數(shù)字時鐘設(shè)計(jì)(完全數(shù)字電路)

1、數(shù)字時鐘設(shè)計(jì)姓 名 學(xué) 號 專業(yè) 電子信息技術(shù) 指導(dǎo)教師 成 績 日期 基于555的數(shù)字時鐘顯示摘 要：數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時、分、秒 計(jì)時的裝置，與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更更長的使用壽命，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，通過555定時器改裝的多諧震蕩器發(fā)出的脈沖頻率具有一定的準(zhǔn)確性。在這次設(shè)計(jì)中對分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器進(jìn)行研究編譯，并完成了各種器件的編譯工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。有準(zhǔn)確計(jì)時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間和校時功能。秒和校時功能都有一個共同特點(diǎn)就是它們都要用到振蕩電路提供的1Hz脈沖信號。在計(jì)時出

2、現(xiàn)誤差時電路還可以進(jìn)行校時和校分，為了使電路簡單所設(shè)計(jì)的電路不具備校秒的功能。并且要用數(shù)碼管顯示時、分、秒，各位均為兩位顯示。1 引言隨著科技的快速發(fā)展，數(shù)字電子鐘在實(shí)際生活中的應(yīng)用越來越廣泛，小到普通的電子表，大到航天器等高科技電子產(chǎn)品中的計(jì)時設(shè)備。數(shù)字鐘是一個將“時”，“分”,“秒”顯示于人的視覺器官的計(jì)時裝置。它的計(jì)時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒，另外應(yīng)有整點(diǎn)報時附加功能。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(jì)數(shù)器、報時電路和振蕩器組成。作為電子技術(shù)的一名學(xué)生掌握并能夠獨(dú)立自主設(shè)計(jì)一個數(shù)字電子鐘是必要和必須的，既可以加深對課本上理論知識的理

3、解又能鍛煉自己的思考和解決問題的能力。于是，經(jīng)過查閱許多相關(guān)書籍和瀏覽許多網(wǎng)絡(luò)未找到目錄項(xiàng)。資源，我做了這款簡單數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)。2 方案論證2.1 原理設(shè)計(jì)和功能描述 數(shù)字計(jì)時器的設(shè)計(jì)思想要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)選擇一個脈沖源能自動地產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖信號。而脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號地頻率較高，因此，需要進(jìn)行分頻，使得高頻脈沖信號變成適合于計(jì)時的低頻脈沖信號，即“秒脈沖信號”（頻率為1Hz）。經(jīng)過分頻器輸出的秒脈沖信號到計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于計(jì)時的規(guī)律是：60秒=1分，60分=1小時，24小時=1天，就需要分別設(shè)計(jì)60進(jìn)制，12進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并發(fā)出驅(qū)動信號。各計(jì)數(shù)器輸出信號經(jīng)譯碼器、驅(qū)動器到數(shù)字

4、顯示器，是“時”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示出來。 數(shù)字電子鐘總體框架圖圖1框架圖2.2 單元電路的設(shè)計(jì)2.2.1 振蕩電路 數(shù)字電路中的時鐘是由振蕩器產(chǎn)生的，振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計(jì)時的準(zhǔn)確程度，一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時精度越高。方案一: 石英晶振因?yàn)橄氲揭巩a(chǎn)生的脈沖較穩(wěn)定，我們首先想到了使用石英晶振電路，即采用37267Hz晶體震蕩器，電路圖如圖2：圖2 石英晶振工作原理：由晶體振蕩器產(chǎn)生37268Hz的1KHz的脈沖經(jīng)集成塊CD4060分頻后變?yōu)?0Hz脈沖，再經(jīng)74LS160計(jì)數(shù)器分頻得到了所需要的1Hz穩(wěn)定脈沖。方案二： 555定時器其

5、中R2=8 k, R1=1K C1=68uF,C4=0.01uF,振蕩電路由555構(gòu)成的自激多諧振蕩器直接產(chǎn)生 1000Hz時鐘脈沖頻率。圖3 555定時器方案選擇：剛開始的時候覺得用石英晶振比較準(zhǔn)確，希望設(shè)計(jì)更好，雖然使用石英晶振產(chǎn)生頻率穩(wěn)定，但是電路圖很復(fù)雜，而且37268晶體振蕩器中阻值要求10MHz以上，還需要分頻電路。而555定時器是我們數(shù)字電路基礎(chǔ)中剛學(xué)的，對它的用法也很熟悉，并且可以由555構(gòu)成自激多諧振蕩器通過調(diào)節(jié)電阻直接產(chǎn)生1000Hz的脈沖，然后經(jīng)過分頻器得到1HZ的秒脈沖，經(jīng)過自己的慎重考慮，最終選用555，舍棄了之前的晶振方案。2.2.2 計(jì)數(shù)電路數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路是用兩

6、個六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路和一個十二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)可以用反饋清零法。當(dāng)計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)時，反饋門不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來時，反饋信號將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計(jì)數(shù)。以六十進(jìn)制為例，當(dāng)計(jì)數(shù)器從00，01，02，59計(jì)數(shù)時，反饋門不起作用，只有當(dāng)?shù)?0個秒脈沖到來時，反饋信號隨即將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)模為60的循環(huán)計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)部分我們同樣采用了兩種方案，分別是使用74ls160和74ls90，74LS191,74LS74.以下是對兩種芯片連接成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和12進(jìn)制計(jì)數(shù)器的介紹。方案一： 數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路是用兩個六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路和一個十二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)的，但是考慮到對

7、74LS90比較熟悉，覺得用兩個74LS90來分別控制秒和分的十位和個位。個位采用十進(jìn)制，十位采用六進(jìn)制就能完美解決六十進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)。然后再用74ls191和74ls74來分別控制時的個位和十位。圖4 90十進(jìn)制計(jì)數(shù)器方案二： 采用74LS160分別連成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖5 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖6 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)部分方案選擇：因?yàn)閷?4ls90用法很熟悉，但是其最大是十進(jìn)制，所以我們通過把時分秒的十位和個位分開來分別計(jì)數(shù)。想法很有新意，雖然比其他的電路多了芯片，但是原理很簡單。所以就選用74LS90和74ls191，74ls74來作為計(jì)數(shù)器。2.2.3 譯碼與顯示電路 圖7譯碼是

8、編碼的相反過程，譯碼器是將輸入的二進(jìn)制代碼翻譯成相應(yīng)的輸出信號以表示編碼時所賦予原意的電路。常用的集成譯碼器有二進(jìn)制譯碼器、74ls48制譯碼器和BCD7段譯碼器、顯示模塊用來顯示計(jì)時模塊輸出的結(jié)果。a.譯碼器CD4511譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進(jìn)行“翻譯”，變成相應(yīng)的狀態(tài)，使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)字分配，存儲器尋址和組合控制信。圖8譯碼器b.顯示器在此電路圖中所用的顯示器是共陰極形式，陰極必須接地。圖9顯示器2.2.4校時電路數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截

9、斷分個位和時個位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。用與或非門實(shí)現(xiàn)的時或分校時電路，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1HZ信號；輸出端則與分或時個位計(jì)時輸入端相連。當(dāng)開關(guān)不動時，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(jì)時狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)按下時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。圖103 電路原理圖，PCB圖和實(shí)物調(diào)試3.1電路部分仿真圖圖113.2電路原理圖圖123.3電路PCB圖圖133.4實(shí)物調(diào)試圖14圖153.5設(shè)計(jì)總結(jié)本數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)是由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器所組成。但本設(shè)計(jì)電路的缺點(diǎn)是：沒有整點(diǎn)報時電路，即據(jù)該方

10、案進(jìn)行生產(chǎn)得到的產(chǎn)品并無報時功能。該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是：采用北京時間計(jì)時，直接將時間以數(shù)字形式表現(xiàn)出來、精確度較高、走時穩(wěn)定、使用方便。本設(shè)計(jì)采用有集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器組成，由它得到高頻信號；再將此信號傳至由3片中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器74LS90相串聯(lián)得到的分頻器中，從而得到我們計(jì)時所需要的秒信號（頻率為1Hz的秒信號）；之后再將該信號傳至計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響數(shù)字表的準(zhǔn)確，且計(jì)數(shù)器部分是我們電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，計(jì)數(shù)器包括兩部分，即12進(jìn)制計(jì)數(shù)和60進(jìn)制計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)12進(jìn)制計(jì)數(shù)采用74LS191和74LS74共同來實(shí)現(xiàn)，60進(jìn)制采用兩片74LS90分別控制個位

11、和十位來實(shí)現(xiàn)；經(jīng)過準(zhǔn)確計(jì)數(shù)后，再將信號傳至譯碼器，由于我對74LS48的用法非常熟悉，所以就選用它作譯碼器來進(jìn)行對來自計(jì)數(shù)器信號的譯碼；最后將時間以數(shù)字形式體現(xiàn)在顯示器上，顯示器由七段發(fā)光二極管采用共陰極接法組成。4 結(jié)論通過這次對數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計(jì)，我覺著最大的收獲就是增強(qiáng)了自己獨(dú)立收集資料的能力，鍛煉了自己獨(dú)立思考、獨(dú)立解決問題的能力。雖然我們至此已經(jīng)完成了電子技術(shù)課程（模電部分和數(shù)電部分）的學(xué)習(xí)，但在本次課設(shè)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中仍然遇到了很多未曾想到的問題。實(shí)際操作是我們的目的，而理論知識是我們實(shí)際操作的基礎(chǔ)，這使我更加體會到了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，同時也增加了自己解決實(shí)際問題的能力，對獨(dú)立設(shè)計(jì)電路的過程、對各個分塊電路的工作原理和功能的實(shí)現(xiàn)過程都有了更加清楚的了解