整點報時電路

1、整點報時電路課程設(shè)計1-設(shè)計目的 設(shè)計一種多功能數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘具有自動報整點時數(shù)的電路。設(shè)計功能要求：自動報整點時數(shù)；電路設(shè)計3.1設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求首先建立了一個多功能 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖，框圖如圖1 所示。主體電路擴展電路圖1由圖1可知，電路的工作原理是：振蕩器產(chǎn)生的高脈沖信號作為數(shù)字鐘的振源， 再經(jīng)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器個位進位，分計數(shù)器計 滿60后向小時計數(shù)器個位進位并且小時計數(shù)器按照“12翻1”的規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器 的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計時出現(xiàn)誤差時電路進行校時、校分、校秒。擴展電路 必須在主體電路正常運行的情況下才能實現(xiàn)其功能。3.2單元電路

2、的設(shè)計電路主要由振蕩電路、計數(shù)電路、顯示電路、校時電路以及整點報時電路五大 部分組成。下面將對各部分電路進行設(shè)計。振蕩電路由振蕩器和分頻器產(chǎn)生1Hz時鐘脈沖和擴展部分所需的頻率，下面對 振蕩器和分頻器兩部分進行介紹。（1）振蕩器數(shù)字電路中的時鐘是由振蕩器產(chǎn)生的，振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定 度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計時的準(zhǔn)確程度，一般來說，振蕩器的頻率越高，計 時精度越高。它利用某種反饋方式產(chǎn)生時鐘信號。對數(shù)字電路來說，振蕩器的輸出 的幅度范圍為0v5v的方波信號而不是鋸齒波、三角波或其他形式。典型的振蕩器 是弛豫振蕩器，它通過一個RC網(wǎng)絡(luò)將反相器的輸出反饋回來并存在一定的工作延遲 時

3、間?；镜碾娐啡鐖D2所示。在上述電路中，RI-C網(wǎng)絡(luò)由第一個反相器驅(qū)動，具有RC特性曲線的響應(yīng)信號 被反饋給反相器的輸入。當(dāng)電容上的電壓達到施密特觸發(fā)器輸入反相器的門限電壓 的時候，反相器的狀態(tài)發(fā)生改變，并輸出一個新的電壓值。這個輸出電壓經(jīng)過一定 的延遲時間再次通過RIC反饋回來，直到電容電壓再次達到門限電壓為止。用施密特觸發(fā)器輸入器件（如74HC04），但是由于電容的參考電壓在每個臨界 點都要發(fā)生變化，所以施密特觸發(fā)器不是必需的。由于電容與輸出相連，每次狀態(tài) 改變時，電容的充電電壓會超過5V。從這一點來說，輸出電壓會改變電容的充電電 壓，直到電容兩端的電壓變?yōu)?4HC04的門限電壓（2.5V

4、）為止。振蕩器輸出狀態(tài)的 改變發(fā)生在電容上的電壓達到2.5V時。弛豫振蕩器對許多低成本而精度要求又不高的場所非常適合，但是并不推薦在 任何有精度要求的實際應(yīng)用電路采用它。如果想要獲得高的精度，就應(yīng)該在振蕩電路中使用石英晶體作振源。在數(shù)字鐘 的設(shè)計與制作中應(yīng)采用石英晶體振蕩器，因為石英晶體具有壓電效應(yīng)，是一個壓電 器件。當(dāng)交流電壓加在晶體兩端，晶體先隨電壓變化產(chǎn)生對應(yīng)的變化，然后機械振 動又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，它本生有一個固定 的機械頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時，晶體片的機械振動最 大，晶體表面電荷量最多，外電路的交流電流最強，于是產(chǎn)生振蕩，因此

5、將石英晶體按一定方位切割成片，兩邊傅以電極，焊上引線，再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu) 成石英晶體。石英晶體的固有頻率十分穩(wěn)定。另外石英晶體的振動具有多諧性，除 了基頻振動外，還有奇次諧次泛音振動，對于石英晶體，既可利用基頻振動，也可 利用泛音振動。前者稱為基頻晶體，后者稱為泛音晶體，晶片厚度與振動頻率成反 比，工作頻率越高，要求晶片厚度越薄。將石英晶體作為高Q值諧振回路元件接入 反饋電路中，就組成了晶體振蕩器。在設(shè)計中所用的振蕩器的電路圖如圖3所示。 該電路能產(chǎn)生1MHz的方波脈沖振蕩信號。圖3（2）分頻器分頻器的作用是將由石英晶體產(chǎn)生的高頻信號分頻成基時鐘脈沖信號和擴展部 分所需的頻率。在此電路

6、中，分頻器的功能主要有兩個：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號； 二是功能擴展電路所需的信號，如仿電臺用的1KHz的高頻信號和500Hz的低頻信號 等.在此電路中作為分頻器的元件是:CD4518。CD4518可以組成二分頻電路和十分頻電路。用CD4518組成二分頻的電路如圖4； 用CD4518組成十分頻的電路如圖5；在本次設(shè)計中所用的分頻器的電路圖如圖6。 電路經(jīng)過十分頻后將晶振來的1MHz的振蕩脈沖變?yōu)?Hz的脈沖信號，該信號作為計 數(shù)器的計數(shù)脈沖使用。圖4圖51MHZ AENCKCLRQ03Q1Q2Q3EN,CKCLRQ0Q1Q2Q334561KHZ4518100KHZ451821ENCKCLRQ0Q1

7、Q2Q334562110KHZ4518ENCKCLR4518ENCKCLR4518Q0Q1Q2Q33456100HZ,ENCKCLR4518Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3345610HZ3456 1HZ圖6輸入輸出CKCREN上升沿LH加計數(shù)LL上升沿加計數(shù)下降沿LX保持XL上升沿上升沿LLHL下降沿XLX全為L表:CD4518的功能表振蕩器和分頻器兩部分構(gòu)成振蕩電路，它的電路圖如圖7所示。根據(jù)圖7可知電路的工作原理是：石英晶體振蕩器提供的頻率為1MHz，CD4518 組成十分頻電路。并且一個CD4518可以組成兩個十分頻電路即：CD4518的引腳2 與引腳6組成一個十分頻電路而引腳10與引

8、腳14組成另一個十分頻電路。晶振的 輸出接入第一塊CD4518的輸入引腳2,經(jīng)過一次十分頻，頻率變?yōu)?00KHz。輸出引 腳6接入同一塊CD4518的引腳10經(jīng)第二次分頻，頻率變?yōu)?0KHz。輸出引腳接人 第二塊CD4518的輸入引腳2再經(jīng)一次分頻，頻率變?yōu)?KHz。這樣經(jīng)過六次分頻最 后可以得到1Hz的頻率。3.2.2計數(shù)電路計數(shù)器是一種計算輸入脈沖的時序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計數(shù)的輸入信號就是時序網(wǎng)絡(luò) 的時鐘脈沖，它不僅可以計數(shù)而且還可以用來完成其他特定的邏輯功能，如測量、 定時控制、數(shù)字運算等等。數(shù)字鐘的計數(shù)電路是用兩個六十進制計數(shù)電路和“ 12翻1”計數(shù)電路實現(xiàn)的。 數(shù)字鐘的計數(shù)電路的設(shè)計可以用

9、反饋清零法。當(dāng)計數(shù)器正常計數(shù)時，反饋門不起作 用，只有當(dāng)進位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計數(shù)。 以六十進制為例，當(dāng)計數(shù)器從00，01，02,，59計數(shù)時，反饋門不起作用，只 有當(dāng)?shù)?0個秒脈沖到來時，反饋信號隨即將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)模為60的循環(huán)計 數(shù)。下面將分別介紹60進制計數(shù)器和“12翻1”小時計數(shù)器。（一）60進制計數(shù)器電路如圖8所示?r 9 8QQQQ6_1_4*GND-5V2 |9 8l7 4LS9 2_27 4LS9 0_5GND+ 5V圖8電路中，74LS92作為十位計數(shù)器，在電路中采用六進制計數(shù)；74LS90作為個位 計數(shù)器在電路中采用十進制計數(shù)。當(dāng)74

10、LS90的14腳接振蕩電路的輸出脈沖1Hz時 74LS90開始工作，它計時到10時向十位計數(shù)器74LS92進位。下面對電路中所用的 主要元件及功能介紹。十進制計數(shù)器74LS9074LS90是二一五一十進制計數(shù)器，它有兩個時鐘輸入端CKA和CKB。其中，CKA 和Q0組成一位二進制計數(shù)器；CKB和Q3QQ組成五進制計數(shù)器；若將Q0與CKB相 連接，時鐘脈沖從以人輸入，則構(gòu)成了 8421BCD碼十進制計數(shù)器。74LS90有兩個清 零端R0（1）、R0（2），兩個置9端R9（1）和R9（2），其BCD碼十進制計數(shù)時序如 表1，二一五混合進制計數(shù)時序如表2，74LS90的管腳圖如圖9。J2R0(1)R

11、0(2)R9(1) QAR9(2) QBQC CKA QD CKB12679-14811174LS90CKQdQQbQ00000100012001030011401005010160110701118100091001表1 BCD碼十進制計數(shù)時序CKQQbQcQd00000100012001030011401005100061001710108101191100表2二一五混合進制計數(shù)時序異步計數(shù)器74LS92所謂異步計數(shù)器是指計數(shù)器內(nèi)各觸發(fā)器的時鐘信號不是來自于同一外接輸入時 鐘信號，因而觸發(fā)器不是同時翻轉(zhuǎn)。這種計數(shù)器的計數(shù)速度慢。一異步計數(shù)器74LS92 是 二一六一十二進制計數(shù)器，即CKA

12、和Q0組成二進制計數(shù)器，CKB和Q3QQ在 74LS92中為六進制計數(shù)器。當(dāng)CKB和Q0相連，時鐘脈沖從CKA輸入，74LS92構(gòu)成 十六進制計數(shù)器。74LS92的管腳圖如圖10。141R0(1) QAR0(2) QBQCCKA QDCKB12119874LS92圖10（二）“12翻1”小時計數(shù)器電路（1）電路如圖11所示+5v4R13.3U8D 74LS04CP+5V74LS74ASD CDCLK圖11“12 翻 1” 小時計數(shù)器是按照“01020304050607080910-11-12-01 ”規(guī)律計數(shù)的，計數(shù)器的計數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表3所示。表3 “12翻1”小時計時時序十位個位十位個位C

13、KQ10Q03Q02Q01Q00CKQ10Q03Q02Q01Q00000000801000100001901001200010010103000111010000400100111000150010112100106001101300001700111（二）電路的工作原理由表可知：個位計數(shù)器由4位二進制同步可逆計數(shù)器74LS191構(gòu)成，十位計數(shù)器由 雙D觸發(fā)器74LS74構(gòu)成，將它們組成“ 12翻1”小時計數(shù)器。由表可知：計數(shù)器的狀態(tài)要發(fā)生兩次跳躍：一是：計數(shù)器計到9,即個位計數(shù)器的狀態(tài)為Q03Q02Q01Q00 =1001后，在下一計數(shù)脈沖的作用下計數(shù)器進入暫態(tài)1010， 利用暫態(tài)的兩個1即

14、Q03Q01使個位異步置0,同時向十位計數(shù)器進位使Q10 =1；二 是計數(shù)到12后，在第13個計數(shù)脈沖作用下個位計數(shù)器的狀態(tài)應(yīng)為Q03Q02Q01Q00 =0001，十位計數(shù)器的Q10 =0。第二次跳躍的十位清“0”和個位置“1”的輸出端Q10、 Q01、Q00來產(chǎn)生。對電路中所用的主要元件及功能介紹。D觸發(fā)器74LS74在電路中用到了 D觸發(fā)器74LS74，74LS74的管腳圖如圖12。F-reD74LS74QCLKCLR Q圖12下面將介紹一些有關(guān)觸發(fā)器的內(nèi)容：觸發(fā)器，它是由門電路構(gòu)成的邏輯電路，它的輸出具有兩個穩(wěn)定的物理狀態(tài)（高 電平和低電平），所以它能記憶一位二進制代碼。觸發(fā)器是存放在

15、二進制信息的最基 本的單元。按其功能可為基本RS觸發(fā)器觸、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器和T觸發(fā)器。這幾種觸發(fā)器都有集成電路產(chǎn)品。其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)數(shù)JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器。 不過，深刻理解RS觸發(fā)器對全面掌握觸發(fā)器的工作方式或動作特點是至關(guān)重要的。 事實上，JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器是RS觸發(fā)器的改進型，其中JK觸發(fā)器保留了兩個數(shù) 據(jù)輸入端，而D觸發(fā)器只保留了一個數(shù)據(jù)輸入端。D觸發(fā)器有邊沿D觸發(fā)器和高電 平。觸發(fā)器。74LS74為一個電平。觸發(fā)器。計數(shù)器74LS19174LS191的管腳圖如圖134耳14i!15F109.CTENMAX/MIND/uRCO.CLKQALD 74LS191 QB.AQCBQD.

16、CD圖131213V26T3.2.3校時電路（一）電路如圖14所示GND+5V圖14（二）電路的工作原理校時電路的作用是：當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者出現(xiàn)誤差時，校正時間。校時是數(shù) 字鐘應(yīng)具有的基本功能。一般電子表都具有時、分、秒等校時功能。為了使電路簡 單，在此設(shè)計中只進行分和小時的校時。校時有“快校時”和“慢校時”兩種，“快 校時”是通過開關(guān)控制，使計數(shù)器對1Hz校時脈沖計數(shù)。“慢校時”是用手動產(chǎn)生單 脈沖作校時脈沖。圖中S1校分用的控制開關(guān)，S2（總圖）為校時用的控制開關(guān)，它 們的控制功能如表4所示，校時脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖，當(dāng)S1或S2分別 為“0”時可以進行“快校時”。如果校時脈沖

17、由單次脈沖產(chǎn)生器提供，則可以進行 “慢校時”。表4校時開關(guān)的功能S1S2功能11計數(shù)10校分00校時表4（三）對電路中所用的主要元件及功能介紹在此電路中，用到的元器件有兩塊四2輸入與非門74LS00、一塊六反相器74 LS04、兩個電容、兩個電阻以及兩個開關(guān)。（1）四-2輸入與非門74LS00集成邏輯門是數(shù)字電路中應(yīng)用十分廣泛最基本的一種器件，為了合理的使用和 充分利用其性能，必須對它的主要參數(shù)和邏輯功能進行測試74LS00與非門的主要 參數(shù)為：輸出高電平：指與非門有一個以上輸入端接地或接低電平時的輸出電平值。輸出低電平：指與非門的所有輸入端均接高電平時的輸出電平值。開門電平：指與非門輸出處于

18、額定低電平時允許輸入高電平的最小值。關(guān)門電平：指與非門輸出處于高電平狀態(tài)時允許輸入低電平的最大值。電壓傳輸特性：是指門的輸出電壓隨輸入電壓而變化的曲線，由它可以得到門電路的輸出 高電平、輸出低電平、關(guān)門電平和開門電平等。低電平的輸出電源電流；是指輸入所有端都懸空，輸出端空載時，電源提供器 件的電流。高電平輸出電源電流：是指輸出端空載，每個門各有一個以上的輸入端接地， 電源提供給器件的電流。低電平輸入電流：是指被測輸入端接地，其余輸入端懸空時，由被測輸入端流 出的電流值。高電平輸入電流：指被測輸入端接高電平，其余輸入端接地，流入被測輸入端 的電流值。扇出系數(shù)：門電路能驅(qū)動同類門的個數(shù)，它是衡量門

19、電路負載能力的一個參數(shù)， TTL與非門有兩種不同性質(zhì)的負載，即灌電流負載和拉電流負載，因此有兩種扇出 系數(shù)。即低電平扇出系數(shù)和高電平扇出系數(shù)。3.2.4譯碼與顯示電路（一）電路如圖15所示74LS48DPY_7-SEG圖15（二）電路的工作原理譯碼是編碼的相反過程，譯碼器是將輸入的二進制代碼翻譯成相應(yīng)的輸出信號 以表示編碼時所賦予原意的電路。常用的集成譯碼器有二進制譯碼器、二一十制譯 碼器和BCD-7段譯碼器、顯示模塊用來顯示計時模塊輸出的結(jié)果。（三）對電路中的主要元件及功能介紹（1）譯碼器74LS48譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進行 “翻譯”，變成相應(yīng)的狀

20、態(tài)，使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號輸出。譯碼器在數(shù)字系 統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)字分配，存 儲器尋址和組合控制信號等。譯碼器可以分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。在 電路中用的譯碼器是共陰極譯碼器74LS48,用74LS48把輸入的8421BCD碼ABCD譯 成七段輸出a-g，再由七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。74LS48的管腳圖如圖16。在管 腳圖中，管腳LT、RBI、BI/RBO都是低電平是起作用，作用分別為：LT為燈測檢查，用LT可檢查七段顯示器個字段是否能正常被點燃。BI是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。RBI是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅BI/R

21、BO是共用輸出端，RBO 稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端RBI，在多位十進制數(shù)表示時，把多余零位 熄滅掉，以提高視圖的清晰度。也可用共陰譯碼器74LS248, CD4511。4537126bI/rboa b c d e f g皿-LTA B c D13 E T1 誦 9 13圖16顯示器 SM421050N在此電路圖中所用的顯示器是共陰極形式，陰極必須接地。SM421050N的管腳 功能圖如圖17a DPY3b fllb4 dC LEDgne e,f_g_DPY7-SEG圖17主體電路部分是由上面的以上的各個單元電路組成的。3.2.4自動報整點時數(shù)電路(一)電路的工作原理報整點時數(shù)電路的功

22、能是：每當(dāng)數(shù)字鐘計時到整點時發(fā)出音響，并且?guī)c響幾 聲。實現(xiàn)這一功能的電路主要有以下幾個部分。減法計數(shù)器：完成幾點響幾聲的功能。即從小時計數(shù)器的整點開始進行減法計 數(shù)，直到零為止。編碼器：將小時計數(shù)器的5個輸出端Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照“ 12翻1” 的編碼要求轉(zhuǎn)換為減法計數(shù)器的4個輸入端D3、D2、D、D0所需要的BCD碼。 在電路圖中編碼器是由與非門實現(xiàn)的組合邏輯電路。其中編碼器是由與非門實現(xiàn)的組合邏輯電路，其輸出端的邏輯表達式由5變量 的卡若圖可得。D0 2。D1 = QQ1 QQ4D2 =瓦西D3 = 口 Q分進位脈沖小時計數(shù)器輸出減法計數(shù)器輸入CKQ 4 Q Q 2 Q1Q

23、0D3 D2 D1 D 010 0 0 0 10 0 0 120 0 0 1 00 0 1 030 0 0 1 10 0 1 140 0 1 0 00 1 0 050 0 1 0 10 1 0 160 0 1 1 00 1 1 070 0 1 1 10 1 1 180 1 0 0 01 0 0 090 1 0 0 11 0 0 1101 0 0 0 01 0 1 0111 0 0 0 11 0 1 1121 0 0 1 01 1 0 0編碼器的真值表D0D1D2D3邏輯控制電路 控制減法計數(shù)器的清“0”與置數(shù)，控制音響電路 的輸入信號。減法計數(shù)器選用74LS191，74LS191各控制端的作用

24、如下。LD為置數(shù)端。當(dāng)LD=0時將小時計數(shù)器的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)輸入端D0DD2D3的數(shù)據(jù)置 入，RC為溢出負脈沖輸出端.當(dāng)減法計數(shù)到“0”時，RC輸出一個負脈沖。U/D為加 /減控制器。U/D=1時減法計數(shù)。CKa為減法計數(shù)脈沖，兼作音響電路的控制脈沖。 邏輯控制電路由D觸發(fā)器74LS74與多級與非門組成。其工作原理是：接通電源后 按觸發(fā)開關(guān)S，使D觸發(fā)器74LS74清0，即1Q=0。該清“0”脈沖有兩個作用: 一是，使74LS191的置數(shù)端LD=0,即將此對應(yīng)的小時計數(shù)器輸出的整點時數(shù)置入 74LS191； 二是，封鎖1KHz的音頻信號，使音響電路無脈沖輸入。當(dāng)分十位計數(shù) 器的進位脈沖下降沿到來時

25、，經(jīng)過G1反相，小時計數(shù)器加1。新的小時數(shù)置于 74LS191，分十位計數(shù)器的進位脈沖的下降沿到來時又使74LS74的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，1Q 經(jīng)G3、G4延時后，74LS191進行減法計數(shù)，計數(shù)脈沖由CK0提供。CK0=1時音響 電路發(fā)出1KHz聲音，當(dāng)CK0=0時停響。當(dāng)減法計數(shù)到0時，使D觸發(fā)器的1CK=0, 但是觸發(fā)器的狀態(tài)不改變。因為分十位計數(shù)器的進位脈沖仍為0, CK=1，使D觸發(fā) 器翻轉(zhuǎn)復(fù)“0”，74LS191又回到置數(shù)狀態(tài)，直到下一個分十位計數(shù)器進位脈沖的下 降沿來到。實現(xiàn)自動報警的功能。如果出現(xiàn)某些整點數(shù)不準(zhǔn)確，其主要原因是邏輯 控制電路的與非門延時時間不夠，產(chǎn)生了競爭冒險的現(xiàn)象，可以適當(dāng)增加與非門的級 數(shù)或接如小電容進行濾波。4.調(diào)試4.1振蕩電路部分我用的1MHZ的晶振產(chǎn)生1MHZ的頻率經(jīng)過74LS90組成的二-五-十的分頻器，可 很好的擴展部分所需的頻率。只是要用六塊74LS90，后來我查了手冊，發(fā)現(xiàn)4518 有兩片十進制分頻器，功能與