畢業(yè)設(shè)計：數(shù)字電子時鐘

1、摘要數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1Hz）進行計數(shù)的計數(shù)電路。振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當(dāng)計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器等幾部分組成。振蕩電路：主要用來產(chǎn)生時間標準信號，因為時鐘的精度主要取決于時間標準信號的頻率及穩(wěn)定度，所以采用石英晶體振蕩器。分頻器：因為振蕩器產(chǎn)生的標準信號頻率很高，要是要得到“秒”信號，需一定級數(shù)的分頻器進行分頻。計數(shù)器：有了“秒”信號，

2、則可以根據(jù)60秒為1分，24小時為1天的進制，分別設(shè)定“時”、“分”、“秒”的計數(shù)器，分別為60進制，60進制,24進制計數(shù)器，并輸出一分，一小時，一天的進位信號。譯碼顯示：將“時”“分”“秒”顯示出來。將計數(shù)器輸入狀態(tài)，輸入到譯碼器，產(chǎn)生驅(qū)動數(shù)碼顯示器信號，呈現(xiàn)出對應(yīng)的進位數(shù)字字型。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路可以對分和時進行校時。另外，計時過程要具有報時功能，當(dāng)時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。為了使數(shù)字鐘使用方便，在設(shè)計上使用了一個變壓器和一個整流橋來實現(xiàn)數(shù)字鐘電能的輸入，使得可以方便地直接插入220V的交流電就可

3、以正常地使用了。關(guān)鍵詞 數(shù)字時鐘 原理 校時 報時目 錄1 設(shè)計目的.42 設(shè)計任務(wù).42.1設(shè)計指標.42.2設(shè)計要求.43數(shù)字電子鐘的組成和工作原理.43.1數(shù)字鐘的構(gòu)成.43.2原理分析.43.3數(shù)字點鐘的基本邏輯功能框圖.54數(shù)字鐘的電路設(shè)計.54.1 電源電路的設(shè)計.54.2 秒信號發(fā)生器的設(shè)計.64.3時間計數(shù)電路的設(shè)計.94.4譯碼顯示電路.114.5正點報時電路的設(shè)計.134.6校時電路的設(shè)計.145數(shù)字電子鐘的整體電路.156電路的裝配與調(diào)試過程.156.1電路焊接.166.2調(diào)試過程.167體會.17致謝.18參考文獻.19附錄 元件清單.201設(shè)計目的1在學(xué)完了電子技術(shù)基

4、礎(chǔ)課程的基本理論，基本知識后，能夠綜合運用所學(xué)理論知識、拓寬知識面，系統(tǒng)地進行電子電路的工程實踐訓(xùn)練，鍛煉動手能力，培養(yǎng)基本技能，提高分析問題和解決問題的能力。2熟悉集成電路的引腳安排， 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法，了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。學(xué)會檢查電路的故障與排除故障的一般方法3學(xué)會檢查電路的故障與排除故障的一般方法，掌握虛擬設(shè)計，學(xué)會使用一種電路分析軟件（EWB或PSPICES）在計算機上進行電路設(shè)計與分析的方法。2設(shè)計任務(wù)2.1設(shè)計指標1時間計數(shù)電路采用24進制，從00開始到23后再回到00；2.各用2位數(shù)碼管顯示時、分、秒；3.具有手動校時、校分功能，可

5、以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；4.計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。5.為了保證計時的穩(wěn)定及準確，須由晶體振蕩器提供時間基準信號。2.2設(shè)計要求1.集中進行查找資料，請教指導(dǎo)老師，確定設(shè)計方案；2.根據(jù)選定方案確定實現(xiàn)設(shè)計要求的基本電路和擴展電路，畫出電路原理圖；3.選擇元器件及參數(shù)；4.進行電路的鏈接、調(diào)試、測試電路性能，整理撰寫設(shè)計整體的過程。3數(shù)字電子鐘的組成和工作原理31數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器、較時電路、報時電路等部分組成，這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的基本電路32原理分析數(shù)字鐘實際上是

6、一個對標準頻率（1Hz）進行計數(shù)的計數(shù)電路。振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、 3“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當(dāng)計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路可以對分和時進行校時。另外，計時過程要具有報時功能，當(dāng)時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。33數(shù)字點鐘的基本邏輯功能框圖圖1 數(shù)字鐘的基本邏輯框圖4數(shù)字鐘的電路設(shè)計下面將介紹設(shè)計電路具體方案。其中包括電源

7、電路的設(shè)計、秒信號發(fā)生器的設(shè)計、時間計數(shù)電路的設(shè)計、譯碼驅(qū)動顯示電路的設(shè)計、正點報時電路的設(shè)計、校時電路的設(shè)計幾個部分。41 電源電路的設(shè)計用一個變壓器把220V的家用交流電壓變?yōu)?V的小電壓。利用二極管單向?qū)ǖ脑?，用四個二極管構(gòu)成一個橋堆，對交流電進行半波整形，再經(jīng)過一個電容對其整形，變成供這個近似直流的電壓，但由于還有許多文波，再用一個W7805穩(wěn)壓管變成5V的穩(wěn)定直流電壓，供這個電路的使用。 如圖2。 4圖2電源電路42 秒信號發(fā)生器的設(shè)計通過查找資料，得到了兩個不同的秒信號發(fā)生器的設(shè)計方案。421方案一 555構(gòu)成的多諧振蕩器 如圖3電容C1放電時間為：t1=R2*C1*ln2,充

8、電時間為：t2=(R1+R2)*CI*ln2,則其振蕩頻率為f=1/(t1+t2)。選擇適當(dāng)?shù)腞1、R2、C1值可使f1HZ。圖3 555構(gòu)成的多諧振蕩器422方案二 晶體振蕩分頻電路石英晶體振蕩電路1采用頻率fs32768Hz的石英晶體。D1、D2是反相器，D1用于振蕩，D2用于緩沖整形。Rf為反饋電阻（10-100M），反饋電阻的作用是為CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。C1是頻率微調(diào)電容，改變C1可對振蕩器頻率作微量調(diào)整，C1一般取5-35pF。C2是溫度特性校正用的電容，一般取20-405pF，電容C1、C2與晶體共同構(gòu)成型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩器頻率的控制，并提供必要的180相移

9、。最后輸出fs=32768Hz圖4 石英晶體振蕩電路2多級分頻電路將32 768Hz脈沖信號輸入到CD4060（內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖44）組成的脈沖振蕩的14位二進制計數(shù)器，所以從最后一級Q14輸出的脈沖信號頻率為：32768/214 =32768/16384 = 2Hz 如圖6。再經(jīng)過二次分頻，得到1Hz的標準信號脈沖，即秒脈沖如圖7。圖5 CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖6 脈沖分頻電路圖7 秒信號原理圖423兩個方案的比較1采用555多諧振蕩器優(yōu)點：555內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。缺點：要精確輸出1Hz脈沖，對電容和電阻的數(shù)值精度要求很高，所

10、以輸出脈沖既不夠準確也不夠穩(wěn)定。2采用晶體振蕩分頻電路優(yōu)點：由石英晶體的阻抗頻率響應(yīng)可知，它的選頻特非常好，有一個極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs，且等效品質(zhì)因數(shù)Q很高。只有頻率為fs的信號最容易通過，且其他頻率的信號均會被晶體所衰減。3比較結(jié)果振蕩器是數(shù)字鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度。為了達到設(shè)計要求，獲取更高的計時精度，選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。 如圖8。圖8 晶體振蕩及分頻電路43時間計數(shù)電路的設(shè)計秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時輸出信

11、號，然后送至譯碼顯示電路，以便實現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇嫈?shù)器應(yīng)為六十進制，而“時”計數(shù)器應(yīng)為二十四進制。采用10進制計數(shù)器74LS90來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，其為雙 82-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均有異步清零端（高電平有效）。431“分”、“秒”六十進制計數(shù)器選用兩塊74SL290采用異步清零的方法完成60進制。以“秒”計數(shù)為例：計秒時，將秒個位計數(shù)單元的QA與B（下降沿有效）相連，將74SL290連接成10進制計數(shù)器，A（下降沿有效）與Z秒輸入信號相連，QD可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的A相連。秒十位計數(shù)單元為進制計數(shù)器，需要進制轉(zhuǎn)換。將進制計數(shù)器

12、轉(zhuǎn)換為（0110）進制計數(shù)器，當(dāng)十位計數(shù)器計到QD QC QB QA為0110時，同時對秒的個位和十位進行清0，另外QC可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的A相連。其具體連接圖如圖9A相連。其具體連接圖如圖9圖9 六十進制計數(shù)器432二十四進制計數(shù)器同樣可以選用兩塊74SL290采用異步清零的方法完成24進制計數(shù) 如圖10圖10二十四進制計數(shù)器44譯碼顯示電路譯碼顯示電路是將計數(shù)器輸出的8421 BCD碼譯成數(shù)碼管顯示所需要的高低電平，我們采用陰極七段數(shù)碼管，引腳如圖11。其則譯碼電路就應(yīng)選接與它配套的共陰極七段數(shù)碼驅(qū)動器。譯碼顯示電路可采用CD4511BC-7段譯碼驅(qū)動器，其芯片引腳如圖

13、12。譯碼器A、B、C、D與十進制計數(shù)器的四個輸出端相連接，a、b、c、d、e、f、g即為驅(qū)動七段數(shù)碼顯示器的信號。根據(jù)A、B、C、D所得的計數(shù)信號，數(shù)碼管顯示的相對應(yīng)的字型。其具體電路圖如圖13。圖11 陰極七段數(shù)碼管圖12 芯片CD4511BC-7段譯碼驅(qū)動器引腳圖13 譯碼顯示電路45正點報時電路的設(shè)計要求當(dāng)時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。即當(dāng)時間達到xx時59分50秒時蜂鳴器開始響第一次，并持續(xù)一秒鐘，然后停鳴一秒，這樣響五次。在59分50秒到59分59秒之間，只有秒的個位計數(shù)，分的十位QD QC QB QA輸出0101,個位QD QC QB QA 輸出1001，

14、秒的十位QD QC QB QA 輸出0101均不變，而秒的個位QA計數(shù)過程中輸出在0和1之間轉(zhuǎn)。所以可以利用與非門的相與功能，把分十位的QC 、QA ,分個位的QD、QA，秒十位的QC、QA 和秒個位的QA相“與非”作為控制信號控制與非門的開斷，從而控制蜂鳴器的響和停。如圖14。圖14 整點報時電路46校時電路的設(shè)計時鐘出現(xiàn)誤差時，需校準。校對時間總是在標準時間到來之前進行，分四個步驟：首先把小時計數(shù)器置到所需的數(shù)字；然后再將分計數(shù)器置到所需數(shù)字；在此同時或之后，將秒計數(shù)器在零時停計數(shù)，處于等待啟動；當(dāng)選定的標準時刻到達的瞬間，按起動按鈕，電路則從所預(yù)置時間開始計數(shù)。由此可知，校時電路應(yīng)具有預(yù)

15、置小時，預(yù)置分、等待啟動、計時四個階段，因此，我們設(shè)計的校時電路，方便、可靠地實現(xiàn)這四個階段所要求的功能。如圖15。圖15數(shù)字電子鐘的計數(shù)校正電路6電路的裝配與調(diào)試過程61電路焊接焊接時要主要布線和焊點的合理分布，盡量做到美觀。實際焊接過程中，要保證焊筆不要碰到已經(jīng)焊好的線，否則焊好的線很容易脫落。每焊接完一部分電路，就立即進行調(diào)試，測試無誤后方可進心下一階段的焊接。插拔集成芯片時用力要均勻，避免芯片管腳在插拔中變彎、折斷62調(diào)試過程實際調(diào)試中出現(xiàn)了不少問題，如顯示不正常，秒計時中滿六十后不進位等等。仔細檢測后發(fā)現(xiàn)主要是電路的一些接線有錯以及輸出脈沖不行。下面是我們的通電源逐級調(diào)試，逐級排除故

16、障錯誤的調(diào)試調(diào)試過程：1.用萬用表測量電壓源是否穩(wěn)定輸出5V電壓。2.用萬用表在CD4060的3腳測輸出電壓，如果讀數(shù)有規(guī)律地跳動，且周期為近似為0.5s，則正常。同樣，用萬用表測分頻電路的輸出信號為1s，則正常。3.檢查各級計數(shù)器的工作情況。將“秒”信號直接接入計數(shù)器的CPA端，檢查“秒”計數(shù)器和“秒”譯碼驅(qū)動器和顯示器的工作是否正常，計數(shù)器是否為六十進制、是否能正常進位。以同樣的方法檢查“分”“時”計數(shù)器是否計數(shù)正常。4.校時電路經(jīng)分析可以工作但電路工作時校時電路的功能始終不能滿足校時要求。5.整機不能進行工作，但將那塊顯示電路板接數(shù)字電子實驗箱的5V電源和脈沖發(fā)現(xiàn)電路能記數(shù)并可以進位，制

17、作的電源和脈沖能正常工作，實驗不成功。71.心得體會回顧起此次電路課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，在一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，都因為所學(xué)過的知識理解掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。致 謝通過這次課程設(shè)計我學(xué)到了很多東西，尤其是做好一件事實在是不容易，特別是在準備不足的情況下，更是難上加難。幸運地是在課程設(shè)計過程中我得到了廣大老師和同學(xué)的幫助，特別是得到李亞楠