數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)

1、 數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)第15頁(yè) 共15頁(yè)數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)摘要隨著人類科技文明的發(fā)展，人們對(duì)于時(shí)鐘的要求在不斷地提高。時(shí)鐘已不僅僅被看成一種用來(lái)顯示時(shí)間的工具，在很多實(shí)際應(yīng)用中它還需要能夠?qū)崿F(xiàn)更多其它的功能。高精度、多功能、小體積、低功耗，是現(xiàn)代時(shí)鐘發(fā)展的趨勢(shì)。在這種趨勢(shì)下，時(shí)鐘的數(shù)字化、多功能化已經(jīng)成為現(xiàn)代時(shí)鐘生產(chǎn)研究的主導(dǎo)設(shè)計(jì)方向。數(shù)字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(shí)序電路.因此，我們此次設(shè)計(jì)與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會(huì)制作數(shù)字鐘.而且通過(guò)數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實(shí)用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時(shí)序電

2、路.通過(guò)它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法。關(guān)鍵詞：數(shù)字電子鐘；時(shí)鐘電路；計(jì)數(shù)電路；校正電路目錄設(shè)計(jì)目的3設(shè)計(jì)要求32.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)32.2 設(shè)計(jì)要求32.3 制作要求3數(shù)字鐘的基本原理33.1 數(shù)字電子鐘的原理圖.33.2 秒脈沖產(chǎn)生電路43.3 時(shí)間記數(shù)電路5 3.3.1 計(jì)“秒”（和計(jì)“分”）電路. 3.3.2 十進(jìn)制-六進(jìn)制轉(zhuǎn)換電路 3.3.3 計(jì)時(shí)電路.3.3.4 十二進(jìn)制電路 3.4 顯示器.73.5 校準(zhǔn)電路.74 調(diào)試要點(diǎn).85 設(shè)計(jì)步驟 95.1秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì) .95.2六十進(jìn)制（分、秒）計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì).105.3 十二進(jìn)制（計(jì)時(shí)）計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

3、.116 總結(jié)127 設(shè)計(jì)體會(huì)12參考文獻(xiàn)13附錄141 設(shè)計(jì)目的1) 掌握數(shù)字鐘的工作原理及其設(shè)計(jì)方法 。2) 熟悉常用數(shù)字集成電路的使用方法。3) 應(yīng)用EWB軟件進(jìn)行仿真。2 設(shè)計(jì)要求2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)1) 顯示時(shí)、分、秒。2) 可以24小時(shí)制或12小時(shí)制。3) 具有時(shí)間設(shè)置，時(shí)間清零（復(fù)位），時(shí)間修改、停止等功能。4) （選做）增加部分?jǐn)U展功能(如準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)、定時(shí)鬧鐘等)。5) 為了保證計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，由晶體振蕩器提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào)。2.2 設(shè)計(jì)要求1) 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）。 2) 元器件及參數(shù)選擇。 3) 電路仿真與調(diào)試。 3.3 制作要求自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決

4、問(wèn)題。3 數(shù)字鐘的基本原理3.1 數(shù)字電子鐘的原理框圖如圖1所示，秒脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器顯示時(shí)間。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器或者555集成定時(shí)器電路構(gòu)成數(shù)字鐘,本次設(shè)計(jì)采用555集成定時(shí)器作為秒脈沖發(fā)生器。圖1：數(shù)字鐘的原理框圖3.2 秒脈沖產(chǎn)生電路圖2所示為555集成定時(shí)器構(gòu)成的振蕩周期為1秒的多諧振蕩器。將該電路產(chǎn)生的秒脈沖信號(hào)送到6級(jí)計(jì)數(shù)器，分別得到計(jì)“秒”

5、的個(gè)位和十位、計(jì)“分”的個(gè)位和十位，以及計(jì)“時(shí)”的個(gè)位和十位的計(jì)數(shù)信號(hào)。圖2：由555電路構(gòu)成的多諧振蕩器3.3 時(shí)間記數(shù)電路3.3.1 “秒”計(jì)數(shù)是六十進(jìn)制，可由一級(jí)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級(jí)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成。如圖3所示。其中IC1和IC2 可選用74160計(jì)數(shù)芯片。IC1應(yīng)連接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 IC2應(yīng)接成六進(jìn)制計(jì)數(shù)，兩者一起構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即實(shí)現(xiàn)了記“秒”的功能。其中IC1為“秒鐘”的個(gè)位計(jì)數(shù)，從初態(tài)QDQCQBQA0000開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)IC1的計(jì)數(shù)輸入（每一秒鐘一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖）CP1接收到由計(jì)分進(jìn)位輸出的第10個(gè)脈沖信號(hào)（對(duì)應(yīng)第10個(gè)小時(shí)）時(shí)，IC1應(yīng)當(dāng)復(fù)位，即QDQCQBQA0000。同時(shí)應(yīng)向

6、IC2輸出進(jìn)位脈沖信號(hào)，此時(shí)IC2應(yīng)計(jì)數(shù)為0001。當(dāng)?shù)?0個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)則應(yīng)為0010，當(dāng)?shù)?0個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，IC1和IC2的狀態(tài)都應(yīng)變?yōu)?000，即完成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)秒的功能。計(jì)“分”電路與計(jì)秒電路完全相同，可另外用兩個(gè)計(jì)數(shù)芯片IC3和IC4連接而成。 圖3：秒鐘計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)圖3.3.2 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)器的電路連接方法如圖4所示，在秒（分）鐘十位的74160的芯片上，把輸出接口與C連接到一個(gè)與非門輸入端，同時(shí)把與非門輸出端與清零控制端共同接入一個(gè)同或門輸入端，再將同或門輸出端接入秒（分）鐘的十位74160芯片這樣無(wú)論是秒鐘（分

7、鐘）的計(jì)數(shù)到60而實(shí)現(xiàn)清零還是控制端要清零都可以實(shí)現(xiàn)。 圖4：十進(jìn)制改為六進(jìn)制3.3.3 計(jì)時(shí)小時(shí)的計(jì)數(shù)可以是24進(jìn)制也可以是12進(jìn)制，本電路設(shè)計(jì)采用12進(jìn)制，計(jì)數(shù)電路原理框圖如圖5所示。仍由兩塊集成計(jì)數(shù)芯片IC5和IC6組成。其中IC5為“小時(shí)”的個(gè)位計(jì)數(shù)，從初態(tài)QDQCQBQA0000開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)IC5的計(jì)數(shù)輸入（每小時(shí)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖）CP5接收到由計(jì)分進(jìn)位輸出的第10個(gè)脈沖信號(hào)（對(duì)應(yīng)第10個(gè)小時(shí)）時(shí)，IC5應(yīng)當(dāng)復(fù)位，即QDQCQBQA0000。同時(shí)應(yīng)向IC6輸出進(jìn)位脈沖信號(hào)，此時(shí)IC6應(yīng)計(jì)數(shù)為0001，當(dāng)?shù)?2個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，IC5和IC6的狀態(tài)都應(yīng)變?yōu)?000，即完成12進(jìn)制計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)

8、“小時(shí)”的功能。圖5：時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊3.3.4 小時(shí)計(jì)數(shù)以十二進(jìn)制為準(zhǔn)，從0顯示到11，到12時(shí)馬上清零，在設(shè)計(jì)上與秒鐘的十進(jìn)制-六進(jìn)制的設(shè)計(jì)方法相近。如圖6所示，把計(jì)時(shí)的個(gè)位計(jì)數(shù)74160中的QB輸出端與計(jì)時(shí)的十位計(jì)數(shù)芯片74160的QA輸出端共同接入與非門輸入端，再把輸出端與清零控制端共同接入同或門輸入端，后將同或門的輸出端接到計(jì)時(shí)兩74160芯片的清零端，如此當(dāng)計(jì)時(shí)芯片計(jì)數(shù)到十二時(shí)馬上就被清零，而控制端也可以實(shí)現(xiàn)清零。 IC5 IC6圖6：十二進(jìn)制電路3.4 顯示器在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，我們采用的是譯碼與顯示為一體的四引腳的顯示器，接線更為簡(jiǎn)單方便。3.5 校準(zhǔn)電路數(shù)字鐘應(yīng)具有

9、分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。即為用COMS與或非門實(shí)現(xiàn)的時(shí)或分校時(shí)電路，In1端與低位的進(jìn)位信號(hào)相連；In2端與校正信號(hào)相連，校正信號(hào)可直接取震蕩電路產(chǎn)生的1HZ信號(hào)；輸出端則與分或時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)輸入端相連。當(dāng)開(kāi)關(guān)打向下時(shí)，因?yàn)樾Ｕ盘?hào)和0相與的輸出為0，而開(kāi)關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號(hào)可以順利通過(guò)與或門，故校時(shí)電路處于正常計(jì)時(shí)狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)打向上時(shí)，情況正好與上述相反，這時(shí)校時(shí)電路處于校時(shí)狀態(tài)。 實(shí)際使用時(shí)，因?yàn)殡娐烽_(kāi)關(guān)存在抖動(dòng)問(wèn)題，所以一般會(huì)接一個(gè)RS觸發(fā)器構(gòu)成開(kāi)關(guān)消抖動(dòng)電路。整個(gè)校時(shí)電路就如圖7。圖7

10、：消除抖動(dòng)的校時(shí)電路正常計(jì)數(shù)時(shí)，G1門開(kāi)，秒脈沖進(jìn)行單位產(chǎn)生的分脈沖可通過(guò)G1G3(開(kāi)門狀態(tài))送入分計(jì)數(shù)器，此時(shí)G2封鎖，校準(zhǔn)脈沖（即秒脈沖）進(jìn)不去。 按下S1則G1封鎖，“分”脈沖受阻，而G2打開(kāi)，秒脈沖進(jìn)入分計(jì)數(shù)器進(jìn)行快速計(jì)數(shù)（即較分），校時(shí)電路與此完全相同。4 調(diào)試要點(diǎn)組裝后注意：器件管腳的連接一定要準(zhǔn)確，“清零端”，“置1端”要正確處理。調(diào)試步驟如下：1） 用示波器檢測(cè)振蕩器的輸出信號(hào)波形和頻率。 2） 將振蕩信號(hào)分別送入“時(shí)”“分”“秒”計(jì)數(shù)器，檢查各級(jí)計(jì)數(shù)器的工作情況。3） 觀察校準(zhǔn)電路是否滿足設(shè)計(jì)要求。4） 觀察電子鐘是否準(zhǔn)確正常的工作。5 設(shè)計(jì)步驟5.1秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì) 5.

11、1.1圖8：脈沖發(fā)生器電路原理圖有一個(gè)555定時(shí)器和R1=1 K，R2=0.215 K電阻及C1=1000 uf和C2=0.01uf構(gòu)成。根據(jù)理論計(jì)算T1.43/（2R2+R1）C 2，而T=1.0 S。5.1.2圖9：脈沖周期驗(yàn)證圖調(diào)試電路，用示波器觀察波型，測(cè)量周期，由圖9可以看出周期為0.999312 S.5.2六十進(jìn)制（分、秒）計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)5.2.11、繪制步驟簡(jiǎn)介： 1）第1片的74160的CLK接秒脈沖源。2）當(dāng)?shù)?片74160計(jì)滿9之后便向右邊74160進(jìn)一位，RCO經(jīng)過(guò)非門接第一片的CLK（因?yàn)?4160時(shí)鐘脈沖接下降緣有效）。3）按要求需連接成六十進(jìn)制電路，第2片74160的

12、清零端安裝10至6進(jìn)制轉(zhuǎn)化電路連接。2、秒脈沖（即時(shí)鐘脈沖）信號(hào)源的設(shè)置 雙擊秒脈沖，把周期為1S。 設(shè)計(jì)圖如圖10所示圖10：六十進(jìn)制的秒(分)設(shè)計(jì)圖5.2.2圖11:六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器波形圖5.3 十二進(jìn)制（計(jì)時(shí)）計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)繪制步驟簡(jiǎn)介： 1）左邊的74160的CLK接秒脈沖源。 2）當(dāng)左邊74160計(jì)滿9之后便向右邊74160進(jìn)一位，RCO經(jīng)過(guò)非門接第一片的CLK（因?yàn)?4160下降緣有效）。3）根據(jù)要求得到十二進(jìn)制，所以輸出為00010010，當(dāng)為12的時(shí)候便馬上清0，因而按照十二進(jìn)制連接方法連接好清零端。圖12:小時(shí)十二進(jìn)制設(shè)計(jì)圖6 總結(jié)在連接秒鐘到分鐘的進(jìn)位電路時(shí)，選擇在秒鐘清零的時(shí)

13、間，因?yàn)檫@個(gè)脈沖電流無(wú)法在進(jìn)位端獲得，所以我選擇了一個(gè)清零所需的脈沖，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)是符合我設(shè)想的。在連接校正電路的過(guò)程中出現(xiàn)時(shí)和分都能正常校正時(shí)但秒?yún)s受到影響特別時(shí)一較分鐘的時(shí)候秒亂跳而不校時(shí)的時(shí)候秒從40跳到59然后又跳回40分和秒之間無(wú)進(jìn)位電路在時(shí)分秒進(jìn)位過(guò)程中能正常顯示故可排除芯片和連線的接觸不良的問(wèn)題.經(jīng)檢查校正電路的連線沒(méi)有錯(cuò)誤后用萬(wàn)用表的直流電壓檔帶電檢測(cè)秒十位的QAQBQC和QD腳發(fā)現(xiàn)QA腳時(shí)有電壓時(shí)而無(wú)電壓再檢測(cè)秒到分和分到時(shí)的進(jìn)位端發(fā)現(xiàn)是由于秒到分的進(jìn)位未拔掉所至. 當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正.通常,校正時(shí)間的方法是:首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路,然后再進(jìn)行

14、人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端,校正好后,再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可.根據(jù)要求,數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能,因此,應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路,并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中7 設(shè)計(jì)體會(huì)在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程中,更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法.在連接時(shí),要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能,這樣才能在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)給予糾正. 在設(shè)計(jì)電路中,是先仿真后連接實(shí)物圖,但有時(shí)候仿真和電路連接并不是完全一致的,在設(shè)計(jì)電路的連接圖中出錯(cuò)的主要原因都是接線和芯片的接觸不良以及接線的錯(cuò)誤所引起的.此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)重在于仿真和接線,雖然能把電路圖接出來(lái),并能正常顯示,但對(duì)于電路本身的原理并不是十分熟悉.總的來(lái)說(shuō),通過(guò)這次的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步地增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力,相