多功能數(shù)字鐘的設(shè)計與制作

..目錄TOC\o"1-3"\h\u31622摘要 146411數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)設(shè)計及方案選擇 246411.1振蕩器的選擇 2167811.2計數(shù)單元的構(gòu)成及選擇 3101751.3譯碼顯示單元的構(gòu)成選擇 3279571.4校時單元電路設(shè)計及選擇 4297932數(shù)字鐘單元電路的設(shè)計 4228262.1振蕩器電路設(shè)計 4309992.2時間計數(shù)單元設(shè)計 5140582.2.1集成異步計數(shù)器74LS390 5192822.2.2用74LS390構(gòu)成秒和分計數(shù)器電路 6287702.2.3用74LS390構(gòu)成時計數(shù)器電路 6139592.2.4時間計數(shù)單元總電路 7285552.3譯碼顯示單元電路設(shè)計 8245312.3.1譯碼器74LS48 8173892.3.2顯示器TLG342 992112.3.3譯碼顯示電路 1074672.4校時單元電路設(shè)計 11271993數(shù)字鐘的實現(xiàn)電路及其工作原理 1228244電路的搭建與調(diào)試 13150545結(jié)束語 1413962參考文獻(xiàn) 157652附錄1： 16..摘要數(shù)字鐘被廣泛用于個人家庭及公共場所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵贰ＶT如定時自動報警、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)字鐘及擴大其應(yīng)用,有著非?，F(xiàn)實的意。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、分計時器和12進(jìn)制計時計數(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多諧振蕩器計數(shù)器74LS39074LS48多功能數(shù)字鐘的設(shè)計及制作1數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)設(shè)計及方案選擇

數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率<1HZ>進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。主要由振蕩器、分頻器、計數(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。秒計數(shù)器滿60后向分計數(shù)器進(jìn)位,分計數(shù)器滿60后向小時計數(shù)器進(jìn)位,小時計數(shù)器按照"12翻1"規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。由于計數(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)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖,由74LS390采用清零法分別組成六十進(jìn)制的秒計數(shù)器、六十進(jìn)制分計數(shù)器、十二進(jìn)制時計數(shù)器。使用NE555定時器的輸出作為秒記數(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)制的秒計數(shù)器、六十進(jìn)制分計數(shù)器、十二進(jìn)制時計數(shù)器。使用由石英晶體振蕩器和由CD4060構(gòu)成的分頻器構(gòu)成的產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖,把秒計數(shù)器地進(jìn)位輸出作為分計數(shù)器的CP脈沖,分計數(shù)器的進(jìn)位輸出作為時計數(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)計中我選用方案一進(jìn)行設(shè)計。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。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,它的計時精確度高、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計數(shù)單元的構(gòu)成及選擇時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成,其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進(jìn)制計數(shù)器,而根據(jù)設(shè)計要求,時個位和時十位計數(shù)器為12進(jìn)制計數(shù)器。計數(shù)單元可選擇異步十進(jìn)制計數(shù)器74LS390,異步十進(jìn)制計數(shù)器74LS90,雙時鐘同步加減計數(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數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(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,計數(shù)器計數(shù)一次,多次撥動開關(guān)就可以進(jìn)行準(zhǔn)確校時。在設(shè)計中我選用基本SR鎖存器進(jìn)行設(shè)計校時電路,因為在校時時可能會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象使結(jié)果不準(zhǔn)確,基本SR鎖存器既簡單方便又可以消除這個現(xiàn)象。2數(shù)字鐘單元電路的設(shè)計2.1振蕩器電路設(shè)計多諧振蕩器是能產(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〔1/3VCC,故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平,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〔2/3VCC時,輸出UO為低電平,放電管VT導(dǎo)通,把UC從〔1/3VCC上升到〔2/3VCC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〔R1＋2R2C。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時間計數(shù)單元設(shè)計時間計數(shù)單元由時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分組成。時計數(shù)單元為12數(shù)器計數(shù),其輸出為兩位8421BCD碼形式,分計數(shù)和秒計數(shù)單元為60進(jìn)制計數(shù)器,其輸出也為8421BCD碼。本實驗采取了用兩塊74LS390芯片進(jìn)行級聯(lián)來產(chǎn)生60進(jìn)制和12進(jìn)制計數(shù)器。2.2.1集成異步計數(shù)器74LS39074LS390是雙十進(jìn)制計數(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2-274LS390引腳圖表2-274LS390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〔0~1。〔3五進(jìn)制計數(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?！?十進(jìn)制計數(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)制計數(shù)器。2.2.2用74LS390構(gòu)成秒和分計數(shù)器電路秒個位計數(shù)單元為10計數(shù)器,無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換,只需將Q0與CKB相連即可。CKA與1HZ秒輸入信號相連,Q3可作為進(jìn)位信號與十位計數(shù)單元的CKA相連。秒十位計數(shù)單元為6進(jìn)制計數(shù)器,需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計數(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即可實現(xiàn)異步清0實現(xiàn)6進(jìn)制。Q2可作為進(jìn)位信號與分個位的計數(shù)單元的CKA相連,如圖2-3所示。圖2-3秒和分計數(shù)器的連接電路圖分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同,也是分個位計數(shù)單元的Q3作為進(jìn)位信號與分十位計數(shù)單元的CKA相連,分十位計數(shù)單元的Q2作為進(jìn)位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的CKB相連。秒十位計數(shù)單元為6進(jìn)制計數(shù)器,需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換,將10進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計數(shù)器。2.2.3用74LS390構(gòu)成時計數(shù)器電路時計數(shù)單元的個位和十位分別為2進(jìn)制和3進(jìn)制計數(shù)。個位的輸入脈沖為分十位的Q2,將Q0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)成異步清零實現(xiàn)12進(jìn)制計數(shù)。如圖2-4為時計數(shù)器的電路圖：圖2-4時計數(shù)器連接電路圖2.2.4時間計數(shù)單元總電路如圖2-5所示電路為數(shù)字鐘的時間計數(shù)單元電路連接：圖2-5數(shù)字鐘的時間計數(shù)單元電路連接圖2.3譯碼顯示單元電路設(shè)計計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出,譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài),并且為七段數(shù)碼管的正常工作提供足夠的工作電流。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(jìn)行"翻譯",變成相應(yīng)的狀態(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。用于驅(qū)動LED七段數(shù)碼顯示常用的有74LS48、CC4511。2.3.1譯碼器74LS4874LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器,其輸出是OC門輸出且高電平有效,專用于驅(qū)動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。其功能是把輸入的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)。由74LS48和LED七段共陰極數(shù)碼管組成一位數(shù)碼顯示電路。若將"秒"、"分"、"時"計數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端,便可進(jìn)行不同數(shù)字顯示。在譯碼器輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)的R為限流電阻。當(dāng)數(shù)字鐘的計數(shù)器在CP脈沖的作用下,就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號,74LS48的管腳如圖2-6。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/RBO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(jìn)制數(shù)表示時,把多余零位熄滅掉,以提高視圖的清晰度。VccfgabcdeVccfgabcdeBCLTBI/RBORBIDAGND1234567816151413121110974LS48圖2-6譯碼器74LS4874LS48的功能表如下表所示：表2-274LS48BCD七段譯碼驅(qū)動器功能表74LS48引腳功能七段譯碼驅(qū)動器功能表十進(jìn)制數(shù)輸入BT/RB0輸出LTRBIABCDabcdefg0H/0000H11111111H/0001H01100002H/0010H11011013H/0011H11110014H/0100H01100115H/0101H10110116H/0110H00111117H/0111H11100008H/1000H11111119H/1001H1110011〔1譯碼功能：將LT,RBI和BI/RBO端接高電平,輸入十進(jìn)制數(shù)0~9的任意一組8421BCD碼〔原碼,則輸出端a~g也會得到一組相應(yīng)的7位二進(jìn)制代碼〔74LS48驅(qū)動共陰極,輸出3FH、06H、5BH…；74LS47驅(qū)動共陽極,輸出COH、F9H、A4H…。如果將這組代碼輸入到數(shù)碼管,就可以顯示出相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)?！?試燈功能：給試燈輸入加低電平,而BI/RBO端加高電平時,則輸出端a~g均為高電平。若將其輸入數(shù)碼管,則所有的顯示段都發(fā)亮。此功能可以用于檢查數(shù)碼管的好壞。〔3滅燈功能：將低電平加于滅燈輸入時,不管其他輸入為什么電平,所有輸出端都為低電平。將這樣的輸出信號加至數(shù)碼管,數(shù)碼管將不發(fā)亮?！?動態(tài)滅燈功能：RBI端為滅零輸入端,其作用是將數(shù)碼管顯示的數(shù)字0熄滅。當(dāng)RBI=0,且DCBA=0000時,若LT=1,a~g輸出為低電平,數(shù)碼管無顯示。利用該滅零端,可熄滅多位顯示中不需要的零。不需要滅零時,RBI=1。2.3.2顯示器TLG342圖2-7是共陰極式LED數(shù)碼管的原理圖,使用時公共陰極接地,使每個發(fā)光二極管都處于導(dǎo)通狀態(tài),而且這7個發(fā)光二極管a到g分別由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來驅(qū)動。圖2-7共陰極LED數(shù)碼管的原理圖在這里,我們選用型號為TLG342的數(shù)碼管,TLG342的管腳功能圖如圖2-8所示：aabfcgde1234567abcdefgTLG342圖2-8TLG342的管腳圖2.3.3譯碼顯示電路譯碼顯示電路由共陰極譯碼器74LS48和七段數(shù)碼管LED組成。74LS48和TLG342的連接圖如圖2-9所示。圖2-9譯碼顯示電路2.4校時單元電路設(shè)計當(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數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(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)截斷分個位或者時個位的直接計數(shù)通路,并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。圖2-10為校"時"、校"分"電路。其中SW3為校"分"用的控制開關(guān),SW2為校"時"用的控制開關(guān)。圖2-10校時電路3數(shù)字鐘的實現(xiàn)電路及其工作原理數(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?！?SW2,SW3開關(guān)都打向上邊時,數(shù)字鐘開始計數(shù),其中,秒、分為60進(jìn)制計數(shù),時為12進(jìn)制計數(shù)?！?SW2打向上邊,SW3打向下邊時,可以進(jìn)行校分功能：手動產(chǎn)生單次脈沖作校時脈沖,即每撥動校時開關(guān)SW4一個來回,計數(shù)器計數(shù)一次,多次撥動開關(guān)J1就可以進(jìn)行準(zhǔn)確校時。〔3SW2打向下邊,SW3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)行整體計時電路的調(diào)試,若此電路能夠進(jìn)行正常計數(shù),那么一個完整的計時電路就出來了。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),計數(shù)器并能準(zhǔn)確加1,因為用基本RS觸發(fā)器可以實現(xiàn)防抖動功能。圖4-1為實物圖：圖4-1實物圖5結(jié)束語經(jīng)過多日的努力,終于將本次課程設(shè)計做完了,在本次課程設(shè)計過程中,我增強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。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)