數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)論文

1、1 緒論1.1 意義及背景20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)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(lái)越快。數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無(wú)機(jī)械裝置，具有更更長(zhǎng)的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。因此，我們此次設(shè)計(jì)數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會(huì)制作數(shù)字鐘。而且通過(guò)數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及

2、實(shí)用方法。且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時(shí)敘電路。通過(guò)它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法。1.2 課題研究?jī)?nèi)容及要求本系統(tǒng)主要是基于555定時(shí)器電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)，并完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。主要內(nèi)容包括顯示電路設(shè)計(jì)、振蕩電路設(shè)計(jì)、分頻器電路設(shè)計(jì)、計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)、校時(shí)電路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。具體內(nèi)容如下：（1）振蕩電路設(shè)計(jì)。振蕩器是數(shù)字電子時(shí)鐘的核心部分，本實(shí)驗(yàn)中采用555集成芯片與RC構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)；（2）分頻器電路設(shè)計(jì)。振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，我們采用三片74LS90集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻；（3）計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)的“秒”、“分”采用六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，“時(shí)”采用二十四進(jìn)

3、制計(jì)數(shù)器；（4）顯示器電路設(shè)計(jì)。顯示采用八個(gè)數(shù)碼管分別對(duì)“秒”、“分”、“時(shí)”進(jìn)行顯示； （5）校時(shí)電路設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了對(duì)“分”、“時(shí)”校正電路，使走時(shí)更加準(zhǔn)確； （6）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，完成時(shí)間顯示，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性和有效性。課題研究設(shè)計(jì)要求：（1）完成實(shí)驗(yàn)硬件電路設(shè)計(jì)；（2）能夠準(zhǔn)確顯示時(shí)、分、秒；（3）能夠?qū)r(shí)、分校準(zhǔn)；（4）系統(tǒng)調(diào)試完成無(wú)誤；2 系統(tǒng)概述 數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)必須做

4、到準(zhǔn)確穩(wěn)定。 實(shí)驗(yàn)中的數(shù)字電子鐘使用555集成芯片構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生計(jì)時(shí)脈沖信號(hào)，通過(guò)分頻器（74LS90集成芯片）使脈沖信號(hào)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)即產(chǎn)生頻率為1HZ的信號(hào)。秒、分、時(shí)分別為60、60和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。秒、分均為六十進(jìn)制，即顯示0059，它們的個(gè)位為十進(jìn)制，十位為六進(jìn)制。分秒功能的實(shí)現(xiàn)是用兩片74LS161組成60進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器。時(shí)為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，顯示為0023， 當(dāng)十進(jìn)位計(jì)到2，而個(gè)位計(jì)到4時(shí)清零，就為二十四進(jìn)制。時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)也是用兩片74LS161組成24進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器。對(duì)計(jì)數(shù)信號(hào)采用74LS48集成芯片實(shí)現(xiàn)譯碼，使用6個(gè)共陰極七段數(shù)碼管顯示時(shí)，分，秒的計(jì)數(shù)。通過(guò)組合邏輯

5、電路對(duì)時(shí)鐘的“分”，“時(shí)”進(jìn)行校時(shí)，為避免校時(shí)中機(jī)械開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的抖動(dòng)，所以在校時(shí)電路中加入RS鎖存器，開(kāi)關(guān)每按壓一次，輸出信號(hào)改變一次。 時(shí)鐘電路框圖如圖2.1 圖 2.1 時(shí)鐘電路框圖3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 555振蕩器電路設(shè)計(jì) 振蕩器是數(shù)字電子時(shí)鐘的核心部分，其作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率的脈沖信號(hào)，信號(hào)振蕩頻率的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)中采用555集成芯片與RC構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)如圖3.1，信號(hào)從“3”腳輸出，。調(diào)節(jié)Rp可以改變脈沖信號(hào)的頻率。一般來(lái)說(shuō)，振蕩頻率越高，產(chǎn)生信號(hào)的精確度越高，但是，同時(shí)振蕩頻率增大耗電量也會(huì)增加。試驗(yàn)中，微調(diào)Rp使信號(hào)的輸出頻率為1kHZ。（若

6、要對(duì)精確度具有更高要求的時(shí)候，可以采用石英晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)）圖 3.1 555振蕩器3.2 分頻器電路設(shè)計(jì) 由于振蕩器產(chǎn)生的頻率很高（f=1kHZ），要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)，需要分頻電路。本實(shí)驗(yàn)由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生1KHz的脈沖信號(hào)。因此，可以采用三片74LS90集成芯片（二五十分頻器）來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻。計(jì)數(shù)脈沖從輸入，若為輸出時(shí)實(shí)現(xiàn)二分頻；當(dāng)與相連，作為輸出端時(shí)，電路實(shí)現(xiàn)十分頻。三片74LS90均采用十分頻連接，從而得到需要的1HZ標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。電路如圖3.2。圖 3.2 分頻器 3.3 計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)6級(jí)計(jì)數(shù)器，分別得到“秒”個(gè)位、十位，

7、“分”個(gè)位、十位以及“時(shí)”個(gè)位、十位的計(jì)時(shí)?！懊搿薄胺帧庇?jì)數(shù)器為六十進(jìn)制計(jì)數(shù)，“時(shí)”為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)。（1）六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器由分頻器來(lái)的脈沖信號(hào)，首先送到“秒”計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加，秒計(jì)數(shù)器應(yīng)完成一分鐘之內(nèi)的秒數(shù)目的累加，并達(dá)到60秒時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向分鐘的進(jìn)位信號(hào)。因此，可以選用兩片74LS161集成芯片組成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其中，“秒”個(gè)位為十進(jìn)制，“秒”十位為六進(jìn)制。電路如圖3.3。 圖 3.3六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器由圖可知CR（MR）接高電平，秒信號(hào)脈沖從CLK端輸入進(jìn)行十進(jìn)制記數(shù)，滿十輸出進(jìn)位信號(hào)，即中的=1010時(shí)計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)輸出進(jìn)位信號(hào)，此信號(hào)用于控制秒十位計(jì)數(shù)器的記數(shù)。秒十位計(jì)數(shù)器為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，

8、Q1、Q2的輸出端通過(guò)與非門輸出構(gòu)成清零復(fù)位信號(hào)給CR（MR）端，當(dāng)中的=0110時(shí)計(jì)數(shù)器清零，從而構(gòu)成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，同時(shí)輸出向“分”計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)。分計(jì)數(shù)器的組成電路與秒計(jì)數(shù)器的組成電路完全相同。不過(guò)進(jìn)入CP的脈沖信號(hào)為秒十位進(jìn)位信號(hào)輸入的信號(hào)。（2）二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器數(shù)字電子鐘采用24小時(shí)制計(jì)時(shí)法，因此在“時(shí)”計(jì)數(shù)上采取二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。由“分”十位進(jìn)位的脈沖信號(hào)，首先送到“時(shí)”個(gè)位計(jì)數(shù)器，“時(shí)”個(gè)位計(jì)數(shù)器由74LS161集成芯片構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)信號(hào)滿10向十位進(jìn)位，“時(shí)”十位也是用74LS161芯片構(gòu)成三進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 電路如圖3.4 圖3.4二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器由圖可知，來(lái)自“分”十位的

9、進(jìn)位信號(hào)進(jìn)入“時(shí)”個(gè)位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器滿10清零，即當(dāng)計(jì)數(shù)器的=1010時(shí)，同時(shí)向“時(shí)”十位計(jì)數(shù)器送入脈沖信號(hào)。當(dāng)中的=0100且中的=0010時(shí)，計(jì)數(shù)器，同時(shí)清零，即完成24進(jìn)制計(jì)數(shù)。 3.4 顯示電路設(shè)計(jì) 譯碼是把給定的代碼進(jìn)行翻譯, 將時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器輸出的四位二進(jìn)制代碼翻譯為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù), 并通過(guò)LED 顯示器顯示, 通常LED 顯示器與譯碼器是配套使用的。實(shí)驗(yàn)中選用的七段譯碼驅(qū)動(dòng)器(74LS48集成芯片) 和數(shù)碼管采用共陰極接法。電路如圖3.5 圖3.5 顯示電路 3.5 校時(shí)電路設(shè)計(jì) （1）通常情況下，時(shí)鐘開(kāi)始計(jì)時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間不同，時(shí)鐘采用輸入脈沖信號(hào)給“時(shí)”，“分”校正，電路如圖3

10、.6 圖3.6校時(shí)電路 由圖3.6可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)S向A閉合（自動(dòng)閉合）時(shí)，時(shí)鐘正常計(jì)數(shù)，當(dāng)開(kāi)關(guān)向B閉合即手動(dòng)閉合時(shí)，每按壓一次輸出一個(gè)脈沖，即計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)增加1。在按壓按開(kāi)關(guān)鍵時(shí)，由于機(jī)械開(kāi)關(guān)的接觸抖動(dòng)，往往在幾十毫秒內(nèi)電壓會(huì)出現(xiàn)多次抖動(dòng)，相當(dāng)于連續(xù)出現(xiàn)了幾個(gè)脈沖信號(hào)。顯然，用這樣的開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的信號(hào)直接作為電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可能導(dǎo)致電路產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作，這些情況下是不允許的。為了消除開(kāi)關(guān)的接觸抖動(dòng)，因此在機(jī)械開(kāi)關(guān)與被驅(qū)動(dòng)電路間接接入一個(gè)基本RS觸發(fā)器。當(dāng)S為0， R1（即開(kāi)關(guān)向B閉合時(shí)），可得出CPl， 0。當(dāng)按壓按鍵時(shí)，開(kāi)關(guān)向A閉合，S1，R0，可得出 CP0，1，改變了輸出信號(hào)的狀態(tài)。若由于機(jī)械開(kāi)關(guān)的接

11、觸抖動(dòng)，則R的狀態(tài)會(huì)在0和1之間變化多次，若 Rl，由于A0，因此G2（A）門仍然是“有低出高”，不會(huì)影響輸出的狀態(tài)。同理，當(dāng)松開(kāi)按鍵時(shí)， S端出現(xiàn)的接觸抖動(dòng)亦不會(huì)影響輸出的狀態(tài)。因此，圖3.6所示的電路，開(kāi)關(guān)每按壓一次，輸出信號(hào)CP僅發(fā)生一次變化。這樣就可以對(duì)時(shí)鐘的“時(shí)”，“分”進(jìn)行手動(dòng)校正。（2）為使時(shí)鐘具有更加準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)，可采用等待校時(shí)對(duì)”秒“進(jìn)行校正。如圖3.7， 當(dāng)開(kāi)關(guān)SW3閉合時(shí)，時(shí)鐘正常計(jì)數(shù)；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，時(shí)鐘可以進(jìn)行對(duì)“秒”的校正，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與時(shí)鐘顯示的時(shí)間相同時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)SW3，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)“秒”的校正。圖3.7 秒調(diào)時(shí)4 系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1 系統(tǒng)綜述

12、電路通電后，由于計(jì)數(shù)器和譯碼器驅(qū)動(dòng)電路的狀態(tài)不同，數(shù)字電子鐘的顯示時(shí)間要通過(guò)校時(shí)電路來(lái)調(diào)整。 555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生的f=1Hz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)經(jīng)過(guò)三個(gè)74LS90二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)分頻后，從第三個(gè)74LS90的腳輸出f=1Hz的秒方波信號(hào)，它既是秒計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，同時(shí)又作為時(shí)、分校正電路的校正信號(hào)（對(duì)分，時(shí)的校正也可以手動(dòng)輸入信號(hào)）。 秒脈沖信號(hào)送入秒計(jì)數(shù)器的個(gè)位進(jìn)行計(jì)數(shù)，秒計(jì)數(shù)器個(gè)位從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，到9后輸出進(jìn)位信號(hào)，秒十位計(jì)數(shù)器加1，如此循環(huán)下去，當(dāng)秒十位計(jì)數(shù)到6時(shí) ，向分計(jì)數(shù)器送出進(jìn)位信號(hào)，從而完成秒六十進(jìn)制計(jì)數(shù)；分六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作原理與秒計(jì)數(shù)器完全相同；時(shí)計(jì)數(shù)器的個(gè)位在分計(jì)數(shù)

13、器輸入的進(jìn)位信號(hào)作用下進(jìn)行09的計(jì)數(shù)，到9后再接受到分進(jìn)位信號(hào)，時(shí)個(gè)位輸出1，輸出計(jì)數(shù)脈沖使時(shí)十位的計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)時(shí)十位和時(shí)個(gè)位顯示23點(diǎn)時(shí)，再有分進(jìn)位信號(hào)脈沖輸入時(shí)清零，顯示為00點(diǎn)。時(shí)鐘顯示最大計(jì)數(shù)為23:59:59。各計(jì)數(shù)器的輸出端輸出的BCD碼，分別送入相應(yīng)的74LS48譯碼驅(qū)動(dòng)集成電路譯碼，輸出到LED共陽(yáng)極數(shù)碼管進(jìn)行時(shí)間的顯示。4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4.1、圖4.2、圖4.3展示的是仿真照片,從照片上可以看到顯示的“時(shí)”、“分”、“秒”、充分驗(yàn)證了本系統(tǒng)的功能精確、真實(shí)，可行。圖4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總 結(jié)利用中小規(guī)模的集成電路設(shè)計(jì)了一臺(tái)數(shù)字電子鐘。該

14、數(shù)字電子鐘具有顯示當(dāng)前時(shí)、分、秒的時(shí)間、校時(shí)等功能。在該系統(tǒng)中集成計(jì)數(shù)器是關(guān)鍵部件，由它構(gòu)成了60進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器、60進(jìn)制分計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器，并用譯碼器，LED七段數(shù)碼顯示器顯示這三個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出。在校時(shí)電路中，秒校時(shí)電路和分、時(shí)校時(shí)電路分別采用等待校時(shí)和輸入脈沖校時(shí)來(lái)校對(duì)當(dāng)前的顯示時(shí)間。在試驗(yàn)中，一般采用555構(gòu)成多諧振蕩器，或使用石英晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，一般認(rèn)為，振蕩頻率越高則精度越高，但是頻率升高也會(huì)增加耗電量，所以在本實(shí)驗(yàn)中選用555多諧振蕩器產(chǎn)生1KHZ的方波脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)分頻后降為1HZ的信號(hào)輸入到秒計(jì)數(shù)器，電路開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，有一定的示數(shù)顯示，整個(gè)電路并非從零開(kāi)始計(jì)數(shù)。這對(duì)

15、于數(shù)字電子鐘的應(yīng)用沒(méi)有影響，因?yàn)殡娮隅姳旧砭托枰獣r(shí)鐘校正電路。通過(guò)校正電路對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校正，使之與當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相吻合。在使用機(jī)械開(kāi)關(guān)對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行較正時(shí)，時(shí)常會(huì)在電路中發(fā)生抖動(dòng)，對(duì)此可以加入RS鎖存器避免抖動(dòng)產(chǎn)生的影響，用此方法可以對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行手動(dòng)輸入信號(hào)校正。也可以直接將校正信號(hào)接至1HZ的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)校正，若要加速校正電路，也可以將校正信號(hào)接至5HZ信號(hào)輸出端，即第三片74LS90芯片的端，這樣也可以避免部分在按壓機(jī)械開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)。參考文獻(xiàn)1彭介華 主編.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).高教出版社出版.第一版.2002.2康華光 主編.電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社出版.第四版.1999.3胡宴如 主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社.2004.附錄系統(tǒng)總原理圖附錄 元器件清單序號(hào)名稱型號(hào)參數(shù)數(shù)量備注1555計(jì)時(shí)器NE55512二五十分頻計(jì)數(shù)器74LS9033二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器74LS16164BCD七段譯碼器74LS4865數(shù)碼顯示管74EG-DIGITAL662輸入端四與非門74LS003使用10個(gè)電路72輸入端四與門74LS081使用1個(gè)電路8六反相器74LS041使用2個(gè)電路9電阻10WATT1K610電容AUDI01U211機(jī)械開(kāi)關(guān)SW-SPDT312導(dǎo)線導(dǎo)線