多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)及制作

1、 目 錄摘 要11數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及方案選擇11.1振蕩器的選擇11.2計(jì)數(shù)單元的構(gòu)成及選擇11.3譯碼顯示單元的構(gòu)成選擇11.4校時單元電路設(shè)計(jì)及選擇12 數(shù)字鐘單元電路的設(shè)計(jì)12.1振蕩器電路設(shè)計(jì)12.2時間計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)12.2.1集成異步計(jì)數(shù)器74LS39012.2.2 用74LS390構(gòu)成秒和分計(jì)數(shù)器電路12.2.3用74LS390構(gòu)成時計(jì)數(shù)器電路12.2.4 時間計(jì)數(shù)單元總電路12.3譯碼顯示單元電路設(shè)計(jì)12.4 校時單元電路設(shè)計(jì)1 2.5整點(diǎn)報(bào)時單元電路設(shè)計(jì).13 數(shù)字鐘的實(shí)現(xiàn)電路及其工作原理14電路的搭建與調(diào)試15結(jié)束語1參考文獻(xiàn)1附錄1：1摘 要數(shù)字鐘被廣泛用于個人家庭及公共場

2、所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵贰ＶT如定時自動報(bào)警、按時自動打鈴、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關(guān)烘箱、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，有著非常現(xiàn)實(shí)的意。數(shù)字電子鐘，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序電路。數(shù)字電子鐘有以下幾部分組成：振蕩器，分頻器，60進(jìn)制的秒、分計(jì)時器和12進(jìn)制計(jì)時計(jì)數(shù)器，秒、分、時的譯碼顯示部分及校正電路等。關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘 555多諧振蕩器 計(jì)數(shù)器 74LS390 74LS48數(shù)字電子時鐘的設(shè)計(jì)及制作1數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及方案選擇 數(shù)字鐘實(shí)際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率(1HZ)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路

3、。主要由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器顯示器和校時電路組成。振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準(zhǔn)，通常使用石英晶體震蕩器，然后經(jīng)過分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，或者由555構(gòu)成的多諧振蕩器來直接產(chǎn)生1HZ的脈沖信號。秒計(jì)數(shù)器滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器滿60后向小時計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時計(jì)數(shù)器按照“12翻1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。由于計(jì)數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間一致，故需要在電路上加一個校時電路，當(dāng)計(jì)時出現(xiàn)誤差時，可以用校時電路校時、校分。如圖 1-1所示為數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖。圖1-1數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖方案一：首先構(gòu)成一個NE555定時器產(chǎn)生震蕩周期

4、為0.5秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，在加一個74ls74分頻電路。由74LS390采用清零法分別組成六十進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器、六十進(jìn)制分計(jì)數(shù)器、十二進(jìn)制時計(jì)數(shù)器。使用74ls74d的輸出作為秒記數(shù)器的CP脈沖，把秒記數(shù)器地進(jìn)位輸出作為分記數(shù)器地CP脈沖，分記數(shù)器的進(jìn)位輸出作為時記數(shù)器的CP脈沖。使用74LS48為驅(qū)動器，共陰極數(shù)碼管作為顯示器,再以基本RS鎖存器構(gòu)成校時電路。方案二：首先構(gòu)成一個由石英晶體振蕩器和由CD4060構(gòu)成的分頻器構(gòu)成的產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，由CD4518采用清零法分別組成六十進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器、六十進(jìn)制分計(jì)數(shù)器、十二進(jìn)制時計(jì)數(shù)器。使用由石英晶體振蕩器和由CD4060構(gòu)成的分頻器構(gòu)

5、成的產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，把秒計(jì)數(shù)器地進(jìn)位輸出作為分計(jì)數(shù)器的CP脈沖，分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為時計(jì)數(shù)器的CP脈沖。使用CD4511為驅(qū)動器，共陰極數(shù)碼管作為顯示器。本次設(shè)計(jì)中我選用方案一進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.1振蕩器的選擇方案一：采用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。其具有極高的頻率穩(wěn)定性主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件但成本相對較高。 方案二：采用555多諧振蕩器。555多諧振蕩器只需簡單的電阻器、電容器即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣可由幾微秒至幾小時之久。其操作電源范圍廣可與TTL、CMOS等邏輯電路配合，它的計(jì)時精確

6、度高、溫度穩(wěn)定度佳且成本較低。 綜上所述分析故選方案二555多諧振蕩器做數(shù)字鐘的核心。1.2計(jì)數(shù)單元的構(gòu)成及選擇時間計(jì)數(shù)電路由秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器及時個位和時十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時個位和時十位計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)單元可選擇異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS390，異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90，雙時鐘同步加減計(jì)數(shù)器74LS192都可以很容易構(gòu)成十進(jìn)制，十二進(jìn)制，二十四進(jìn)制，六十進(jìn)制分頻器。方案一：采用CMOS電路。CMOS電路是一種低功耗器件。雖功耗低但是當(dāng)電流過大時會燒毀芯片并且COMS電路的速

7、度慢傳輸延遲時間長(25-50ns)。 方案二:采用TTL電路。TTL電路是電流控制器件TTL電路的速度快傳輸延遲時間短(5-10ns)能到達(dá)很好的精度。 通過以上兩種方案的比較故選方案二。在設(shè)計(jì)中我選擇74LS390。1.3譯碼顯示單元的構(gòu)成選擇譯碼驅(qū)動電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。顯示電路的組成主要是數(shù)碼管，數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管組成，行成一個日字形，它門可以共陰極，也可以共陽極，本設(shè)計(jì)中為共陰極七段顯示LED數(shù)碼管?？刹捎?4LS47，74LS48,CD4511等集成電路將BCD碼譯成段碼發(fā)送給7段發(fā)光二極管數(shù)碼

8、管，當(dāng)然要選擇相配的共陰極或共陽極譯碼驅(qū)動器。方案一：使用CD4511和LG5011AH。方案二：選擇74LS48和TLG342。在這個電路中我選擇了74LS48+數(shù)碼顯示管。1.4校時單元電路設(shè)計(jì)及選擇 當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進(jìn)行校正，所以數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能。對校時電路的要求是：在小時校正時不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計(jì)數(shù)。手動產(chǎn)生單次脈沖作校時脈沖，即每撥動校時開關(guān)一個來回，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，多次撥動開關(guān)就可以進(jìn)行準(zhǔn)確校時。在設(shè)計(jì)中我選用基本SR鎖存器進(jìn)行設(shè)計(jì)校時電路，因?yàn)樵谛r時可能會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象使結(jié)果不準(zhǔn)確，基本SR鎖存器既簡單方

9、便又可以消除這個現(xiàn)象。2 數(shù)字鐘單元電路的設(shè)計(jì) 2.1振蕩器電路設(shè)計(jì) 多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳）和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓UC為低電平，小于（1/3）VCC，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平

10、，輸出UO為高電平，放電管VT截止。這時，電源經(jīng)R1，R2對電容C充電，使電壓UC按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)UC上升到（2/3）VCC時，輸出UO為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把UC從（1/3）VCC上升到（2/3）VCC這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān) 。時間常數(shù)T=0.7（R12R2）C。不難理解，接通電源后，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。其原理圖如圖2-1：圖2-1 用555定時器組成振蕩器的電路2.2時間計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)時間計(jì)數(shù)單元由時計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個部分組成。時計(jì)數(shù)單元為12數(shù)器計(jì)數(shù)，其輸出為兩位8421BCD碼形

11、式，分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。本實(shí)驗(yàn)采取了用兩塊74LS390芯片進(jìn)行級聯(lián)來產(chǎn)生60進(jìn)制和12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。2.2.1集成異步計(jì)數(shù)器74LS39074LS390是雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，具有雙時鐘輸入，并具有下降沿觸發(fā)、異步清零、二進(jìn)制、五進(jìn)制、十進(jìn)制計(jì)數(shù)等功能。如圖2-2為74LS390引腳圖，表2.1為74LS390的功能表。圖2-2 74LS390引腳圖表2-2 74LS390功能表（1）異步清零：CR為高電平時直接清0，與CP信號無關(guān)（即異步清零）。 （2）二進(jìn)制計(jì)數(shù)器：CP接ACP端，為下降沿觸發(fā)，0Q有相應(yīng)的狀態(tài)變化（0  

12、1）。 （3）五進(jìn)制計(jì)數(shù)器：CP接BCP端，為下降沿觸發(fā)，3Q2Q1Q三個輸出端有相應(yīng)的狀態(tài)變化（000 100）。 （4）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：將0Q直接與BCP相連接，由ACP作輸入脈沖可構(gòu)成8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。2.2.2 用74LS390構(gòu)成秒和分計(jì)數(shù)器電路秒個位計(jì)數(shù)單元為10計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將QA與INB相連即可。INA與1HZ秒輸入信號相連，Q3可作為進(jìn)位信號與十位計(jì)數(shù)單元的INA相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法為：將Q1 ，Q2和一個與門相連接，與門輸出到MR即可實(shí)現(xiàn)異步清0

13、實(shí)現(xiàn)6進(jìn)制。Q2可作為進(jìn)位信號與分個位的計(jì)數(shù)單元的CKA相連，如圖2-3所示。圖2-3 秒和分計(jì)數(shù)器的連接電路圖分個位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，也是分個位計(jì)數(shù)單元的Q3作為進(jìn)位信號與分十位計(jì)數(shù)單元的CKA相連，分十位計(jì)數(shù)單元的Q2作為進(jìn)位信號應(yīng)與時個位計(jì)數(shù)單元的CKB相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換，將10進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器。2.2.3用74LS390構(gòu)成時計(jì)數(shù)器電路時計(jì)數(shù)單元的個位和十位分別為2進(jìn)制和3進(jìn)制計(jì)數(shù)。個位的輸入脈沖為分十位的Q2，將QA接至CKB，十位的輸入為個位的Q1，CKB不需要輸入信號，再將十位的QO與個位的Q1

14、與一個與門連接，將輸出接至個位與十位的MR即可構(gòu)成異步清零實(shí)現(xiàn)12進(jìn)制計(jì)數(shù)。如圖2-4為時計(jì)數(shù)器的電路圖： 圖2-4 時計(jì)數(shù)器連接電路圖2.2.4 時間計(jì)數(shù)單元總電路如圖2-5所示電路為數(shù)字鐘的時間計(jì)數(shù)單元電路連接：圖2-5 數(shù)字鐘的時間計(jì)數(shù)單元電路連接圖2.3譯碼顯示單元電路設(shè)計(jì) 時分秒計(jì)時器輸出8421BCD碼之后，直接輸給自帶譯碼功能的DCD_HEX BLUE數(shù)碼管這個譯碼顯示電路相當(dāng)于由共陰極譯碼器74LS48和七段數(shù)碼管LED組成。2.4 校時單元電路設(shè)計(jì)2.4 校時單元電路設(shè)計(jì) 當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進(jìn)行校正，所以數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能。對校時電路的要求

15、是：在小時校正時不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計(jì)數(shù)，所以，必須要有兩個控制開關(guān)分別控制分個位和十個位的脈沖信號。在校時時，應(yīng)截?cái)喾謧€位或者時個位的直接計(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。 圖2-10為?！皶r”、?！胺帧彪娐?。其中Key =B為?！胺帧庇玫目刂崎_關(guān)，Key = A為?！皶r”用的控制開關(guān)。圖2-10 校時電路2.5整點(diǎn)報(bào)時單元電路設(shè)計(jì)電路在整點(diǎn)10前開始報(bào)時，即在59分50秒到59分59秒之間報(bào)時電路工作。在此期間分十位分個位，秒個位是不變的而且都是高電平，所以采用與電路相連接之后輸出高電平給蜂鳴器。3 數(shù)字鐘的實(shí)現(xiàn)電路及其工作

16、原理數(shù)字鐘的完整電路圖如圖3-1所示：數(shù)字鐘的工作原理：首先要將開關(guān)SW4打向下邊電路才會開始工作，給秒個位的INA端輸入一個標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號（此信號即為555脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號）。（1）Key = A,Key = B開關(guān)都打向上邊時，數(shù)字鐘開始計(jì)數(shù)，其中，秒、分為60進(jìn)制計(jì)數(shù)，時為12進(jìn)制計(jì)數(shù)。（2）Key =A打向上邊，Key = B打向下邊時，可以進(jìn)行校分功能：手動產(chǎn)生脈沖作校時脈沖.（3）Key = A打向下邊，Key = B打向上邊時，可以進(jìn)行校時功能，其方法與校分的方法相同。圖3-1 數(shù)字鐘原理圖4電路的搭建與調(diào)試安裝與調(diào)試步驟：按照所示的數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖，先將秒個位、秒

17、十位、分個位、分十位、時個位、時十位分級在面包板上搭好，在經(jīng)過調(diào)試沒有出現(xiàn)問題后再將它們一一逐級級聯(lián)，級聯(lián)后再進(jìn)行整體計(jì)時電路的調(diào)試，若此電路能夠進(jìn)行正常計(jì)數(shù)，那么一個完整的計(jì)時電路就出來了。最后分別進(jìn)行秒脈沖發(fā)生器及校時電路的安裝，經(jīng)調(diào)試沒有出現(xiàn)問題，再將它們與計(jì)時電路連接。最后進(jìn)行整體電路的調(diào)試。在搭建電路的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示的狀況，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是由于接地出現(xiàn)問題由于是共陰極數(shù)碼管故不會工作，其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良。在測試校準(zhǔn)電路時撥動兩次脈沖開關(guān)，計(jì)數(shù)器并能準(zhǔn)確加1，因?yàn)橛没綬S觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)防抖動功能。圖4-1為實(shí)物圖：5結(jié)束語經(jīng)過多日的努力，終于將本次課程設(shè)計(jì)

18、做完了，在本次課程設(shè)計(jì)過程中，我增強(qiáng)了自己的動手能力和分析能力。通過跟老師和同學(xué)的交流，也通過自己的努力，我按時完成了這次課程設(shè)計(jì)。在此過程中，我學(xué)會了很多，也看到了很多自己的不足之處。在以后的學(xué)習(xí)生活中，我會努力學(xué)習(xí)專業(yè)知識，完善自我，為將來的發(fā)展做好充分的準(zhǔn)備。 這次課程設(shè)計(jì)使我受益匪淺，學(xué)到了很多書本上所沒有的東西，懂得了理論和實(shí)際聯(lián)系的重要性。在以后的學(xué)習(xí)中，我不僅要把理論知識掌握牢固，更要提高自己的動手能力和分析能力通過本次課程設(shè)計(jì)。這期間我遇到了很多的困難，發(fā)現(xiàn)了很多的問題，正是在解決問題的期間我才慢慢地熟悉了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)知識，才慢慢學(xué)會了如何去按照給定的要求設(shè)計(jì)出合適的電路。本次課程設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用電子技術(shù)基礎(chǔ)所學(xué)到的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識來設(shè)計(jì)一個符合要求的數(shù)字鐘，本次設(shè)計(jì)不僅要求我們要掌握數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)知識，還要求我們對數(shù)字鐘的各個組成部分的原理，包括振蕩器的原理、