多功能數(shù)字的電路設(shè)計

1、 學(xué)號：1109141062 2013 - 2014學(xué)年 第1學(xué)期 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課 程 設(shè) 計 報 告題 目： 多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 11電氣工程及其自動化（1）班 姓 名： 薛莉君 指導(dǎo)教師： 臧大進(jìn) 成 績： 電氣工程系2013年11月8日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書學(xué)生班級：11電氣工程及其自動化（1）班 學(xué)生姓名：薛莉君 學(xué)號：1109141062 設(shè)計名稱： 多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計 起止日期： 2013 11 112013 11 17 指導(dǎo)教師： 臧大進(jìn) 設(shè)計要求：一、設(shè)計目的 1、掌握數(shù)字鐘的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。2、熟悉集成電

2、路的使用方法。二、設(shè)計任務(wù)及要求 1、時鐘顯示功能，能夠以十進(jìn)制顯示“時”、“分”、“秒”。2、具有快速校準(zhǔn)時、分、秒的功能。3、計時準(zhǔn)確度，每天計時誤差不超過1s。4、整點自動報時，在離整點10s時，便自動發(fā)出鳴叫聲，步長1s，每隔1s鳴叫一次，前四響是低音，最后一響為高音，最后一響結(jié)束為整點。摘 要21世紀(jì)，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。 時間對人們來說總是那么寶貴 ，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大

3、大地擴(kuò)展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、定時啟閉電路、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備，甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。數(shù)字鐘是用數(shù)字集成電路構(gòu)成的、用數(shù)碼顯示的、具有實現(xiàn)時、分、秒數(shù)字顯示的計時裝置。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的使用，使得數(shù)字鐘的精度與傳統(tǒng)機(jī)械表相比，具有走時準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動裝置等特點。因而廣泛應(yīng)用于車站、碼頭、機(jī)場、商店等公共場所。在控制系統(tǒng)中，也常用來作定時控制的時鐘源。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏

4、輯電路和時序電路。數(shù)字鐘的設(shè)計方法有許多種,例如,可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘；也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘；還可以利用單片機(jī)來實現(xiàn)電子鐘等等。本課題采用中小規(guī)模集成電路制作，需要振蕩器、分頻器、計算器、顯示器等電路，所用的元器件較多，僅計數(shù)器就需要好多塊，雖然原理簡單，但所畫出的電路圖比較復(fù)雜，功能單一關(guān)鍵詞：振蕩器; 分頻器; 顯示器; 74HC390; CD4511目錄1 緒論11.1 課題描述11.2 基本工作原理及構(gòu)成框圖12 設(shè)計原理及相關(guān)芯片介紹22.1 晶體振蕩器電路22.1.1 工作原理及電路組成22.1.2 二進(jìn)制計數(shù)器CD4060

5、32.2 分頻器電路32.2.1 工作原理及構(gòu)成32.2.2 2輸入與非門74HC00D42.2.3 七段顯示譯碼/驅(qū)動器CD451142.3 時間計數(shù)電路62.3.1 十進(jìn)制計數(shù)器74HC39062.3.2 工作原理及電路組成62.4 譯碼驅(qū)動及數(shù)字顯示電路72.4.1 7段數(shù)碼管譯碼器74LS4772.4.2 數(shù)字顯示電路82.5 校正電路102.6 整點報時電路112.6.1 工作原理及電路組成112.6.2 8輸入與非門74HC30D113 總體電路設(shè)計123.1 實驗設(shè)備及元器件12總 結(jié)15致 謝15參考文獻(xiàn).16 緒論1.1 課題描述數(shù)字鐘因其小巧，價格低廉，走時精度高，使用方便

6、，功能多等特點，更加適合現(xiàn)代人的工作和生活，因此得到了廣泛的使用。本課題采用中小規(guī)模集成電路制作，根據(jù)數(shù)碼管動態(tài)顯示原理來進(jìn)行顯示，用32768Hz的晶振產(chǎn)生振蕩脈沖，采用相應(yīng)進(jìn)制的計數(shù)器，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)過譯碼和顯示電路準(zhǔn)確地將時間“時”“分”“秒”用數(shù)字的方式顯示出來，是一個將“時”“分”“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。在此次設(shè)計中，電路具有顯示時間的其本功能，還可以實現(xiàn)對時間的調(diào)整。1.2 基本工作原理及構(gòu)成框圖圖1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，

7、同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。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(yīng)有校時功能和一些顯示、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、分頻器電路和振蕩器組成。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘，其一般構(gòu)成電路如圖1所示。2 設(shè)計原理及相關(guān)芯片介紹2.1 晶體振蕩器電路晶體振蕩器簡稱石英晶體或晶體，是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。2.1.1 工作原理及電路組成圖2所示為晶體振蕩器電路。該電路通過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(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻R1

8、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(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，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(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，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(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。晶體X1的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。C1、C2均為30pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。該電路由晶體與2個30pF電容、1個CD4060、一個10兆的電阻組成，芯片3腳輸出2Hz的方波信號。圖2晶體振蕩電路

9、2.1.2 二進(jìn)制計數(shù)器CD4060CD4060是14位二進(jìn)制串行計數(shù)器，其有三個特點：內(nèi)置振蕩器；全靜態(tài)操作；有14級計數(shù)器，10個輸出端，其內(nèi)部框圖和引腳分布如圖3、4所示。 圖3 CD4060內(nèi)部框圖圖4 CD4060引腳圖它有兩部分組成，一部分是14級分頻器信號；另一部分是振蕩器，由內(nèi)含兩個串接的反相器和外接電阻電容構(gòu)成，因此該集成電路可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。CD4060的工作電壓通常為4.5V18V。2.2 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(jìn)行分頻。2.2.1工作原理及構(gòu)成本實驗中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。

10、CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用相對更為方便。CD4060計數(shù)為14級2進(jìn)制計數(shù)器，可以將32768Hz的信號分頻為2Hz。其電路原理圖如圖5所示。圖5 分頻器電路2.2.2 2輸入與非門74HC00D74HC00D是一個2輸入與非門集成塊引腳圖見圖6。圖6 74HC00D引腳圖2.2.3 七段顯示譯碼/驅(qū)動器CD4511CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼七段碼譯碼器，特點：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。可直接驅(qū)動LED顯示器。引腳排列如圖7所示。

11、其中A,B,C,D為BCD碼輸入，A為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時，B1端應(yīng)加高電平。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。ag是7段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。另外，CD4511顯示數(shù)“6”時，a段消隱；顯示數(shù)“9”時，d段消隱，所以顯示6、9這兩個數(shù)時，字形不太美觀。所謂共陰LED數(shù)碼管是指7段LED的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時可使用300的限流電阻。圖7 CD4511引

12、腳圖CD4511的真值表如表1所示。CD4511有拒絕偽碼的特點，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱。表1 CD4511真值表2.3 時間計數(shù)電路時間計數(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(jìn)制計數(shù)器計數(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(jìn)制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。2.3.1 十進(jìn)制計數(shù)器74HC390時間計數(shù)電路一般采用10進(jìn)制計數(shù)器74HC390來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，該器件為雙2-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均提供一個異步清零端（高電平有效）。其內(nèi)部框圖及引腳圖見圖8、9。圖8 74HC3

13、90內(nèi)部框圖圖9 74HC390引腳圖2.3.2工作原理及電路組成秒個位計數(shù)單元為10進(jìn)制計數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將QA與CPB（下降沿有效）相連即可。CPA（下降沒效）與Hz輸入信號相連，Q3可作為向上的進(jìn)位信號與十位計數(shù)單元的CPA相連。秒十位計數(shù)單元為6進(jìn)制計數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計數(shù)器的電路連接方法如圖9所示，其中Q2可作為向上的進(jìn)位信號與分個位的計數(shù)單元的CPA相連。圖9 10進(jìn)制6進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)換電路分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的Q3作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的CPA相連，分十位計數(shù)單元

14、的Q2作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的CPA相連。時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)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(yīng)為12進(jìn)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(jìn)行12進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用1片74HC390實現(xiàn)12進(jìn)制計數(shù)功能的電路如圖10所示。圖10 12進(jìn)制計數(shù)器電路2.4 譯碼驅(qū)動及數(shù)字顯示電路 選擇74LS47作為顯示譯碼電路；選擇LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。由74LS47把輸進(jìn)來的二進(jìn)制信號翻譯成十進(jìn)制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來。這里的LED數(shù)碼管是采用共陽的方法連接的。計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計并以8421BCD碼的形式輸送到74LS47芯

15、片，再由74LS47芯片把BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。2.4.1 7段數(shù)碼管譯碼器74LS4774LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字，其引腳圖見圖11圖11 74LS47引腳圖74LS47的功能表如表2所示，其中A3A2A1A0=DCBA表2 74LS47功能表2.4.2 數(shù)字顯示電路數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中顯示電路可以由許多中小規(guī)模集成電路組成，所以可以分成許多獨立的電路。根據(jù)數(shù)字鐘顯示的需要有：（1）六進(jìn)制電路由74HC390、74HC00D、數(shù)碼管與74LS47組成。先由十進(jìn)制計數(shù)器74H

16、C390構(gòu)成六進(jìn)制計數(shù)器，再通過74LS47將輸入進(jìn)來的六進(jìn)制信號翻譯成十進(jìn)制數(shù)，輸送到數(shù)碼管顯示出來。電路如圖12。 圖12 六進(jìn)制電路圖（2）十進(jìn)制電路由74HC390、數(shù)碼管與74LS47組成，電路如圖13。圖13十進(jìn)制電路圖（3）六十進(jìn)制電路由兩個數(shù)碼管、兩74LS47、一個74HC390與一個74HC00D芯片組成。先由十進(jìn)制計數(shù)器74HC390構(gòu)成六十進(jìn)制計數(shù)器，再通過74LS47將輸入進(jìn)來的六十進(jìn)制信號翻譯成十進(jìn)制數(shù)，輸送到數(shù)碼管顯示出來。電路如圖14。 圖14六十進(jìn)制電路圖（4）雙六十進(jìn)制電路由2個六十進(jìn)制連接而成，把分個位的輸入信號與秒十位的Qc相連，使其產(chǎn)生進(jìn)位。2.5 校

17、正電路數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(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。即為用COMS與或非門實現(xiàn)的時或分校時電路，In1端與低位的進(jìn)位信號相連；In2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時個位計時輸入端相連。當(dāng)開關(guān)打向上時，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開關(guān)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時狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)打向下時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。實際使用時，因為電路開關(guān)存在抖動問題，所以一般會接一個RS觸發(fā)器構(gòu)成

18、開關(guān)消抖動電路，所以整個較時電路就如圖15。 圖15帶有消抖電路的校正電路2.6 整點報時電路實際應(yīng)用中，有的數(shù)字鐘帶有整點報時的功能，即電路在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，例如當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，發(fā)出報時電路報時控制信號。2.6.1 工作原理及電路組成當(dāng)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QC和QA,個位的QD和QA及秒計數(shù)器十位的QC和QA相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。報時電路可選74HC30來構(gòu)成，其電路圖見圖16。圖16整點報時電路2.6.2 8輸入與非門74HC30D74HC30D為8輸

19、入與非門，其引腳圖如圖17所示：圖17 74HC30D引腳圖3 總體電路設(shè)計本課題整個數(shù)字鐘由時間計數(shù)電路、晶體振蕩電路、校正電路、分頻器電路以及數(shù)字顯示電路組成。其中以校正電路代替時間計數(shù)電路中的時、分、秒之間的進(jìn)位，當(dāng)校時電路處于正常輸入信號時，時間計數(shù)電路正常計時，但當(dāng)分校正時，其不會產(chǎn)生向時進(jìn)位，而分與時的校位是分開的，而校正電路也是一個獨立的電路。電路的信號輸入由晶振電路產(chǎn)生，并輸入各電路。3.1 實驗設(shè)備及元器件+5V直流電源，雙擲開關(guān)2個，四連面包板1塊，共陽七段數(shù)碼管6個，網(wǎng)絡(luò)線2米/人，474LS47集成塊6塊，CD4060集成塊1塊，74HC390集成塊3塊，74HC51集

20、成塊1塊，74HC00集成塊2塊，74LS08集成塊1塊，10M電阻5個，300電阻6個，30p電容2個，32.768k時鐘晶體1個。（1）2路與或非門74HC5174HC51是一個2路與或非門，其內(nèi)部引腳圖如圖19所示：圖19 74HC51內(nèi)部引腳圖（2）4-2輸入與門74HC0874HC08是一個4-2輸入的與非門電路，其內(nèi)部引腳圖如圖20所示：圖20 74HC08內(nèi)部引腳圖（3）雙D觸發(fā)器74LS7474LS74內(nèi)含兩個獨立的D上升沿雙d觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（D）、置位輸入（）復(fù)位輸入（）、時鐘輸入（CP）和數(shù)據(jù)輸出（Q、）。、的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與其它輸入端的電平無關(guān)。當(dāng)、均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的D數(shù)據(jù)在CP上升沿作用下傳送到輸出端。如圖21所示為74LS74的內(nèi)部引腳圖。圖21 74LS74內(nèi)部引腳圖在原有的簡圖的基礎(chǔ)上，可畫出按實際芯片布局所形成的數(shù)字鐘設(shè)計原理圖，如圖22所示。 圖22 數(shù)字鐘設(shè)計原理圖總 結(jié)課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，電子技術(shù)在生活中可以說是無處不在。因此做為二十一世紀(jì)的大學(xué)生來說掌握電子技術(shù)是非常之重要?；仡櫞舜螖?shù)字鐘課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從得知選題到定稿