設(shè)計(jì)制作電子時(shí)鐘

1、 設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易數(shù)字鐘一、設(shè)計(jì)要求1、 設(shè)計(jì)一振蕩源，用于產(chǎn)生1Hz的脈沖信號(hào)；2、 能完成從00時(shí)00分00秒到23時(shí)59分59秒走時(shí)，并實(shí)時(shí)顯示時(shí)、分、秒；3、 具有手動(dòng)校時(shí)、校分、校秒功能。發(fā)揮部分：具有正點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。要求在59分58秒開(kāi)始報(bào)時(shí)，持續(xù)5秒鐘。二、總體設(shè)計(jì)方案1、方案選擇 數(shù)字鐘實(shí)際上是由一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路為主要部分構(gòu)成的。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)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路來(lái)構(gòu)成數(shù)字鐘 的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。數(shù)字鐘的組成框圖如下圖所示。數(shù)字

2、鐘計(jì)時(shí)周期是 24，因此必須設(shè)置 24 計(jì)數(shù)器，秒、分、時(shí)由七段數(shù)碼管顯示。為使數(shù)字鐘走時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，校時(shí)電路是必不可少的。 設(shè)計(jì)中采用狀態(tài)機(jī)控制校時(shí)，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)用秒脈沖或手動(dòng)按鍵產(chǎn)生脈沖先后對(duì)“時(shí)” “分” “秒”計(jì)數(shù)器進(jìn)行校時(shí)操作。 2、數(shù)字鐘的構(gòu)成 （1）數(shù)字鐘的構(gòu)成：振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管顯示器等幾部分。附加功能的實(shí)現(xiàn)還需采用T觸發(fā)器及與門(mén)和或門(mén)及蜂鳴器組成報(bào)時(shí)電路。（2）數(shù)字鐘的時(shí)、分、秒實(shí)際上就是由一個(gè) 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器（00-23） ，兩個(gè) 60 進(jìn)制計(jì)數(shù) 器（00-59）級(jí)聯(lián)構(gòu)成。設(shè)計(jì)數(shù)字鐘實(shí)際上就是計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)。 （3）芯片選型：由于24進(jìn)制、60進(jìn)制計(jì)

3、數(shù)器均由集成計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，且都包含有基本的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，從設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便考慮，芯片選擇十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74LS390。 3、元器件列表：型號(hào) 74LS00、74LS04、74LS08、74LS21、74LS32、74LS47、74LS74、74LS86、74LS390、CD4068、CD4060、CD4511。晶體管8050、510歐姆電阻、LED、輕觸開(kāi)關(guān)、自鎖開(kāi)關(guān)、蜂鳴器、10p電容、晶振32768、10M電阻。三、系統(tǒng)工作原理1、主計(jì)數(shù)部分原理圖 圖1主計(jì)數(shù)部分原理圖如圖所示，用兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS390組成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分別用于對(duì)分、秒和時(shí)的計(jì)數(shù)。60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和24進(jìn)

4、制計(jì)數(shù)器均采用反饋清零法，當(dāng)計(jì)數(shù)值到60或24時(shí)，其清零端CR=1，對(duì)計(jì)數(shù)值清零。圖中U11、U13、U15、U17A、U17B、Ui組成校時(shí)選通電路，用于選擇校時(shí)位。當(dāng)校時(shí)控制信號(hào)C1C2C3=111時(shí)，從分計(jì)數(shù)器來(lái)的溢出脈沖正常通過(guò)U13與門(mén)、U15異或門(mén)和U11非門(mén)，且相位與原進(jìn)位溢出信號(hào)相同。當(dāng)C1C2C3=011時(shí)，與門(mén)Ui輸出為零，U17A和U17B通過(guò)校時(shí)信號(hào)送至U15，因C1=0，故U13輸出一直為零，將分溢出進(jìn)位屏蔽，時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào)為接入的校時(shí)信號(hào)。后兩級(jí)選通電路因C2C3=11，計(jì)數(shù)脈沖為正常時(shí)的脈沖信號(hào)（分計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自秒溢出信號(hào)，秒計(jì)數(shù)脈沖為1Hz信號(hào)。同理可知當(dāng)C1C2C3

5、=101和C1C2C3=110時(shí)，可實(shí)現(xiàn)校分及校秒功能。通過(guò)切換自鎖開(kāi)關(guān)還可選擇校時(shí)信號(hào)來(lái)源，可為1Hz信號(hào)和手動(dòng)按鍵產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。校時(shí)控制信號(hào)和脈沖產(chǎn)生信號(hào)由下面的電路產(chǎn)生。2、信號(hào)產(chǎn)生電路及控制信號(hào)產(chǎn)生電路 圖2 控制信號(hào)和校時(shí)信號(hào)產(chǎn)生電路 本校時(shí)電路采用狀態(tài)機(jī)校時(shí)方案，目地是只需通過(guò)一個(gè)按鍵便實(shí)現(xiàn)校時(shí)位選擇功能。狀態(tài)機(jī)由RS觸發(fā)器74LS74、74LS04和74LS21組成，它的四個(gè)狀態(tài)分別為111、011、101、110，狀態(tài)機(jī)輸出接至上述主計(jì)數(shù)電路的C1C1C3輸入端。由上面的敘述知，這四個(gè)狀態(tài)即可對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行不校時(shí)、校時(shí)、校分和校秒操作。狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)改變由按鍵SS2實(shí)現(xiàn)，按鍵之后，

6、狀態(tài)機(jī)的輸出便在四個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。按鍵S2用于對(duì)狀態(tài)機(jī)的復(fù)位，按鍵S2后狀態(tài)機(jī)的輸出為111。它的實(shí)用意義在于，當(dāng)校時(shí)或校分而不需校其他位時(shí)，可直接按鍵S2，否則將通過(guò)按鍵SS2來(lái)使?fàn)顟B(tài)機(jī)回到111狀態(tài)，這勢(shì)必會(huì)對(duì)其他位的數(shù)值產(chǎn)生影響。而設(shè)置復(fù)位按鍵后則不存在上述影響。 狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如下：CP RESET當(dāng)前狀態(tài)（C1C2C3）下一狀態(tài)（C1C2C3） 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 x 0 x x x 1 1 1 按鍵SS1的作用是產(chǎn)生手動(dòng)校時(shí)信號(hào)，用于手動(dòng)校時(shí)。 圖3 秒脈沖及1024Hz信號(hào)產(chǎn)生電路 電路

7、采用32768Hz晶振，經(jīng)CD4060分頻后輸出2Hz信號(hào)，再由74LS74組成的D觸發(fā)器對(duì)2Hz信號(hào)分頻產(chǎn)生所需的1Hz秒脈沖信號(hào)。從CD4060的5腳輸出的1024Hz信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路中的蜂鳴器。 3、顯示部分顯示部分由圖1中的BCD譯碼電路和下圖中的數(shù)碼管組成。由于所買(mǎi)器件的限制，譯碼器的時(shí)和分譯碼采用CD4511，秒譯碼采用74LS47。對(duì)應(yīng)的，數(shù)碼管使用四個(gè)共陰數(shù)碼管和兩個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管。譯碼器的輸出接510歐姆限流電阻至數(shù)碼管。對(duì)于小時(shí)的顯示，當(dāng)數(shù)值不足10時(shí)，由于兩個(gè)與門(mén)的輸出為零，可將高位不需顯示的0滅掉。 圖4 顯示部分4、 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路原理：采用T觸發(fā)器。在

8、此之前U13C輸出低電平，當(dāng)計(jì)數(shù)至59分58秒時(shí)，U13C輸出一高電平，對(duì)應(yīng)的，US9的CLK輸入端有一上升沿，從而觸發(fā)器輸出反轉(zhuǎn)為高電平，打開(kāi)UiB與門(mén)，蜂鳴器在1Hz和1024Hz信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，有規(guī)律地鳴響。當(dāng)計(jì)數(shù)為00分03秒時(shí)，U13C輸出一高電平，CLK再次出現(xiàn)一上升沿，輸出反轉(zhuǎn)為低電平，蜂鳴器關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)5秒報(bào)時(shí)功能。其中自鎖開(kāi)關(guān)SQ可控制蜂鳴器的開(kāi)關(guān)，在不希望整點(diǎn)報(bào)時(shí)時(shí)關(guān)閉報(bào)時(shí)功能。由于74芯片輸出為高點(diǎn)平時(shí)的拉電流很小，不能直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，故還需加入一晶體管8050對(duì)輸出擴(kuò)流。 圖5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 四、制板及元件的安裝調(diào)試 由于元件多，而且大多是芯片，加之?dāng)?shù)碼管的布線(xiàn)困難

9、，在第一次PCB布板失敗后，我將原理圖分為了三個(gè)部分主計(jì)數(shù)部分、校時(shí)控制和信號(hào)產(chǎn)生部分及顯示部分。由于連線(xiàn)復(fù)雜，制作前兩個(gè)部分時(shí)PCB采用了雙面板。 制板后，焊接元件，由于元件多，而且過(guò)孔也多，焊接之后初次調(diào)試不成功，連基本的計(jì)數(shù)功能都不能實(shí)現(xiàn)。我又用了幾乎一天的時(shí)間來(lái)差錯(cuò)，共查出在頂層的三處漏焊。用導(dǎo)線(xiàn)連接后，可以正常計(jì)數(shù)顯示和報(bào)時(shí)。 原理圖設(shè)計(jì)失誤：繪制原理圖時(shí)誤將74LS390的清零認(rèn)為是低電平有效，從而導(dǎo)致對(duì)結(jié)果的手動(dòng)清零功能未能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)按下主計(jì)數(shù)部分左側(cè)的按鍵時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能成為100進(jìn)制計(jì)數(shù)器。從理論上的改進(jìn)如下圖，平時(shí)鍵S1未按下，與非門(mén)U0A輸出為正常的清零信號(hào)，當(dāng)按下S1時(shí)，不論U10C輸出為什么，U0A輸出均為高電平，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)清零。 圖6 計(jì)數(shù)器的手動(dòng)清零改進(jìn)電路 五、心得體會(huì) 此時(shí)鐘電路的原理圖設(shè)計(jì)完全由自己完成，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到的問(wèn)題都順利解決了。比如校時(shí)信號(hào)的選通電路和狀態(tài)機(jī)的輸出接入主計(jì)數(shù)器