數(shù)器3.4.3 分、秒計數(shù)器圖3.4就是由兩片集成74ls161級聯(lián)組成的60進制計數(shù)器，可以作為分、秒計數(shù)器。74ls161(0) 中，置數(shù)輸入端abcd接地

15、，即abcd=0000。當(dāng)計數(shù)到1001（十進制為9）時，a、d輸出為高電平1，通過一個與非門產(chǎn)生一個低電平0，反饋到load端，當(dāng)load =0時，執(zhí)行置數(shù)功能，將abcd=0000置入，使qa qb qc qd=0000，計數(shù)器又從零開始計數(shù)。這種方法叫做反饋計數(shù)法。從qa、qd輸出并經(jīng)過與非門產(chǎn)生的信號叫反饋信號。將與非門的輸出端通過一個非門反相之后連接到74ls161(1)的enp、ent，當(dāng)計數(shù)到9時，產(chǎn)生一個反饋信號，使74ls161(0)重新從零開始計數(shù)的同時，也使enp=ent=1，于是74ls161(1) 重新從零開始計數(shù)的同時，也使enp=ent=1，于是74ls161(1

16、) 開始工作，接收cp信號并計數(shù)一次，當(dāng)74ls161(0)的qa qb qc qd變?yōu)?000時，反饋信號消失，74ls161(1)停止工作。直到74ls161(1)再次計數(shù)到9。當(dāng)74ls161(2)計數(shù)到5而74ls161(1)再次計數(shù)到9時，在74ls161(0)的反饋信號作用下，74ls161(1)又開始工作，計數(shù)輸出端由5變?yōu)?，此時，74ls161(1)的qa qb qc qd=0110，qb qc輸出為高電平1，通過一個與非門產(chǎn)生一個低電平0，反饋到clr（清零）端，使74ls161(1)清零，又從0000開始計數(shù)。這叫反饋清零法。從上述計數(shù)過程可知，此計數(shù)器是一個6×

17、;10計數(shù)器，計數(shù)器從0開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)到59以后，又從0開始計數(shù)。74ls161(0)顯示09（分、秒的個位），74ls161(1)顯示05（分、秒的十位）。以上就是分、秒計數(shù)器的工作原理。 圖11 分、秒計數(shù)器3.5 整點報時電路一般時鐘都應(yīng)具備整點報時電路功能,即在時間出現(xiàn)整點前數(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)雜的也可以是實時語音提示.根據(jù)要求,電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時,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.報時電路選兩個與門，和一個四輸入的與非門與揚聲器相連。圖12 整點報時電路 3.6 校時電路

18、校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能，一般電子手表都具有時、分、秒等校時功能。在計時開始或即使出現(xiàn)誤差時，必須和標(biāo)準(zhǔn)時間校準(zhǔn)，這一功能由校時電路完成。校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能，一般電子手表都具有時、分、秒等校時功能。 圖13 校時電路至此，各單元模塊都已設(shè)計完畢，下一步是把各單元模塊連接起來，組成一個整體，使其達到預(yù)期的目的。我們可以用仿真軟件來把它仿真出來，看它是否達到了設(shè)計的預(yù)期效果。4、 系統(tǒng)仿真仿真軟件我們選擇tina來做，該軟件的特點是畫電路圖方便，軟件界面已漢化，缺點是器件少。仿真設(shè)計流程如下：1) 先在界面上設(shè)計出秒計數(shù)器并連接上譯碼驅(qū)動器4511和數(shù)碼顯示器，用時鐘脈沖作為cp脈沖

19、信號輸入，運行仿真功能，測試秒計數(shù)器設(shè)計是否正確，同時也測試4511和數(shù)碼顯示器連接是否正確。若仿真出錯則修改電路再測試，如此反復(fù)直至無誤。2) 再將分計數(shù)器及與其連接4511和數(shù)碼顯示器接到原電路中，再進行仿真，測試連接是否正確。若仿真出錯則修改電路再測試，如此反復(fù)直至無誤。3) 再將時計數(shù)器及與其連接4511和數(shù)碼顯示器接到原電路中，再進行仿真，測試連接是否正確。若仿真出錯則修改電路再測試，如此反復(fù)直至無誤。4) 最后再將一秒時鐘源接入電路中，再進行仿真，測試連接是否正確。若仿真出錯則修改電路再測試，如此反復(fù)直至無誤。若計時不準(zhǔn)確，則修改時鐘源的電阻和電容直至計時誤差足夠小。這樣，電路的仿

20、真就完成了。圖14 仿真圖時鐘源秒計數(shù)器分計數(shù)器時計數(shù)器bcd譯碼驅(qū) 動 器bcd譯碼驅(qū) 動 器bcd譯碼驅(qū) 動 器數(shù)字顯示器數(shù)字顯示器數(shù)字顯示器圖15 仿真方框圖1 標(biāo)準(zhǔn)秒信號調(diào)試用示波器觀察555定時器輸出的信號波形，再在555定時器的第3端觀察是否由信號輸出，由于在示波器上看不清其信號波形故可以用sp1641b型函數(shù)信號發(fā)生器/計數(shù)器直接觀察其數(shù)值為2hz信號。最后觀察輸出波形為一標(biāo)準(zhǔn)秒信號波形。2 時、分、秒及顯示電路的調(diào)試0.5ms×2將秒信號分別引入到時、分、秒計數(shù)器單元電路中，觀察電路的工作情況。（1）在秒計數(shù)器的脈沖輸入10khz的信號，接示波器可觀察出信號方波（2）

21、在秒十位輸入60khz信號，在秒十位的輸出端用示波器觀察圖形，方法同（1），但由于輸出信號的頻率很小在示波器上只能看到一條微弱的細線，故可用函數(shù)信號發(fā)生器/計數(shù)器直接觀察數(shù)值。因為此處接的是與非門故同時應(yīng)用數(shù)字萬用表測量，測得的值應(yīng)為高。在試驗中，我測得為低，通過順序檢查法檢測出校時電路得按鍵開關(guān)未接地。（3）用同樣得方法可以測出分、時電路是否工作正常工作。當(dāng)各個部分都能正常計數(shù)時觀察led數(shù)碼管是否顯示正常得計數(shù)。發(fā)現(xiàn)計數(shù)時數(shù)碼管顯示從0009時直接從19變?yōu)?0，使得1019之間沒有計數(shù)。經(jīng)檢測這和74ls161芯片本身有關(guān)，從下圖可看出74ls161為何會使電路連續(xù)產(chǎn)生兩次跳變。3.校時

22、電路的調(diào)試將秒信號分別引入到校時電路中，分別按下k1及k2，檢查計數(shù)器及時計數(shù)器的工作情況。4.提高電路抗干擾的方法（1）正確選擇器件，如使用金屬膜電阻器，用芯片運放代替三極管作前置放大器；（2）元器件分布合理，在實際布線中，按照以下幾個原則布線，其一，使元器件的引線盡量短，盡量不允許有交叉電路，電源線不與信號線接近或平行。其二，由于電路板上的線非常細且容集，故存在著比較大的分布電，當(dāng)電流突然變化時，電路將產(chǎn)生相當(dāng)大的壓降造成比較大的噪聲電壓。為了有效抑制電源線上電壓波動，在每塊芯片的電源管腳處接入一個0.010.1f的旁路電容。即電源濾波電容盡可能近的連在運算放大器的電源端上，使同一級電路的接地點盡量靠近，并采用包圍式接地，以保證良好的屏蔽效果；其三，考慮到阻抗高的走線容易發(fā)射和吸收信號，在實際連線中，讓高阻抗的走線盡量短，低阻抗的