數(shù)字式石英鐘課程設(shè)計報告

1、 數(shù)字電子鐘的設(shè)計與制作一、 設(shè)計概述1. 設(shè)計任務Ø 時鐘脈沖電路設(shè)計Ø 60進制計數(shù)器設(shè)計Ø 24進制計數(shù)器設(shè)計Ø “秒”，“分”，“小時”脈沖邏輯電路設(shè)計Ø “秒”，“分”，“小時”顯示電路設(shè)計Ø “分”，“小時”校時電路Ø 整點報時電路2. 功能特性Ø 設(shè)計的數(shù)字鐘能直接顯示“時”，“分”，“秒”，并以24小時為一計時周期。Ø 當電路發(fā)生走時誤差時，要求電路具有校時功能。Ø 要求電路具有整點報時功能，報時聲響為四低一高，最后一響正好為整點。3. 原理框圖圖 1 原理框圖二、 設(shè)計原理數(shù)字

2、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報時功能。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)。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)現(xiàn)胡一個“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

3、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)菁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。校時電路時用來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進行校對調(diào)整的。三、 設(shè)計步驟1. 計數(shù)器電路根據(jù)計數(shù)周期分別組成兩個60進制（秒、分）和一個24進制（時）的計數(shù)器。把它們適當連接就可以構(gòu)成秒、分、時的計數(shù)，實現(xiàn)計時功能。CC4518的符號如圖，一個芯片集成了兩個完全相

4、同的十進制計數(shù)器，其異步清零信號CR是高電平有效。記數(shù)脈沖輸入CP和記數(shù)允許EN是或關(guān)系，即EN=1時，CP脈沖可以通過或門產(chǎn)生上升沿觸發(fā)記數(shù)，反過來如將CP端接低電平（CP=L），則EN端可以加入計數(shù)脈沖，用其下降沿經(jīng)反相通過或門產(chǎn)生上升沿觸發(fā)計數(shù)，計數(shù)器輸出8421BCD碼。Ø 秒計數(shù)器的設(shè)計及安裝秒計數(shù)器為60進制計數(shù)器。實現(xiàn)此模數(shù)的計數(shù)器是由雙BCD同步加計數(shù)器CD4518構(gòu)成。秒計數(shù)器是六十進制，由一個十進制和一個六進制計數(shù)器異步級聯(lián)組成，各記數(shù)器都接成下降沿觸發(fā)方式，其中六進制計數(shù)器用異步復接法構(gòu)成。兩級計數(shù)器出現(xiàn)0110， 0000時通過置數(shù)脈沖使計數(shù)器清零,也就是此時

5、AQ2,AQ1通過與門后發(fā)出置數(shù)脈沖使計數(shù)器通過清零端AR清零（如圖2所示）。圖 2 秒計數(shù)器Ø 分計數(shù)器的設(shè)計及安裝分計數(shù)器也是60進制計數(shù)器。同秒計數(shù)器一樣是由雙BCD同步加計數(shù)器CD4518構(gòu)成。再按同秒計數(shù)器的方法接成可實現(xiàn)100進制的計數(shù)器。再用同秒計數(shù)器的方法實現(xiàn)60進制（如圖3所示）。圖 3 分計數(shù)器Ø 時計數(shù)器的設(shè)計及安裝時計數(shù)器是24進制計數(shù)器。實現(xiàn)此模數(shù)的計數(shù)器是由雙BCD同步加計數(shù)器CD4518構(gòu)成。時計數(shù)器是24進制，在兩級計數(shù)器出現(xiàn)0010，0100時通過置數(shù)脈沖使計數(shù)器清零,也就是此時AQ1,BQ2通過與門后發(fā)出置數(shù)脈沖使計數(shù)器通過清零端AR，B

6、R清零，這樣就構(gòu)成了24進制計數(shù)器（如圖4所示）。圖 4 時計數(shù)器2. 譯碼和數(shù)碼顯示電路譯碼和數(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。可被人們的視覺器官所接受。顯示器件選用液晶顯示。能顯示出清晰直觀的數(shù)字符號。譯碼電路的功能是將“秒”“分”“時”計數(shù)器的輸出代碼進行編譯，變成相應的數(shù)字。用于驅(qū)動液晶顯示的輸入端，便可進行不同數(shù)字顯示。當數(shù)字鐘的計數(shù)器在CP脈沖的作用下，按60秒為一分，60分為一小時，24小時為1天的計數(shù)規(guī)律計數(shù)時，就應將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號，需要將計數(shù)器的狀態(tài)進行譯碼并將其顯示出來（如圖5所示）。 圖 5譯碼和數(shù)碼顯示電路3. 振蕩器電路振蕩器的作用是產(chǎn)生

7、時間標準信號。數(shù)字鐘的精度就是主要取決于時間標準信的頻率和穩(wěn)定度。所以，在實驗中采用電路由14位二進制串行計數(shù)器/分頻器和振蕩器CD4060、BCD雙主-從D型觸發(fā)器CD4013構(gòu)成的秒信號發(fā)生器作為時間標準信號源（如圖6所示）。圖 6 秒脈沖發(fā)生器CC4060是帶振蕩電路的14位二進制計數(shù)器，晶體和電阻電容配合振蕩電路組成振蕩器，振蕩頻率為32768Hz，該信號在片內(nèi)接至計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入端，經(jīng)過14級分頻，在輸出端QN得到2Hz方波信號，再經(jīng)過CC4013組成的二分頻電路得到1Hz秒脈沖信號。CC4013是雙D觸發(fā)器，其中一個用于秒脈沖電路，產(chǎn)生單脈沖的原理是：在按鍵開關(guān)S4按下接通時，

8、VDD被R1，R2兩個電阻分壓使置1端S為高電平，Q輸出變1，通過R3向C1充電，置0端R電位由低變高，至有效高電平時使出發(fā)器Q返回0，每按一次按鍵Q端就輸出一個單脈沖，通過S1-S3三個開關(guān)用此脈沖代替時，分，秒記數(shù)器，人為更改計數(shù)值，以對時，分，秒分別進行校時。4. 校時電路數(shù)字鐘電路由于秒輸出信號的精確性和穩(wěn)定性不可能做到完全準確無誤，又因為電路中其他的原因數(shù)字鐘總會產(chǎn)生走時誤差的現(xiàn)象。所以，電路中就應該有校準時間功能的電路。校時的方法是給被校時的計時電路引入一個超出常規(guī)計時許多倍的快速脈沖信號，從而使計時電路快速達到標準時間。將脈沖信號引到“分”和“時”的脈沖輸入端以便快速校準“分”和

9、“時”。CC4013是雙D觸發(fā)器，其中一個用于秒脈沖電路，產(chǎn)生單脈沖的原理是：在按鍵開關(guān)S4按下接通時，VDD被R1，R2兩個電阻分壓使置1端S為高電平，Q輸出變1，通過R3向C1充電，置0端R電位由低變高，至有效高電平時使出發(fā)器Q返回0，每按一次按鍵Q端就輸出一個單脈沖，通過S1-S3三個開關(guān)用此脈沖代替時，分，秒記數(shù)器，人為更改計數(shù)值，以對時，分，秒分別進行校時（如圖7所示）。圖 7 校時電路5. 整點報時電路當數(shù)字鐘顯示整點時，應能報時。要求當數(shù)字鐘的“分”和“秒”計數(shù)器計到59分50秒時，驅(qū)動音響電路，要求每隔一秒音響電路鳴叫一次，每次叫聲的時間持續(xù)1秒，10秒中內(nèi)自動發(fā)出5聲鳴叫，并

10、且前4聲低，最后一聲高，正好報整點。整點報時電路主要由控制門電路和音響電路兩部分組成（如圖8所示）。圖 8整點報時電路Ø 控制門電路部分圖9中與門的輸入信號Q4、Q3、Q2、Q1、分別表示“分十位”、“分個位”、“秒十位”、“秒個位”的狀態(tài)，下標中的D、C、B、A分別表示組成計數(shù)器的四個觸發(fā)器的狀態(tài)。由圖9可以看出：Y1=QC4*QA4*QD3*QA3Y2=Y1*QC2*QA 2 以上二式表示當分十位為5（即QC4QA4=101）、分個位為9（即QD3QA3=1001）、秒十位為5（即QC2QA2=101）時，即59分50秒時發(fā)出控制信號。根據(jù)設(shè)計要求，數(shù)字鐘電路要求在59分51秒、

11、53秒、55秒、59秒時各鳴叫一次。當計數(shù)器達到59分50秒時，分、秒計數(shù)器的狀態(tài)為：QD4QC4QB4QA4=0101（分十位）QD3QC3QB3QA3=1001（分個位）QD2QC2QB2QA2=0101（秒十位）QD1QC1QB1QA1=0000（秒個位）前四聲計數(shù)器狀態(tài)發(fā)生在59分51秒至59分58秒之間。因此，只有秒個位的狀態(tài)發(fā)生變化，而其他計數(shù)器的狀態(tài)無需變化，所以可保持不變。此時 QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不變，將它們相與即得Y2。而51秒、53秒、55秒、57，59秒時的秒計數(shù)器個位狀態(tài)分別為QD1QC1QB1QA1=0001（51秒）QD1QC1QB1

12、QA1=0011（53秒）QD1QC1QB1QA1=0101（55秒）QD1QC1QB1QA1=0111（57秒）并根據(jù)需要，前四聲為低，則接如512Hz的脈沖信號。最后一聲的各計數(shù)器狀態(tài)分別如下：QD4QC4QB4QA4=0000（分十位）QD3QC3QB3QA3=0000（分個位）QD2QC2QB2QA2=0000（秒十位）QD1QC1QB1QA1=0000（秒個位）即只須將分進位信號和1024Hz的脈沖信號接入即可（如圖9所示）。圖 9 整點報時控制門電路Ø 音響電路部分音響電路采用集電極輸出器，推動8歐母的喇叭，三極管基極串接10K限流電阻，是為了防止電流過大損壞喇叭（如圖1

13、0所示）。圖 10 整點報時音響電路四、 設(shè)計電路原理圖：圖11 設(shè)計電路原理圖五、 印制板圖圖12 印制板圖六、 材料清單七、 電路調(diào)試1. 計數(shù)器的安裝與調(diào)試。按圖2，圖3，圖4電路在實驗箱上連線。連線順序為秒計數(shù)器，分計數(shù)器，時計數(shù)器。接好線路后，將秒計數(shù)器，分計數(shù)器，時計數(shù)器連接個位的芯片的第2個和第10個管腳分別接上脈沖上檢驗所接電路是否為正確的。2. 譯碼顯示電路的安裝與調(diào)試。按圖5電路在數(shù)字電路實驗箱上連線。按已接好的脈沖調(diào)試，看看所接電路是否正確。3. 振蕩器的安裝和調(diào)試。按圖6電路在實驗箱上連線。接上示波器，觀察波形可知道振蕩器安裝是否正確。4. 校時電路的安裝和調(diào)試。按圖7

14、所示的電路圖在數(shù)字實驗箱上連線。將電路輸出接二極管。撥動開關(guān)。觀察在CP作用下，輸出端二極管的顯示情況。根據(jù)開關(guān)的不同狀態(tài)，輸出端輸出頻率之比約為1：60，“開關(guān)”即數(shù)字實驗箱上的邏輯電平開關(guān)。5. 整點報時電路的安裝和調(diào)試。按圖8在數(shù)字實驗箱上連線。報時電路發(fā)出的聲響是59分1秒至59分60秒之間，59分的狀態(tài)是不變的。觀察計數(shù)器CP信號的作用下，喇叭發(fā)出聲響的情況。八、 設(shè)計體會通過該設(shè)計讓我通過設(shè)計掌握數(shù)字電路設(shè)計和制作的一般方法。通過對實際電路方案的分析比較、設(shè)計計算、元件選取、安裝調(diào)試環(huán)節(jié)，我初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計方法。認識到理論和實際電路之間的不同，讓我更注意理論

15、和實際的聯(lián)系，并初步學會了在電路設(shè)計方面理論向?qū)嶋H轉(zhuǎn)化的方法。在整個數(shù)字鐘的設(shè)計過程中，自己從中也學到了不少知識，特別是CMOS門電路。加強了理論知識與實踐統(tǒng)一的能力，加強了自己的動手操作能力，為以后的電路設(shè)計打好基礎(chǔ)。附錄 芯片功能表CD4518 雙BCD同步加計數(shù)器 CD4023 三3輸入端與非門 CD4013 雙主-從D型觸發(fā)器CD4081 四2輸入端與門 CD4082 雙4輸入端與門 CD4060 14級二進制串行計數(shù)/分頻器 參考文獻【1】 賈秀美，數(shù)字電路實踐技術(shù)（第一版）.中國科學技術(shù)出版社，2000【2】 王毓銀，脈沖與數(shù)字電路（第三版）.高等教育出版社，1999【3】 路勇，電子電路