數(shù)字鐘的設計與制作

1、 題目名稱： 數(shù)字鐘的設計與制作 姓 名： hugh 班 級： 電 氣 101 學 號： 日 期： 2012年12月25日 目 錄一設計題目：3二指標要求：3三設計計算：31總體方案設計：32單元電路設計：53.總體電路：12四制作調試：13五總結：14六元器件清單15七參考文獻：15一設計題目：數(shù)字鐘的設計與制作二指標要求：1.顯示時、分、秒。采用24小時制。2.制作、調試出一個具有直流電源、簡易信號源及用來計“時”“分”“秒”的數(shù)字鐘系統(tǒng)。并按照直流電源、簡易信號源、及“秒”、“分”進位和“時”循環(huán)進位是否正常給予不同記分。3.為了保證計時準確、穩(wěn)定，由晶體振蕩器提供標準時間的基準信號。三

2、設計計算：1總體方案設計：1）數(shù)字鐘的構成數(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蕩器電路構成數(shù)字鐘。（a） 數(shù)字鐘組成框圖 2）數(shù)字鐘的工作原理數(shù)字電子鐘組成一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器及顯示器等幾部分組成。振蕩器產(chǎn)生的時標信號送到分頻器，分頻電路將時標信號分成秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計結果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來?！懊搿钡娘@示由兩級計數(shù)器和譯碼器組成的六十進制計數(shù)器電路實現(xiàn)，“分”的顯示電路與

3、“秒”相同。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，一般用晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)。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)一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?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。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過六位LED七段顯示器顯示出來。整點報時電路時根據(jù)計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一脈沖信號，然后去觸發(fā)一音頻發(fā)生器實現(xiàn)報時。校時電路時

4、用來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進行校對調整的。 (1)晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的12786Hz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。(2)分頻器電路分頻器電路將12786Hz的高頻方波信號經(jīng)12786()次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器f=N/t2-t1。(3)時間計數(shù)單元時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器,分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構成,其中秒個位和秒十位計數(shù)器,分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器,而根據(jù)設計要求,時個位和時十

5、位計數(shù)器為24進制計數(shù)器. (4)譯碼驅動及顯示單元 譯碼驅動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉換為數(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。數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管和液晶(LCD)數(shù)碼管，本設計提供的為LED數(shù)碼管。2單元電路設計：（1） 晶體振蕩器電路設計給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的12786Hz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用TTL門電路構成；CMOS非門構成的電路；一類是555構成。本次設計采用了后一種。，由CMOS

6、非門U1與晶體、電容和電阻構成晶體振蕩器電路，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XTAL的頻率選為12786HZ。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)。從有關手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時

7、，還可接入校正電容并采取溫度補償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10M。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。 （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。74LS161內部框圖（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)單元一般為二十四進制計數(shù)器計數(shù)器，其輸出為兩位8424BCD碼形式；分計數(shù)和秒計數(shù)單元為六十進制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。采用模16計數(shù)器74LS161來實現(xiàn)計數(shù)單元的計數(shù)功能。74LS161功能表其中Q3Q2Q1Q0即為QDQCQBQA

8、秒計數(shù)單元為六十進制計數(shù)器，它有兩位組成將兩片74LS161接入電路，然后用清零法將其接成顯（0059）的進制，并將其輸出端接在數(shù)碼管上顯示，來表示電子鐘的秒。個位：CP接1Hz.用74LS161的輸出Q3Q1(Q3Q2Q1Q0=1010)與非后接到其清零端CR，此時它成為十進制計數(shù)器，顯示的是（09）。十位：用74LS161的輸出Q2Q1(Q3Q2Q1Q0=0110)與非后接到其清零端CR，此時它成為六進制計數(shù)器，顯示的是（05）。并將個位與非后的結果作為十位其脈沖輸入端。圖3-7 六十進制分的設計：設計秒的方法設計一個電子鐘的分。個位：秒的十位Q2Q1(Q3Q2Q1Q0=0110)與非后接

9、到CP端。用74LS161的輸出Q3Q1(Q3Q2Q1Q0=1010)與非后接到其清零端CR，此時它成為十進制計數(shù)器，顯示的是（09）。十位：用74LS161的輸出Q2Q1(Q3Q2Q1Q0=0110)與非后接到其清零端CR，此時它成為六進制計數(shù)器，顯示的是（05）。并將個位與非后的結果作為其脈沖輸入端。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)單元應為二十四進制計數(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二十四進制轉換。利用2片74LS161實現(xiàn)二十四進制計數(shù)功能的電路如圖3-8所示。74LS00 圖3-8 二十四進制 當時計數(shù)單元的個位

10、計數(shù)器計數(shù)為0100，十位計數(shù)器計數(shù)為0010時，清零。 圖 1秒的計數(shù)單元 分的計數(shù)單元時的計數(shù)單元（4）譯碼驅動及顯示單元在數(shù)字鐘電路中，譯碼器的輸入信號就是計數(shù)器的輸出信號，它的輸出端接至數(shù)碼管。計數(shù)器輸出的四位BCD碼經(jīng)譯碼后，變成某個十進制數(shù)字對應的控制電平，去驅動數(shù)碼管各段發(fā)光，從而把該數(shù)字顯示出來。試驗中采用8421BCD譯碼器CD4511。它與LED數(shù)碼管的連接如圖3-9所示。 圖3-9共陰極譯碼電路十進制數(shù)輸 入BI/RBO輸 出LTRBID C B Aabcdefg0HH0 0 0 0H11111101H×0 0 0 1H01100002H×0 0 1

11、0H11011013H×0 0 1 1H11110014H×0 1 0 0H01100115H×0 1 0 1H10110116H×0 1 1 0H00111117H×0 1 1 1H11100008H×1 0 0 0H11111119H×1 0 0 1H111001110H×1 0 1 0H000110111H×1 0 1 1H001100112H×1 1 0 0H010001113H×1 1 0 1H100101114H×1 1 1 0H000111115H×1

12、 1 1 1H0000000BI××××××L0000000RBIHL0 0 0 0L0000000LTL×××××H11111113.總體電路：四制作調試： 焊接完成后去調試時，發(fā)現(xiàn)結果不正常，秒竟然是計數(shù)到100也不能進位，后來又仔細檢查一邊電路，原來一根線給接錯位置，改正過來后就正常顯示結果了。五總結：通過這次課程設計，我對數(shù)字電子技術的理論知識的理解更加深刻，對時序電路的設計步驟也更加熟悉。在本次設計中，我還發(fā)現(xiàn)了一點問題，就是理論和實際并不是完全符合的。比如對于74LS161

13、計數(shù)器芯片來說，他本是十進制計數(shù)器，若用它構成六進制計數(shù)器，按照理論知識，只需要將它的輸出端Q1和Q2端通過一個與門后反饋到清零端CR即可。但在實際應用中，按照理論上的接法并不能實現(xiàn)六進制，而是需要將他的Q0端取反后再與Q1和Q2相與反饋到清零端CR，才能實現(xiàn)六進制計數(shù)。另外，秒鐘單元電路向分鐘單元電路提供脈沖的進位信號不能直接加到分鐘單元電路的脈沖端口上，而是需要經(jīng)過一個非門后再加到分鐘單元電路的脈沖輸入端上。同時，還要給這部分進位電路并聯(lián)一個開關（詳見總電路圖），且在接通電源之前應保持該開關的閉合狀態(tài)，接通電源后應先斷開該開關，然后再接通脈沖單元電路，否則將不能保證整個電路的零狀態(tài)。此外，本次課程設計比較倉促，只是完成了設計的基本功能，其拓展功能沒有精力去深究，等到以后有時間再逐步完善該電路的拓展功能。由于時間短暫和本人能力有限，本電路的設計可能存在一定問題和缺陷，還需再努力。六元器件清單1. 七段數(shù)碼