多功能數(shù)字鐘集中講課課件

多功能數(shù)字鐘集中講課課件1第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五一、數(shù)字鐘的功能要求

基本功能

準(zhǔn)確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間

小時的計時要求為“12翻1”，分和秒的計時要求為60進(jìn)位

校正時間

擴(kuò)展功能

鬧鈴功能仿廣播電臺整點報時

報整點時數(shù)

第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五二、數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖

數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和擴(kuò)展電路兩大部分所組成

振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準(zhǔn)，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)器進(jìn)位

分計數(shù)器計滿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)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器

計時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進(jìn)行校時、校分、校秒

擴(kuò)展電路必須在主體電路正常運行的情況下才能進(jìn)行功能擴(kuò)展

第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五三、主體電路的設(shè)計與裝調(diào)

主體電路是由功能部件或單元電路組成。在設(shè)計這些電路或選擇部件時，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。整個系統(tǒng)所用的器件種類應(yīng)盡可能少。下面分別介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計。

第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五1.

振蕩器的設(shè)計

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(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(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。

如圖所示為電子手表集成電路（如5C702）中的晶體振蕩器電路，常取晶振的頻率為32768Hz，因其內(nèi)部有15級2分頻集成電路，所以輸出端正好可得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖。

第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五1.

振蕩器的設(shè)計

由555定時器和RC組成多諧振蕩器。555是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。設(shè)振蕩頻率為1kHZ。

由555定時器和外接元件R1、R2、C1構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連，如圖所示。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端Ct

放電，使電路產(chǎn)生振蕩。輸出信號的時間參數(shù)是：

T＝tw1＋tw2，tw1＝0.7(R1＋R2)Ctw2＝0.7R2C

第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五2.

分頻器的設(shè)計

分頻器的功能主要有兩個

產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號

提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號，如仿電臺報時用的1kHz的高音頻信號和500Hz的低音頻信號等

選用3片中規(guī)模集成電路計數(shù)器74LS192可以完成上述功能因每片為1/10分頻，3片級聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號

即第1片的Q0端輸出頻率為100Hz，第2片的Q3端輸出為10Hz，第3片的Q3端輸出為1Hz第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五3.

時分秒計數(shù)器的設(shè)計

分和秒計數(shù)器都是模M=60的計數(shù)器

其計數(shù)規(guī)律為00—01—…—58—59—00…

選74LS192作計數(shù)器，將··兩片級聯(lián)組成模數(shù)M=60的計數(shù)器

時計數(shù)器是一個“12翻1”的特殊進(jìn)制計數(shù)器即當(dāng)數(shù)字鐘運行到12時59分59秒時，秒的個位計數(shù)器再輸入一個秒脈沖時，數(shù)字鐘應(yīng)自動顯示為01時00分00秒，實現(xiàn)日常生活中慣用的計時規(guī)律選用74LS192，其電路自行設(shè)計。第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五4.

校時電路的設(shè)計

當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間（或稱校時）校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。一般電子手表都具有時、分、秒等校時功能為使電路簡單，這里只進(jìn)行分和小時的校時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)

校時方式有“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的校時脈沖計數(shù)

“慢校時”是用手動產(chǎn)生單脈沖作校時脈沖

S1為?！胺帧庇玫目刂崎_關(guān)

S2為?！皶r”用的控制開關(guān)

校時脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖

當(dāng)S1或S2分別為“0”時可進(jìn)行“快校時”

如果校時脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器（見第二章第四、五節(jié)）提供，則可以進(jìn)行“慢校時”需要注意的是，校時電路是由與非門構(gòu)成的組合邏輯電路，開關(guān)S1或S2為“0”或“1”時，可能會產(chǎn)生抖動，接電容C1、C2可以緩解抖動。必要時還應(yīng)將其改為去抖動開關(guān)電路（見第二章第三節(jié)）第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五5.

主體電路的裝調(diào)

由數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)，這里的每一級是指組成數(shù)字鐘的各功能電路。經(jīng)過聯(lián)調(diào)并糾正設(shè)計方案中的錯誤和不足之處后，再測試電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計要求。最后畫出滿足設(shè)計要求的總體邏輯電路圖。級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，可以增加多級邏輯門來延時第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五

如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端VCC加退耦濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01F的小電容相并聯(lián)。如果因?qū)嶒炂鞑挠邢蓿瑒t其中秒計數(shù)器的個位和時計數(shù)器的十位可以采用發(fā)光二極管指示，因而可以省去2片譯碼器和2片數(shù)碼顯示器。第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五四、功能擴(kuò)展電路的設(shè)計

鬧時功能

仿廣播電臺整點報時電路的設(shè)計

報整點時數(shù)電路的設(shè)計

第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五1.

鬧時電路的設(shè)計

數(shù)字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時”；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。

不管是鬧時還是控制，都要求時間準(zhǔn)確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。

例：要求上午7時59分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)時間為1分鐘。解：7時59分所對應(yīng)數(shù)字鐘的時個位計數(shù)器的狀態(tài)為：(Q3Q2Q1Q0)H1=0111，分十位計數(shù)器狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M2=0101，分個位計數(shù)器狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M1=1001。若將上述計數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點59分響，持續(xù)1分鐘后（即8點時）停響。第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五1.

鬧時電路的設(shè)計所以鬧時控制信號Z的表達(dá)式為

式中，M為上午的信號輸出，要求M=1

如果用與非門實現(xiàn)上式所表示的邏輯功能，則可以將Z進(jìn)行布爾代數(shù)變換，即

實現(xiàn)上式的邏輯電路如圖所示，其中74LS20為4輸入二與非門，74LS03為集電極開路（OC門）的2輸入四與非門

因OC門的輸出端可以進(jìn)行“線與”，使用時在它們的輸出端與電源+5V端之間應(yīng)接一電阻RL，RL的值可由式(2-3-8)、(2-3-9)計算，取RL=3.3k。如果控制1kHz高音和驅(qū)動音響電路的兩級與非門也采用OC門，則RL的值應(yīng)重新計算

由圖可見上午7點59分時,音響電路的晶體管導(dǎo)通,則揚(yáng)聲器發(fā)出1kHz的聲音。持續(xù)1分鐘到8點整晶體管因輸入端為“0”而截止,電路停鬧。

第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五

仿廣播電臺整點報時電路的功能要求是：

每當(dāng)數(shù)字鐘計時快要到整點時發(fā)出聲響;

通常按照4低音1高音的順序發(fā)出間斷聲響;

以最后一聲高音結(jié)束的時刻為正點時刻。表5.5.2

秒個位計數(shù)器的狀態(tài)CP(秒)Q3S1Q2S1Q1S1Q0S1功能500000

510001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000000停

設(shè)4聲低音（約500Hz）分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一聲高音（約1kHz）發(fā)生在59分59秒，它們的持續(xù)時間均為1秒。由表可得

2.

仿廣播電臺整點報時電路的設(shè)計第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五2.

仿廣播電臺整點報時電路的設(shè)計只有當(dāng)

分十位的Q2M2Q0M2=11

分個位的Q3M1Q0M1=11

秒十位的Q2S2Q0S2=11秒個位的Q0S1=1時

音響電路才能工作

這里采用的都是TTL與非門，如果用其它器件，則報時電路還會簡單一些。

第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五3.

報整點時數(shù)電路的設(shè)計

報整點時數(shù)電路的功能是：每當(dāng)數(shù)字鐘計時到整點時發(fā)出音響，且?guī)c響幾聲。實現(xiàn)這一功能的電路主要由以下幾部分組成：

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(jìn)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、D1、D0所需的BCD碼。

邏輯控制電路：控制減法計數(shù)器的清“0”與置數(shù)?？刂埔繇戨娐返妮斎胄盘?。

第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五3.

報整點時數(shù)電路--減法計數(shù)器

減法計數(shù)器選用74LS191，各控制端的作用如下:為置數(shù)端。當(dāng)

=0時將小時計數(shù)器的輸出經(jīng)數(shù)

據(jù)輸入端D0D1D2D3的數(shù)據(jù)置入。為溢出負(fù)脈沖輸出端。當(dāng)減計數(shù)到“0”時，

輸出一個負(fù)脈沖。

為加/減控制器。

=1時減法計數(shù)。

CPA為減法計數(shù)脈沖，兼作音響電路的控制脈沖。

第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五3.

報整點時數(shù)電路--編碼器

分進(jìn)位脈沖

小時計數(shù)器輸出

減法計數(shù)器輸入

CPQ4Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0100001000120001000103000110011400100010050010101016001100110700111011180100010009010011001101000010101110001101112100101100

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(dá)式由5變量的卡諾圖可得：

D1的邏輯表達(dá)式

如果用與非門實現(xiàn)上式，則

D2的邏輯表達(dá)式

D0、D3的邏輯表達(dá)式分別為

第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五3.

報整點時數(shù)電路--邏輯控制電路

邏輯控制電路由D觸發(fā)器74LS74與多級與非門組成

接通電源后按觸發(fā)開關(guān)S，使D觸發(fā)器清“0”，即1Q=0。該清“0”脈沖有兩個作用

其一，使74LS191的置數(shù)端，即將此時對應(yīng)的小時計數(shù)器輸出的整點時數(shù)置入74LS191；

其二，封鎖1kHz的音頻信號，使音響電路無輸入脈沖。

當(dāng)分十位計數(shù)器的進(jìn)位脈沖Q2M2的下降沿來到時，經(jīng)G1反相，小時計數(shù)器加1。新的小時數(shù)置入74LS191。Q2M2的下降沿同時又使74LS74的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，1Q經(jīng)G3、G4延時后使

此時74LS191進(jìn)行減法計數(shù)，計數(shù)脈沖由CP0提供。CP0=1時音響電路發(fā)出1kHz聲音，CP0=0時停響。

當(dāng)減法計數(shù)到0時，使D觸發(fā)器的1CP=0，但觸發(fā)器狀態(tài)不變。當(dāng)

時，因O2M2仍為0，CP=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Q2M2的下降沿來到

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中的與非門延時時間不夠，產(chǎn)生了競爭冒險現(xiàn)象，可以適當(dāng)增加與非門的級數(shù)或接入小電容進(jìn)行濾波。

第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期五五、設(shè)計任務(wù)

功能要求：基本功能：以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時