物理系電子信息工程1304班多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)

1、呂梁學(xué)院物理系2013級(jí)電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告實(shí)驗(yàn)課題：多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì) 系 別：物理系 專業(yè)班級(jí)：電子信息工程1304班 小組成員： 組 長(zhǎng)：韓麗雙 學(xué)號(hào)：20130506409 組 員：郭 寧 學(xué)號(hào)：20130506407 韓國(guó)棟 學(xué)號(hào)：20130506408摘 要多功能數(shù)字鐘采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置。具有時(shí)間顯示、鬧鐘設(shè)置、報(bào)時(shí)功能、校正作用。走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、精度、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。電路裝置十分小巧,安裝使用也方便。同時(shí)在日期中，它以其小巧，價(jià)格低廉，走時(shí)精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受廣大消費(fèi)的喜愛。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括

2、了組合邏輯電路和時(shí)序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來(lái)越強(qiáng)，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。從有利于學(xué)習(xí)的角度考慮，這里主要介紹以中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的方法。經(jīng)過(guò)了數(shù)字電路設(shè)計(jì)這門課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，特別經(jīng)過(guò)了關(guān)于組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路部分的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)具備了設(shè)計(jì)小規(guī)模集成電路的能力，借由本次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，充分將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中去。本次課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘，基本要求為數(shù)字鐘的時(shí)間周期為24小時(shí)，數(shù)字鐘顯示時(shí)、分、秒，數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn)一秒對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)生活中的時(shí)鐘的一秒。供擴(kuò)展的方面涉及到定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、定時(shí)廣播、定時(shí)啟閉路燈等。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非常現(xiàn)

3、實(shí)的意義。關(guān)鍵字： 晶體振蕩器，分頻器，計(jì)數(shù)器，顯示器和校時(shí)電路。目 錄1. 引言12. 設(shè)計(jì)要求及目的13 主體電路的設(shè)計(jì)73.1 數(shù)字鐘的構(gòu)成 73.2 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖83.2.1 振蕩器的設(shè)計(jì)83.3 8421碼制,5421碼制93.4 分頻器的具體工作原理103.3.1.2 校時(shí)電路的設(shè)計(jì)134. 功能擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)154.1 定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì)154.2 仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)164.3 報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì)174.4 觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì)195 電路仿真調(diào)試205.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法205.1.1 面包板和芯片的測(cè)試205.1.2 時(shí)間

4、計(jì)數(shù)電路的連接與測(cè)試205.1.3 校正電路206參考文獻(xiàn)207. 附錄211. 引言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)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪校罕夭豢缮俚谋匦杵罚瑥V泛用于個(gè)人家庭以及車站、碼頭、劇場(chǎng)、辦公室等公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)帶來(lái)極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、集成電路有體積小、功耗小、功能多、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多電子設(shè)備中被廣泛使

5、用。電子鐘是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫挠?jì)時(shí)工具，而數(shù)字式電子鐘又有其體積小、重量輕、走時(shí)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗電量少等優(yōu)點(diǎn)而在生活中被廣泛應(yīng)用，因此本次設(shè)計(jì)就用數(shù)字集成電路和一些簡(jiǎn)單的邏輯門電路來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式電子鐘，使其完成時(shí)間及星期的顯示功能。本次設(shè)計(jì)以數(shù)字電子為主，分別對(duì)1S時(shí)鐘信號(hào)源、秒計(jì)時(shí)顯示、分計(jì)時(shí)顯示、小時(shí)計(jì)時(shí)顯示、整點(diǎn)報(bào)時(shí)及校時(shí)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后將它們組合，來(lái)完成時(shí)、分、秒的顯示并且有整點(diǎn)報(bào)時(shí)和走時(shí)校準(zhǔn)的功能。并通過(guò)本次設(shè)計(jì)加深對(duì)數(shù)字電子技術(shù)的理解以及更熟練使用計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器和各種邏輯門電路的能力。電路主要使用集成計(jì)數(shù)器、譯碼集成電路、LED數(shù)碼管及各種門電路和基本的觸發(fā)器等，電路使用5

6、號(hào)電池共電，很適合在日常生活中使用。由于本人能力有限，在設(shè)計(jì)中難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤與不足，希望老師給予批評(píng)并提出寶貴意見。在高度發(fā)達(dá)信息化的21世紀(jì)，人們總是那么忙碌.時(shí)間對(duì)我們來(lái)說(shuō)總是那么寶貴，在我們的日常工作、學(xué)習(xí)、生活中，時(shí)間概念愈加顯得重要。生活工作中班車要準(zhǔn)點(diǎn)，上班要準(zhǔn)時(shí)，開會(huì)要有時(shí)間限制；工業(yè)生產(chǎn)中，每一道工序都要有嚴(yán)格的時(shí)間限制，這樣才能做到井井有條；嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目萍佳芯恐?，時(shí)間更是重中之重。能夠準(zhǔn)確的了解并且實(shí)時(shí)性的知道時(shí)間，是我們學(xué)習(xí)、工作、生活中不可或缺的。機(jī)械式鐘表雖然也可以告知人們時(shí)間，也可以定時(shí)，顯示日歷。但是由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力和體積的限制，在功能、性能以及造價(jià)上都沒(méi)辦法與電

7、子時(shí)鐘相比。電子鐘是采用電子電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、分、秒進(jìn)行數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置，廣泛應(yīng)用于個(gè)人家庭，室外廣場(chǎng)，汽車站和火車站等公共場(chǎng)所，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?. 設(shè)計(jì)要求及目的一、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基于可編程器件（FPGA）或MC8051內(nèi)核，設(shè)計(jì)并調(diào)試完成一個(gè)多功能數(shù)字時(shí)鐘。1. 基本要求。能夠以數(shù)字方式顯示時(shí)間（時(shí)/分/秒），具有鬧鐘設(shè)置、快速校時(shí)功能。2. 提高要求。在完成基本要求的基礎(chǔ)上，并并根據(jù)能力、時(shí)間、實(shí)驗(yàn)室條件有選擇地實(shí)現(xiàn)以下功能或自主發(fā)揮：（1） 音樂(lè)鬧鐘、語(yǔ)音報(bào)時(shí)。（2） 語(yǔ)音提示。（3） 萬(wàn)年歷。（4） 可選擇12/24小時(shí)制。二、 項(xiàng)目背景多功能數(shù)字時(shí)鐘是數(shù)字邏輯電路經(jīng)常選

8、擇的一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在可編程器件（FPGA）或者M(jìn)C8051內(nèi)核上實(shí)現(xiàn)，既可以作為可編程器件的入門訓(xùn)練，又可以熟悉MC8051內(nèi)核的使用方法，在設(shè)計(jì)上又具有很大的靈活性，可以增添許多用中小規(guī)模集成電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，使實(shí)驗(yàn)具有很大的自主發(fā)揮空間。三、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握和鞏固數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論、掌握數(shù)字電子技術(shù)的基本實(shí)驗(yàn)技能。2. 了解和掌握數(shù)字電子技術(shù)新技術(shù)的最新發(fā)展，了解和掌握新型電子器件和EDA工具的使用。3. 學(xué)習(xí)利用EDA軟件進(jìn)行可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、仿真和下載調(diào)試的全過(guò)程，熟練掌握可編程器件的開發(fā)過(guò)程及常見的調(diào)試手段。4. 對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的綜合運(yùn)用練習(xí)，使他們的實(shí)踐能力，特

9、別是綜合知識(shí)的運(yùn)用能力和處理實(shí)際工程問(wèn)題的能力得到很好的鍛煉和提高。四、 實(shí)驗(yàn)要求1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求，設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的功能。2. 構(gòu)思各項(xiàng)功能的操作和顯示方式。3. 設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各功能模塊的實(shí)現(xiàn)方案，根據(jù)功能要求進(jìn)行系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)。4. 分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化。5. 下載調(diào)試、測(cè)試。6. 撰寫設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告（實(shí)驗(yàn)報(bào)告）。五、 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況可以選擇Xilinx公司的Spartan-3E，Virtex-5系列等可編程邏輯器件模塊或?qū)嶒?yàn)箱，建議可編程邏輯器件的邏輯門數(shù)量大于10萬(wàn)門；配備LED或LCD數(shù)碼管顯示器、相應(yīng)的顯示驅(qū)動(dòng)電路、按鍵或微動(dòng)開關(guān)、蜂鳴器或喇叭等其

10、他發(fā)聲設(shè)備。2. 知識(shí)準(zhǔn)備。本實(shí)驗(yàn)的對(duì)象是完成或正在進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)及相關(guān)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生。學(xué)生應(yīng)初步了解可編程邏輯器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和實(shí)現(xiàn)流程，了解系統(tǒng)頂層采用的圖形輸入方式和功能模塊設(shè)計(jì)采用的VHDL、Verilog等硬件描述語(yǔ)言；具備一定的系統(tǒng)調(diào)試能力。3. 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)學(xué)生采用自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，先進(jìn)性頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制定系統(tǒng)中各模塊的功能和接口參數(shù)；然后對(duì)系統(tǒng)的各模塊逐一設(shè)計(jì)、調(diào)試；最后系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，下載測(cè)試?？砂凑找韵虏襟E學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)和調(diào)試；（1）EDA編程工具與開發(fā)環(huán)境的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)VHDL或Verilog語(yǔ)言描述和原理圖描述的方法；學(xué)習(xí)EDA工

11、具軟件（Xilinx ISE）的設(shè)計(jì)、仿真和下載等方面功能的使用方法。（2）數(shù)字鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中得基本要求和提高要求，設(shè)計(jì)規(guī)劃數(shù)字鐘需要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，初步構(gòu)思各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)方法、操作和顯示方式；進(jìn)行系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，決定構(gòu)成系統(tǒng)的各功能模塊、各模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能、各模塊間的接口與協(xié)調(diào)配合；分配可編程器件I/O端子的功能。（3）計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)與調(diào)試。設(shè)計(jì)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器（秒脈沖發(fā)生電路）、秒/分/時(shí)計(jì)時(shí)電路、日/月/年電路（需要時(shí)）。設(shè)計(jì)中需要考慮調(diào)試時(shí)的時(shí)間效率和調(diào)試方法。需要預(yù)留中間電路測(cè)試端子。調(diào)試秒脈沖的準(zhǔn)確性時(shí)可使用頻率計(jì)；調(diào)試秒/分/時(shí)、日/月/年電路的計(jì)時(shí)功能時(shí)，課提高秒脈沖

12、電路的頻率，并用邏輯分析儀觀察信號(hào)波形。（4）校時(shí)電路設(shè)計(jì)。構(gòu)思快速校時(shí)的方式和按鍵設(shè)置，根據(jù)校時(shí)過(guò)程中得操作和顯示步驟設(shè)計(jì)校時(shí)電路；在可編程器件外配置數(shù)碼顯示器和校時(shí)按鍵，并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。（5）鬧鐘電路設(shè)計(jì)。構(gòu)思鬧鐘時(shí)間的設(shè)置方式（可借用校時(shí)電路）和鬧鐘觸發(fā)方式，設(shè)計(jì)鬧鐘觸發(fā)電路。（6）報(bào)時(shí)和鬧鐘電路設(shè)計(jì)。構(gòu)思報(bào)時(shí)和鬧鐘的聲、光指示方式，設(shè)計(jì)音頻信號(hào)發(fā)生器，在可編程器件外配置聲光元件，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。（7）數(shù)字鐘系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。在保證上述個(gè)部分單元電路各項(xiàng)功能都能獨(dú)立完成（仿真或部分電路下載測(cè)試）的前提下，進(jìn)行系統(tǒng)連接，下載測(cè)試。（8）各部分單元電路都需要經(jīng)歷原理構(gòu)思、編程設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、電路連接和

13、下載調(diào)試的過(guò)程。六、 實(shí)驗(yàn)方案1. 數(shù)碼管顯示原理。動(dòng)態(tài)掃描形式的數(shù)碼管構(gòu)造見1.2.8節(jié)描述，如圖1所示。 圖1 數(shù)碼管構(gòu)造如果只是顯示單個(gè)數(shù)字，它的使用與普通靜態(tài)數(shù)碼管相同，只需將相應(yīng)DIS_COM端加上低電平即可。如需同時(shí)顯示多個(gè)數(shù)字，則與普通數(shù)碼管不同，它要采用分時(shí)掃描顯示方式，即利用眼睛有視覺殘留的特點(diǎn)，在各數(shù)碼管上分時(shí)顯示各自需要顯示的內(nèi)容，然后循環(huán)顯示。從圖1可知，數(shù)碼管對(duì)應(yīng)段的陰極都是并聯(lián)的控制顯示的內(nèi)容；每個(gè)數(shù)碼管有一個(gè)控制端DIS_COM，或者叫選通端，分時(shí)顯示時(shí)控制在DIS_COM1DIS_COM8八個(gè)數(shù)碼管中哪一個(gè)顯示。因此要使數(shù)碼管顯示數(shù)字的條件是選通相應(yīng)的數(shù)碼管，同

14、時(shí)把段碼送到對(duì)應(yīng)的引腳上就可以了。例如要在第一個(gè)數(shù)碼管上顯示數(shù)字8，這時(shí)要選通DIS_COM1，即令DIS_COM1為低電平，同時(shí)把段碼00000001送到數(shù)碼管的陰極就可以了。又例如要顯示80，這時(shí)要分兩步：第一要選通DIS_COM1，同時(shí)送段碼00000001；第二要選通DIS_COM2，同時(shí)送段碼00000011。然后反復(fù)進(jìn)行第一、二步，這樣的話，就會(huì)感覺到80是同時(shí)顯示的了。2. 頻率信號(hào)產(chǎn)生。數(shù)字鐘內(nèi)所需的時(shí)鐘頻率有基準(zhǔn)時(shí)鐘和報(bào)時(shí)頻率?；鶞?zhǔn)時(shí)鐘應(yīng)由晶振（4M或2048Hz）分頻產(chǎn)生周期為1s的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（即秒脈沖），。報(bào)時(shí)頻率可選用1KHz和2KHz左右（兩種頻率相差八度音，即頻率相差

15、一倍）。另外，為防止按鍵操作時(shí)的抖動(dòng)，輸入電路可以采用延時(shí)消除抖動(dòng)。3. 計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)思路。若用FPGA實(shí)現(xiàn)，分、秒計(jì)數(shù)器均為模60計(jì)數(shù)器，用硬件描述語(yǔ)言建一個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的模塊，小時(shí)計(jì)數(shù)為模24計(jì)數(shù)器，同理可建一個(gè)十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的模塊。若用嵌入式MC8051內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，可直接運(yùn)用51軟核的內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0或T1，通過(guò)編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)構(gòu)成時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊。也可以用FPGA或者8051內(nèi)核通過(guò)I2C總線的方式來(lái)控制實(shí)驗(yàn)底板上的低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563T，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷的讀取和修改操作。PCF8653T具體說(shuō)明請(qǐng)參看1.3.11節(jié)介紹。4. 校時(shí)功能。數(shù)字鐘校時(shí)可以

16、有多種方式：（1） 分別設(shè)置三組按鍵，分別調(diào)整時(shí)/分/秒；每一組有“+”、“-”按鍵。（2） 設(shè)置一個(gè)切換鍵，用一組“+”、“-”按鍵分別設(shè)置“時(shí)/分/秒”。（3） 為了實(shí)現(xiàn)快速校時(shí)，若較長(zhǎng)時(shí)間按下“+”、“-”按鍵，則可以快速翻滾數(shù)字；此時(shí)也可以只保留一個(gè)“+”或“-”鍵。5. 顯示模塊。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)平臺(tái)上的數(shù)碼管沒(méi)有經(jīng)過(guò)譯碼，要寫一個(gè)七段譯碼的模塊且應(yīng)考慮數(shù)碼管為共陽(yáng)極動(dòng)態(tài)掃描方式，數(shù)碼管上的小數(shù)點(diǎn)應(yīng)注意關(guān)閉。6. I2C總線模塊。I2C協(xié)議支持任何種類的IC（NMOS、CMOS、雙極性）通過(guò)兩線（串行數(shù)據(jù)SDA 、串行時(shí)鐘SCL） 在連接到總線的任意器件間傳遞信息，每一個(gè)IC均可由唯一的地址

17、識(shí)別，在本設(shè)計(jì)中，溫度芯片(LM75A)和時(shí)鐘芯片(PCF8563)均掛載在I2C總線上。七、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本次多功能數(shù)字時(shí)鐘基本功能設(shè)計(jì)大致可以參照以下構(gòu)建框圖，如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)基本構(gòu)造框圖 也可以采用通過(guò)FPGA或者8051內(nèi)核來(lái)控制實(shí)驗(yàn)底板上的低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563T的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖3 采用PCF8563T芯片作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的系統(tǒng)構(gòu)造框圖如上圖可見，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完全提供了系統(tǒng)所需的按鍵模塊、蜂鳴器模塊、數(shù)碼管顯示模塊，還有實(shí)時(shí)時(shí)鐘PCF8563T模塊，詳細(xì)電路原理請(qǐng)參看第一章相應(yīng)介紹，各器件特性請(qǐng)參看相應(yīng)的器件手冊(cè)。在完成系統(tǒng)基本功能的情

18、況下，還可以利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的LM75溫度傳感器模塊給數(shù)字鐘添加實(shí)時(shí)溫度顯示功能，并且可以將七段數(shù)碼管換為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的LCD液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示模塊，具體電路原理同樣可參看第一章1.3.12節(jié)介紹。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可主要基于FPGA的VHDL編程，或者基于MC8051內(nèi)核的C語(yǔ)言編程，大致主控芯片程序流程圖如圖4所示。 圖4 主控芯片程序流程圖3 主體電路的設(shè)計(jì)3.1 數(shù)字鐘的構(gòu)成  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)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩

19、器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。3.2 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖 圖1 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成方框圖主體電路是由功能部件或單元電路組成的。在設(shè)計(jì)這些電路或選擇部件時(shí)，盡量選用同類型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成電路或都采用CMOS集成電路。整個(gè)系統(tǒng)所用的器件種類應(yīng)盡可能少。下面介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計(jì)。 3.2.1 振蕩器的設(shè)計(jì)振蕩器（英文：oscillator）是用來(lái)產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(hào)（通常是正弦波或方波）的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號(hào)輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵(lì)方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器

20、、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。振蕩器（英文：oscillator）是一種能量轉(zhuǎn)換裝置將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。低頻振蕩器（low-frequency oscillator，或稱LFO）是指產(chǎn)生頻率在0.1赫茲到10赫茲之間交流訊號(hào)的振蕩器。這個(gè)詞通常用在音訊合成中，用來(lái)區(qū)別其他的音訊振蕩器。振蕩器主要可以分成兩種：諧波振蕩器（harmonic oscillator）與弛張振蕩器（relaxation oscillator）。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號(hào)輸出的電子電

21、路或裝置。種類很多，按振蕩激勵(lì)方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。 主要適用于各大中院校、醫(yī)療、石油化工、衛(wèi)生防疫、環(huán)境監(jiān)測(cè)等科研部門作生物、生化、細(xì)胞、菌種等各種液態(tài)、固態(tài)化合物的振蕩培養(yǎng)。自激多諧振蕩器也叫無(wú)穩(wěn)態(tài)電路.兩管的集電極各有一個(gè)電容分別接到另一管子的基極，起到交流耦合作用,形成正反饋電路，當(dāng)接通電源的瞬間,某個(gè)管子先通，另一只管子截止,這時(shí)，導(dǎo)通管子的集電集有輸出,集電極的電容將脈沖信號(hào)耦合到另一只管子的基極使另一只管子導(dǎo)通.這

22、時(shí)原來(lái)導(dǎo)通的管子截止.這樣兩只管子輪流導(dǎo)通和截止，就產(chǎn)生了震蕩電流。由于器件不可能參數(shù)完全一致,因此在上電的瞬間兩個(gè)三極管的狀態(tài)就發(fā)生了變化，這個(gè)變化由于正反饋的作用越來(lái)越強(qiáng)烈,導(dǎo)致到達(dá)一個(gè)暫穩(wěn)態(tài).暫穩(wěn)態(tài)期間另一個(gè)三極管經(jīng)電容逐步充電后導(dǎo)通或者截止，狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn),到達(dá)另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài).這樣周而復(fù)始形成振蕩。振蕩器是數(shù)字鐘的核心。石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng)，在晶 體某一方向加一電場(chǎng)，則在與此垂直的方向產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，有了機(jī)械振動(dòng)，就會(huì)在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場(chǎng)，從而使機(jī)械振動(dòng)和電場(chǎng)互為因果，這種循環(huán)過(guò)程一直持續(xù)到晶體的機(jī)械強(qiáng)度限制時(shí)，才達(dá)到最后穩(wěn)定，這種

23、壓電諧的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率 如果精度要求不高，可采用集成電路555定時(shí)器與RC組成的多諧振蕩器。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高 如果精度要求不高也可以采用由集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。這里設(shè)振蕩頻率fo =1kHz，電路參數(shù)如圖3所示：分頻器的設(shè)計(jì)提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，如仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1kHz的高音頻信號(hào)和500Hz的低音頻信號(hào)等。3.3 8421碼制,5421碼制 表用四位二進(jìn)制碼的十六種組合作為代碼，取其中十種組合來(lái)表示0

24、-9這十個(gè)數(shù)字符號(hào)。通常，把用四位二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示一位十進(jìn)制數(shù)稱為二-十進(jìn)制編碼，也叫做BCD碼，見表1。 表1 8421碼制和5421碼制3.4 分頻器的具體工作原理 從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看，分頻器本質(zhì)上是由電容器和電感線圈構(gòu)成的LC濾波網(wǎng)絡(luò)，高音通道是高通濾波器，它只讓高頻信號(hào)通過(guò)而阻止低頻信號(hào)；低音通道正好相反，它只讓低音通過(guò)而阻止高頻信號(hào)；中音通道則是一個(gè)帶通濾波器，除了一低一高兩個(gè)分頻點(diǎn)之間的頻率可以通過(guò)，高頻成份和低頻成份 分頻器原理都將被阻止。在實(shí)際的分頻器中，有時(shí)為了平衡高、低音單元之間的靈敏度差異，還要加入衰減電阻；另外，有些分頻器中還加入了由電阻、電容構(gòu)成的阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其目的是使

25、音箱的阻抗曲線心理平坦一些，以便于功放驅(qū)動(dòng)。位于功率放大器之后，設(shè)置在音箱內(nèi)，通過(guò)LC濾波網(wǎng)絡(luò)，將功率放大器輸出的功率音頻信號(hào)分為低音，中音和高音，分別送至各自揚(yáng)聲器。連接簡(jiǎn)單，使用方便，但消耗功率，出現(xiàn)音頻谷點(diǎn)，產(chǎn)生交叉失真，它的參數(shù)與揚(yáng)聲器阻抗有的直接關(guān)系，而揚(yáng)聲器的阻抗又是頻率的函數(shù)，與標(biāo)稱值偏離較大，因此誤差也較大，不利于調(diào)整。將音頻弱信號(hào)進(jìn)行分頻的設(shè)備，位于功率放大器前，分頻后再用各自獨(dú)立的功率放大器，把每一個(gè)音頻頻段信號(hào)給予放大，然后分別送到相應(yīng)的揚(yáng)聲器單元。因電流較小故可用較小功率的電子有源濾波器實(shí)現(xiàn)，調(diào)整較容易，減少功率損耗，及揚(yáng)聲器單元之間的干擾。使得信號(hào)損失小，音質(zhì)好。但此

26、方式每路要用獨(dú)立的功率放大器，成本高，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)用于專業(yè)擴(kuò)聲系統(tǒng)二、分頻器與功率的分配構(gòu)成音箱的高、低音單元,各自的標(biāo)稱功率是不一樣的，而在實(shí)際節(jié)目信號(hào)的功率譜中，高頻、低頻信號(hào)的比例也是不一樣的，因此將各種信號(hào)統(tǒng)計(jì)平均后，就得到了圖1所示的模擬信號(hào)功率譜.將圖1的功率譜進(jìn)行計(jì)算，就得到了圖2所示的功率分配曲線.在選擇分頻點(diǎn)時(shí)，一定要考慮功率的分配問(wèn)題,使高音單元留有一定的余量。圖2表示20Hz20kHz的總功率規(guī)一化為100%，把20Hz至某頻率f所占功率為總功率的百分?jǐn)?shù)，應(yīng)用舉例如下。如分頻點(diǎn)為2?5kHz的二分頻系統(tǒng)，由圖2的橫座標(biāo)2?5kHz到曲線相交，從縱座標(biāo)讀出百分?jǐn)?shù)，則20

27、Hz2.5kHz的功率比例為87%，2?5kHz20kHz的功率比例為13%。當(dāng)總功率為100W時(shí)，則低音功率W低=100×87%=87W，高音功率W高=100×13%=13W。使用上面的功率分配關(guān)系時(shí)，還請(qǐng)注意揚(yáng)聲器單元的功率標(biāo)準(zhǔn)。一般產(chǎn)品標(biāo)注是額定最大正弦功率(RMS)，而有的制造廠為了商業(yè)目的，,標(biāo)注峰值功率或稱為音樂(lè)功率，但數(shù)值一般卻是RMS功率的24倍。三、分頻方式的選擇分頻方式雖然有6dB/oct型、18dB/oct型、3dB降落點(diǎn)交叉型及12dB/oct型、6dB降落點(diǎn)交叉型等數(shù)種，但綜合考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)，建議使用12dB/oct型。四、分頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)

28、，如把負(fù)載單元加入RC阻抗補(bǔ)償電路，作為恒阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣當(dāng)然是最好，但筆者查閱大量書刊資料后，發(fā)現(xiàn)RC阻抗補(bǔ)償電路的計(jì)算方法有多種,而得出的RC值也不相同，讓人不易選擇，只好按頻點(diǎn)電阻法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，用圖3所示電路連接，測(cè)出高、低音單元在分頻點(diǎn)處的阻值(注意不要用單元標(biāo)稱阻抗代替，否則誤差會(huì)很大，然后進(jìn)行右上表中的計(jì)算和按圖將LC元件連接,即告初步制作完成。高、低音單元的靈敏度不平衡，可用電阻衰減調(diào)節(jié)(1997年電子報(bào)第15期有專門文章介紹)，制作時(shí)建議使用優(yōu)質(zhì)聚丙烯電容，優(yōu)化設(shè)計(jì)空芯電感，將元件用熱熔膠固定在印制板上，電感可用棉線或塑料扎扣帶加強(qiáng)固定，用搭棚焊的方法連接，做成高、低音

29、通道各自獨(dú)立的分線分音方式。五、調(diào)試方法根據(jù)聲壓級(jí)平方反比定律,點(diǎn)聲源在自由空間中,距離增加一倍,聲壓級(jí)衰減6dB.利用這一定律,就可以進(jìn)行下面的實(shí)際操作.把音箱體和揚(yáng)聲器單元裝好,不接分頻器,用雨果金碟測(cè)試信號(hào),按正常的放音方式,用固定音量23W,重復(fù)播放分頻點(diǎn)處頻率f,用圖4自制的簡(jiǎn)易聲壓測(cè)試儀,在2m處測(cè)試聲壓,調(diào)節(jié)話筒音量電位器使數(shù)字萬(wàn)用表讀數(shù),為一容易記憶的整數(shù),記下備用.然后,接入分頻器低通網(wǎng)絡(luò),將聲壓計(jì)放在1m處,測(cè)試讀數(shù)與上次應(yīng)相同,否則,按讀數(shù)大(小)增大(減小)電容量,直到讀數(shù)相同(這時(shí)分頻點(diǎn)頻率f衰減6dB).然后,將信號(hào)重新直接輸入低音單元,將測(cè)試信號(hào)調(diào)節(jié)成高于分頻點(diǎn)頻

30、率f的倍頻程信號(hào),用聲壓計(jì)在4m處測(cè)試聲壓,記下讀數(shù)備用.最后,接入分頻器低通網(wǎng)絡(luò),將聲壓計(jì)放在1m處,讀數(shù)與上次相同,否則,稍加微調(diào)(這時(shí)倍頻程頻率f衰減12dB),這樣,低音網(wǎng)絡(luò)就調(diào)試完畢.高音網(wǎng)絡(luò)重復(fù)以上操作步驟,調(diào)節(jié)電感,注意第二步輸入低于分頻點(diǎn)頻率f的倍頻程信號(hào).這樣,一套高質(zhì)量的分頻器就制作和調(diào)試完成.。 分頻器的功能主要有兩個(gè):一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào);二是提供功能擴(kuò)展電路所需的信號(hào),如圖4所示，仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1kHz的高音頻信號(hào)和500Hz的低音頻信號(hào)等.選用3片中規(guī)模 集成電路計(jì)數(shù)器74LS90可完成上述功能.因每片為1/10分頻,3片級(jí)聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號(hào),即第一片的Q

31、0端的輸出頻率為500Hz,第二片的Q3端輸出的是10Hz,第三片的Q3端輸出為1Hz.3.3.1.1 時(shí)分秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 分和秒計(jì)數(shù)器都是模數(shù)M=60的計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為0001585900選74LS92作為十位計(jì)數(shù)器，74LS90作為個(gè)位計(jì)數(shù)器，再將他們級(jí)聯(lián)組成模數(shù)M=60的計(jì)數(shù)器。 圖5 分秒計(jì)數(shù)器邏輯電路圖時(shí)計(jì)數(shù)器是一個(gè)“12翻1”的特殊進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到12時(shí)59分59秒，秒的個(gè)位計(jì)數(shù)器再輸入一個(gè)秒脈沖時(shí)，數(shù)字鐘應(yīng)自動(dòng)顯示為01時(shí)00分00秒，實(shí)現(xiàn)日常生活中習(xí)慣常用的計(jì)時(shí)規(guī)律。選用74LS191和74LS74。圖6 時(shí)計(jì)數(shù)器邏輯電路圖3.3.1.2 校時(shí)電路的設(shè)計(jì) 當(dāng)數(shù)字

32、鐘接通電源或者計(jì)數(shù)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。一般電子手表都具有時(shí)，分，秒等校時(shí)功能。為了使電路簡(jiǎn)單，這里只進(jìn)行分和小時(shí)的校時(shí)。如圖7所示為校時(shí)電路邏輯圖。對(duì)校時(shí)電路的要求是，在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。校時(shí)方式有“快校時(shí)”和“慢校時(shí)”兩種，“快校時(shí)”是通過(guò)開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對(duì)1Hz的校時(shí)脈沖計(jì)數(shù)?！奥r(shí)”是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作為校時(shí)脈沖。圖8示電路為?！皶r(shí)”，校“分”電路。其中S1為?！胺帧庇玫目刂崎_關(guān)，S2為?！皶r(shí)”用的控制開關(guān)，他們的控制功能如圖表示。校時(shí)脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖，當(dāng)S1或S2分別為“0”時(shí)可以

33、進(jìn)行快校時(shí)。如果校時(shí)脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供，則可以進(jìn)行慢校時(shí)。S1 S2 功能1 11 00 1計(jì)數(shù)校分校時(shí)需要注意的是，校時(shí)電路是由與非們構(gòu)成的組合邏輯電路，開S1或S2為“1”或“0”時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，接電容C1，C2可緩解抖動(dòng)。所以實(shí)際使用時(shí)，一般會(huì)接一個(gè)RS觸發(fā)器，將其改為去抖動(dòng)開關(guān)電路。 圖7 校時(shí)電路邏輯圖圖8 校時(shí)開關(guān)的功能 圖. 1.2.2校時(shí)開 3.3.1.3 主體電路的裝調(diào) 根據(jù)數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖，按照信號(hào)的流向分級(jí)安裝，逐級(jí)級(jí)聯(lián)，這里的每一級(jí)是指組成數(shù)字鐘的各功能電路。 級(jí)聯(lián)時(shí)如果出現(xiàn)時(shí)序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯錯(cuò)亂，則可以增加多級(jí)邏輯門來(lái)延時(shí)。如果顯示字

34、符變化很快，模糊不清，這可能是電源電流的跳變引起的，則可在集成電路期間的電源端Vcc 加退耦濾波電容。通常用幾十個(gè)微法的大電容與0.01F的小電容相并聯(lián)作為退耦濾波電路。 畫數(shù)字鐘的主體邏輯電路圖。經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)并糾正設(shè)計(jì)方案中的錯(cuò)誤不不足之處后，再測(cè)試電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計(jì)要求。最后畫出滿足設(shè)計(jì)要求的總體邏輯電路圖，如果因?yàn)閷?shí)驗(yàn)器材有限，則其中秒計(jì)數(shù)器的個(gè)位和時(shí)計(jì)數(shù)器的十位可采用發(fā)光二極管指示，因而可以省去2片譯碼器賀2片數(shù)碼顯示器。圖9 數(shù)字鐘主體電路邏輯圖 數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，可以由許多中小規(guī)模集成電路組成，所以可以分成許多獨(dú)立的電路。由石英晶體振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯

35、碼器、顯示器和校時(shí)電路組成，石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)"時(shí)"、"分"、"秒"譯碼器顯示時(shí)間。其中以校正電路代替時(shí)間計(jì)數(shù)電路中的時(shí)、分、秒之間的進(jìn)位，當(dāng)校時(shí)電路處于正常輸入信號(hào)時(shí)，時(shí)間計(jì)數(shù)電路正常計(jì)時(shí)，但當(dāng)分校正時(shí)，其不會(huì)產(chǎn)生向時(shí)進(jìn)位，而分與時(shí)的校位是分開的，而校正電路也是一個(gè)獨(dú)立的電路。 電路的信號(hào)輸入由晶振電路產(chǎn)生，并輸入各電路。整個(gè)數(shù)字鐘主體電路邏輯如圖9所示。4. 功能擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)4.1 定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì) 數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧時(shí)”（這里用可用指示

36、燈來(lái)代替音響電路）；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。不管是鬧還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號(hào)的開始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。 例如 要求6時(shí)59分發(fā)出鬧鐘信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為1分鐘這是對(duì)應(yīng)數(shù)字中的時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)=0110，分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為=0101,分個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為=1001。若將上述技術(shù)其輸出為1的所有輸出端經(jīng)過(guò)與門電路去控制指示燈，可以使指示燈正好在6點(diǎn)59分亮，持續(xù)1分鐘后熄滅，所以鬧時(shí)控制信號(hào)Z的表達(dá)式為 Z= 圖10定時(shí)電路示意圖4.2 仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)仿廣播電臺(tái)正電報(bào)時(shí)的電路的設(shè)計(jì)要求是：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)塊要到正點(diǎn)時(shí)發(fā)出聲響，通常按照4低音1高音的

37、順序發(fā)出間斷聲響，以最后一聲高音結(jié)束的時(shí)刻為正點(diǎn)時(shí)刻。 仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)的電路如圖11所示。這里采用的都是TTL與非門，如果用其他器件，則報(bào)時(shí)電路還會(huì)簡(jiǎn)單一些。 圖11 仿電臺(tái)報(bào)時(shí)電路圖 設(shè)4聲低音（約500Hz）分別發(fā)生在59分51秒，53秒，55秒和57秒，最后一聲高音（約1KHz）發(fā)生在59分59秒，它們的持續(xù)時(shí)間均為1秒。如表2所示CP/sQ3s1Q2s1Q1s1Q0s1功能500000510001鳴低音520010停530011鳴低音540100停550101鳴低音560110停570111鳴低音581000停591001鳴高音001010停表2 秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)4.3 報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì)報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的功能是：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)到整點(diǎn)時(shí)發(fā)出聲音，且?guī)c(diǎn)響幾聲。實(shí)現(xiàn)這一功能的電路主要由以下幾個(gè)部分組成。 減法計(jì)數(shù)器 完成幾點(diǎn)響幾聲的功能。即從小時(shí)計(jì)數(shù)器的整點(diǎn)開始進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，直到零為止。減法計(jì)數(shù)器選用74LS191組成，各控制端的作用如下為置數(shù)端。當(dāng)=0時(shí)將小數(shù)計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)輸出端的數(shù)據(jù)置入為溢出負(fù)脈沖輸入端，當(dāng)減計(jì)數(shù)到0時(shí)， 輸出一個(gè)負(fù)脈沖為加/減控制器。=1時(shí)減法計(jì)數(shù)為減法計(jì)數(shù)脈沖，兼作音響電路的控制脈沖 編碼器 將小時(shí)計(jì)數(shù)器的5個(gè)輸出端Q4，Q3，Q2，