數(shù)字鐘的課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)名稱：數(shù)字式時(shí)鐘的設(shè)計(jì)姓名：_______學(xué)號:班級：09自動(dòng)化指導(dǎo)教師：起止日期：2011.11.21至2011.11.25課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生班級：09自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)號：設(shè)計(jì)名稱：數(shù)字式時(shí)鐘的設(shè)計(jì)起止日期2011.11.21至2011.11.25指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)要求：1、能夠顯示時(shí)、分、秒；2、時(shí)為24進(jìn)制，分秒為60進(jìn)制；

3、能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校時(shí)功能，可以分別對時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；

4、計(jì)時(shí)過程過程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)。一、摘要隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對數(shù)字鐘的要求也越來越高，傳統(tǒng)的時(shí)鐘已不能滿足人們的需求。多功能數(shù)字鐘不管在性能還是在樣式上都發(fā)生了質(zhì)的變化，有電子鬧鐘、數(shù)字鬧鐘等等。單片機(jī)在多功能數(shù)字鐘中的應(yīng)用已是非常普遍的，人們對數(shù)字鐘的功能及工作順序都非常熟悉。但是卻很少知道它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理。本文將介紹關(guān)于數(shù)字式時(shí)鐘的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式時(shí)鐘除了具有能夠顯示時(shí)、分、秒，而且時(shí)為24進(jìn)制，分秒為60進(jìn)制的功能外，數(shù)字還鐘具有校時(shí)功能即有預(yù)置數(shù)功能。需要其在任何時(shí)間可對數(shù)字鬧鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，將其撥至標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間或其他需要的時(shí)間。此數(shù)字式時(shí)鐘還具有一個(gè)功能就是計(jì)時(shí)過程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)。方便人們知道整點(diǎn)時(shí)間。二、目錄一、摘要1目錄2三、設(shè)計(jì)要求3四、各部分電路設(shè)計(jì)原理及其框圖3數(shù)字鐘的構(gòu)成3晶體振蕩器電路4分頻器電路4時(shí)間計(jì)數(shù)器電路4譯碼驅(qū)動(dòng)電路5數(shù)碼管52.2、數(shù)字鐘的工作原理52.2.1、晶體振蕩器電路52.2.2、分頻器電路62.2.3、時(shí)間計(jì)數(shù)單元72.3.4、譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元92.3.5、校時(shí)電源電路92.3.6、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路9五、各功能塊電路圖10.六、心得體會15七、參考文獻(xiàn)16八、評語表16三、設(shè)計(jì)要求（1）能夠顯示時(shí)、分、秒；

（2）時(shí)為24進(jìn)制，分秒為60進(jìn)制；

（3）能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校時(shí)功能，可以分別對時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；

（4）計(jì)時(shí)過程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)四、各部分電路設(shè)計(jì)原理及其框圖1．?dāng)?shù)字鐘的構(gòu)成

數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對標(biāo)準(zhǔn)頻率（）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)的時(shí)間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。下圖所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖：

（1）晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。

（2）分頻器電路

分頻器電路將的高頻方波信號經(jīng)次分頻后得到的方波信號供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。

（3）時(shí)間計(jì)數(shù)器電路

時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

（4）譯碼驅(qū)動(dòng)電路

譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)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。

（5）數(shù)碼管

數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)我們所使用的是ＬＥＤ數(shù)碼管。

2．?dāng)?shù)字鐘的工作原理

1）晶體振蕩器電路

晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖2所示電路通過ＣＭＯＳ非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，ＣＭＯＳ非門Ｕ１與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，Ｕ２實(shí)現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻Ｒ１為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)相移，從而和非門構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。從有關(guān)手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時(shí)，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。非門電路可選7416N。

圖2COMS晶體振蕩器

2）分頻器電路

通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到１Ｈz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻。

通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級２進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。例如，將的振蕩信號分頻為1HZ 的分頻倍數(shù)為，即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于15極2進(jìn)制計(jì)數(shù)器。常用的2進(jìn)制計(jì)數(shù)器有74HC393等。

本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計(jì)數(shù)為14級2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32768的信號分頻為2HZ，其內(nèi)部框圖如圖3所示，從圖中可以看出，CD4060的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。

圖3CD4046內(nèi)部框圖

３）時(shí)間計(jì)數(shù)單元

時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個(gè)部分。

時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC390來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選74HC390，其內(nèi)部邏輯框圖如圖所示。該器件為雙2-5-10異步計(jì)數(shù)器，并且每一計(jì)數(shù)器均提供一個(gè)異步清零端（高電平有效）。

圖474HC390(1/2)內(nèi)部邏輯框圖

秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將QA與CPB（下降沿有效）相連即可。CPA（下降沒效）與1HZ秒輸入信號相連，Q3可作為向上的進(jìn)位信號與十位計(jì)數(shù)單元的CPA相連。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5所示，其中Q2可作為向上的進(jìn)位信號與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的CPA相連。

圖510進(jìn)制——6進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換電路

分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的Ｑ３作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的CPA相連，分十位計(jì)數(shù)單元的Q2作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的CPA相連。

時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行10進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用1片74HC390實(shí)現(xiàn)12進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖6所示。

另外，圖6所示電路中，尚余－２進(jìn)制計(jì)數(shù)單元，正好可作為分頻器2HZ輸出信號轉(zhuǎn)化為1HZ信號之用。

圖612進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路

4）譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元

計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。

5）校時(shí)電源電路

當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對時(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)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計(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)信號與校正信號可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時(shí)電路，圖7帶有消抖動(dòng)電路的校正電路

6）整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路

一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能，即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動(dòng)報(bào)時(shí)，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復(fù)雜的也可以是實(shí)時(shí)語音提示。

根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號。報(bào)時(shí)電路選74HC30，選蜂鳴器為電聲器件。五、各功能塊電路圖

1．一個(gè)CD4511和一個(gè)LED數(shù)碼管連接成一個(gè)CD4511驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)碼管可從09顯示，以次來檢查數(shù)碼管的好壞，見附圖8。圖84511驅(qū)動(dòng)電路

2．利用一個(gè)LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管從0—9顯示，見附圖9。

圖974390十進(jìn)制計(jì)數(shù)器

3．利用一個(gè)LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00和一個(gè)晶振連接成一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，數(shù)碼管從0—6顯示，見附圖10。

圖1074390六進(jìn)制計(jì)數(shù)器

4．利用一個(gè)六進(jìn)制電路和一個(gè)十進(jìn)制連接成一個(gè)六十進(jìn)制電路，電路可從0—59顯示，見附圖1。

圖11六十進(jìn)制電路

5．利用兩個(gè)六十進(jìn)制的電路合成一個(gè)雙六十進(jìn)制電路，兩個(gè)六十進(jìn)制之間有進(jìn)位，見附圖12。

圖12雙六十進(jìn)制電路

6．利用CD4060、電阻及晶振連接成一個(gè)分頻——晶振電路，見附圖13。圖13分頻—晶振電路

7．利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個(gè)校時(shí)電路，見附圖14。

圖14校時(shí)電路

8．利用74HC30和蜂鳴器連接成整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。見附圖