數(shù)電課程設(shè)計(jì)電子時(shí)鐘

摘要數(shù)字鐘被廣泛用于個(gè)人家庭,車站,碼頭、辦公室等公共場(chǎng)所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字鐘的精度,運(yùn)用超過老式鐘表,而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、自動(dòng)起閉路燈、定時(shí)開關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備、甚至各種定時(shí)電氣的自動(dòng)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(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。數(shù)字電子鐘一般由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路等組成。秒信號(hào)是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實(shí)現(xiàn)。將秒信號(hào)送入秒計(jì)數(shù)器，它是六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。每累計(jì)六十秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，這個(gè)信號(hào)作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器”也是六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它每累計(jì)六十分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，此信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)一天二十四小時(shí)的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過六位LED顯示器顯示出來。校時(shí)電路是用來對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整的。本文通過對(duì)CD4060、CD4013、74LS160、74LS48和晶體振蕩器的基本原理和基本功能的介紹，結(jié)合數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)過程讓我們對(duì)電子鐘的設(shè)計(jì)有了清楚的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘，晶體振蕩器，計(jì)數(shù)器，CD4060,74LS160目錄1緒論11.1.課題描述11.2.基本工作原理與框圖12各部分電路原理及器件簡(jiǎn)介22.1秒信號(hào)產(chǎn)生電路22.2進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路42.2.174LS160功能簡(jiǎn)介42.2.260進(jìn)制計(jì)數(shù)器42.2.324進(jìn)制計(jì)數(shù)器52.3譯碼顯示電路62.3.1CC451162.3.2譯碼顯示電路圖72.4校時(shí)電路82.4.1校時(shí)電路功能簡(jiǎn)介83方案的選擇103.1時(shí)鐘信號(hào)源103.2分頻器的實(shí)現(xiàn)103.3譯碼顯示器10總結(jié)11致謝12參考文獻(xiàn)131緒論課題描述在科技高速發(fā)展的今天，鐘表業(yè)運(yùn)用當(dāng)今材料工業(yè)、電子工業(yè)和其他領(lǐng)域的最新技術(shù)，一定會(huì)生產(chǎn)出代表中國科學(xué)水平的產(chǎn)品。我們希望鐘表業(yè)的精英們?cè)谔岣咧圃旒夹g(shù)水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的品牌。這正是中國鐘表業(yè)發(fā)展的希望。數(shù)字鐘被廣泛用于個(gè)人家庭,車站,碼頭、辦公室等公共場(chǎng)所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字鐘的精度,運(yùn)用超過老式鐘表,鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、自動(dòng)起閉路燈、定時(shí)開關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備、甚至各種定時(shí)電氣的自動(dòng)啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。本課題所設(shè)計(jì)的電子時(shí)鐘是一個(gè)最基本的數(shù)字鐘。基本工作原理與框圖數(shù)字電子鐘要想最終設(shè)計(jì)成功必須要有精確而穩(wěn)定的秒信號(hào)產(chǎn)生，通常先用石英晶體振蕩器產(chǎn)生32768Hz的脈沖，經(jīng)過整形、分頻產(chǎn)生1Hz的秒脈沖。分頻用CD4060分出2Hz的脈沖，再用CD4013分出1Hz的脈沖。然后1Hz脈沖經(jīng)過校時(shí)電路送到秒計(jì)數(shù)器的個(gè)位，秒計(jì)數(shù)器是由兩塊74LS160組成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其十位TC接校時(shí)電路。校時(shí)電路的CP1接分計(jì)數(shù)器個(gè)位的CLK端，分計(jì)數(shù)器也是由兩塊74LS160組成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分計(jì)數(shù)器的十位的TC端接入校時(shí)電路。校時(shí)電路的CP2接時(shí)計(jì)數(shù)器的CLK端，分計(jì)數(shù)器是由兩塊74LS160組成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。校時(shí)電路的S1、S2、S3控制“校時(shí)”、“校分”和“校秒”。各個(gè)計(jì)數(shù)器分別接譯碼器，各個(gè)譯碼器分別接顯示器。電路的基本原理就是這樣，下面我將介紹各個(gè)模塊的具體功能及原理。以下是我在下面整合的全電路原理圖。圖表SEQ圖表\*ARABIC12各部分電路原理及器件簡(jiǎn)介2.1秒信號(hào)產(chǎn)生電路這部分電路現(xiàn)有石英晶體振蕩器產(chǎn)生32768Hz的脈沖，經(jīng)過CD4060經(jīng)過十四次分頻后產(chǎn)生2Hz的脈沖。再經(jīng)過CD4013產(chǎn)生1Hz的脈沖。原理比較簡(jiǎn)單。CD4060是十四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它內(nèi)部有十四級(jí)二分頻器，有兩個(gè)反相器。RST為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無效。在CIN下降沿，計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制計(jì)數(shù)。CIN、分別為時(shí)鐘輸入、輸出端。電源電壓范圍為3V～15V，輸入電壓范圍為0V～VDD。它有十六個(gè)引腳，Q4～Q10、Q12～Q14為計(jì)數(shù)器輸出端。VDD接正電源，Vss接地。其引腳圖如下所示：圖表SEQ圖表\*ARABIC2CD4013A為雙D觸發(fā)器，在CLK上升沿有效。其特性表如下：輸入輸出注CPDRDSDQn+1↑↑↓XXX01XXXX00001100010101Qn10不用同步置0同步置1保持異步置1異步置0不允許2.2進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路2.2.174LS160功能簡(jiǎn)介圖表3CP是脈沖輸入端；CT（CO）是進(jìn)位信號(hào)輸出端；CEP和CET是計(jì)數(shù)器工作狀態(tài)端；()是異步清零端；是置數(shù)端；VCC接正電源，GND接地；P0～P4是數(shù)據(jù)輸入端，Q1～Q4是計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出端。電源電壓7V，輸入電壓7V。其狀態(tài)表如下所示：輸入輸出注LDCETCEPCPP0P1P2P3Q0n+1Q1n+1Q2n+1Q3n+1CO01111x0111xx10xxx1x0x↑↑xxxaxxxxbxxxxcxxxxdxxx0000abcd計(jì)數(shù)保持保持00清零置數(shù)2.2.260進(jìn)制計(jì)數(shù)器60進(jìn)制計(jì)數(shù)器是由兩個(gè)74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器經(jīng)過一定的方式連接組成的。具體連接是這樣的，一片74LS160用低位，另一片設(shè)計(jì)成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器做為高位。將高位片的Q2和Q1接入與非門，出來接入高位片的(),當(dāng)高位片為0110時(shí)，()為低電平，此時(shí)清零，實(shí)現(xiàn)了六十進(jìn)制。其連線圖如下所示：圖表SEQ圖表\*ARABIC42.2.324進(jìn)制計(jì)數(shù)器24進(jìn)制計(jì)數(shù)器也是由兩片74LS160組成的，當(dāng)各位計(jì)數(shù)狀態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0100,十位計(jì)數(shù)狀態(tài)為Q3Q3Q1Q0=0010時(shí)，計(jì)數(shù)器歸零。通過把個(gè)位Q2、十位Q1接入與非門，然后接入個(gè)位、十位的MR端。令計(jì)數(shù)器清零，從而實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能。其連線圖如下所示：圖表SEQ圖表\*ARABIC52.3譯碼顯示電路2.3.1CC4511本實(shí)驗(yàn)采用CC4511BCD鎖存器/七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器。其中A,B,C,D—BCD碼輸入端；a,b,c,d,e,f,g—譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管；LT—測(cè)試輸入端，LT=“0”時(shí)，譯碼輸出全為“1”；BI（RL）—消隱輸入端；LE—鎖定端，LE=“1”時(shí)譯碼器處于鎖定狀態(tài)，LE=0為正常譯碼。其引腳圖如下：圖表SEQ圖表\*ARABIC6下表為CC4511功能表。輸入輸出LEBILTDCBAabcdefg顯示字形xx0xxxx11111118x01xxxx0000000消隱011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013011010001100114011010110110115011111000111116011111111100007011100011111118011x001111001192.3.2譯碼顯示電路圖譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字。其電路圖如下所示：圖表SEQ圖表\*ARABIC72.4校時(shí)電路2.4.1校時(shí)電路功能簡(jiǎn)介校時(shí)電路是數(shù)字中不可缺少的部分，當(dāng)數(shù)字顯示與實(shí)際時(shí)間不符時(shí)，就要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。其簡(jiǎn)單電路如下所示：圖表SEQ圖表\*ARABIC8S1、S2、S3分別控制?！皶r(shí)”、校“分”和校外“秒”。具體是這樣的，當(dāng)S3斷開時(shí)，G7與非門打開，正常進(jìn)行計(jì)秒。當(dāng)需要校秒時(shí)，閉合S3，此時(shí)G7與非門被斷開，時(shí)間正確時(shí)打開S3正常計(jì)秒。需要校分時(shí)閉合S2，此時(shí)低電平經(jīng)過G8與非門后變?yōu)楦唠娖?，G5與非門打開，秒信號(hào)進(jìn)來，使分計(jì)數(shù)器以秒的節(jié)奏快速計(jì)數(shù)。而G6與非門此時(shí)被斷開，來自秒十位的進(jìn)位脈沖無效。直到顯示的時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相同時(shí)打開S2，此時(shí)G5與非門被斷開，G6與非門被打開，秒十位進(jìn)位脈沖進(jìn)來，1Hz脈沖信號(hào)無效，分計(jì)數(shù)器正常計(jì)時(shí)。需要校準(zhǔn)小時(shí)時(shí)，只需閉合S1此時(shí)G3與非門被斷開，G1與非門接通，1Hz信號(hào)進(jìn)來，使時(shí)計(jì)數(shù)器以秒的節(jié)奏快速計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)器的顯示與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相同時(shí)，打開S1即可。打開S1時(shí)G1與非門斷開，1Hz脈沖信號(hào)無效。G3與非門打開，接受分計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)位信號(hào)，使時(shí)計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)。這就是校時(shí)電路的基本原理。3方案的選擇3.1時(shí)鐘信號(hào)源時(shí)鐘信號(hào)源是時(shí)鐘類項(xiàng)目的心臟，他的精確度直接影響到整個(gè)項(xiàng)目的性能。要產(chǎn)生1Hz脈沖可用石英晶體振蕩器和555多諧振蕩器。555多諧振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是起振容易，振蕩周期調(diào)節(jié)范圍廣，缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定性差，精度低，所以在本試驗(yàn)中不宜使用。石英晶體振蕩器不僅選頻特性極好，而且諧振頻率十分穩(wěn)定，其穩(wěn)定度可達(dá)10-10～10-11。因此在本實(shí)驗(yàn)中我選擇石英晶體振蕩器。3.2分頻器的實(shí)現(xiàn)因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)源已選中使用32768Hz,而輸出的要求是1Hz的秒時(shí)鐘信號(hào)，所以分頻器需要實(shí)現(xiàn)的分頻功能?？梢圆捎脤Ｓ梅诸l器，如六分頻，十二分頻，1/60分頻器，常用集成電路有74LS92，74LS56,74LS57等。也可以用各種進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成分頻器，如CD4020,CD4040,CD4060，異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90，同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS290，雙時(shí)鐘同步加減計(jì)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。還可以用脈沖分配器，如CD4017,CD4022.除此以外還可采用帶有7段譯碼器的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，連接LED時(shí)可以不再需要外加譯碼，如CD4026,CD4033。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，最后我使用了十四位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4060，它可以進(jìn)行214次分頻，再用CD4013盡可以完成分頻了，就得到了1Hz脈沖。3.3譯碼顯示器譯碼顯示器可用帶譯碼器的LED數(shù)碼顯示管，它的顯示管可接受4輸入8421BCD編碼，因其內(nèi)部有譯碼器，比較方便。也可用譯碼芯片＋LED數(shù)碼顯示管，可采用74LS47，74LS48,CD4511等集成電路將BCD碼譯成段碼發(fā)送給8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(dòng)器。在這個(gè)電路中我選擇了CD4511+LED數(shù)碼顯示管。總結(jié)經(jīng)過近多日的努力，終于將本次課程設(shè)計(jì)做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰當(dāng)?shù)牡胤?，?qǐng)老師指出其中的錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，使我能做出改正，我會(huì)虛心接受。在本次課程設(shè)計(jì)過程中，我增強(qiáng)了自己的動(dòng)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(shí)完成了這次課程設(shè)計(jì)。在此過程中，我學(xué)會(huì)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(huì)努力學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，完善自我，為將來的發(fā)展做好充分的準(zhǔn)備?？傊?，在這次課程設(shè)計(jì)中，我受益匪淺，學(xué)到了很多書本上所沒有的東西，懂得了理論和實(shí)際聯(lián)系的重要性。在以后的學(xué)習(xí)中，我不僅要把理論知識(shí)掌握牢固，更要提高自己的動(dòng)手能力和分析能力。致謝通過二周的努力，終于將數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)完成了，在完成課程設(shè)計(jì)的這二周中，老師給予了我很大的幫助。他不僅是指導(dǎo)我完成了設(shè)計(jì)，還教會(huì)了我做設(shè)計(jì)的一般步驟、設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。當(dāng)我對(duì)此課程設(shè)計(jì)無從下手的時(shí)候，李如昌老師專心地為我講解，為我解決了很多實(shí)際存在的困難和問題。他在601教室里利用自己的休假時(shí)間為我們梳理流程，講解原理，使我對(duì)此次的課程設(shè)計(jì)能圓滿完成增添了很多信心，真正的從心理和解決實(shí)際問題上為我樹立了很好的榜樣，我為能有這樣的好老師而感覺到驕傲，每每對(duì)課程設(shè)計(jì)的撰寫產(chǎn)生疑問時(shí)，他為我提綱挈領(lǐng)、梳理脈絡(luò)，使我確立了本文的框架，為我的寫作指引了方向。在此我衷心的感謝一直不辭辛勞為我指明方向的老師，也要感謝教會(huì)我知識(shí)的學(xué)校為我提供實(shí)踐的場(chǎng)所和實(shí)踐器材，還要感謝那些耐心幫助我的同學(xué)們的同學(xué)們。通過這次的課程設(shè)計(jì)，不僅使我學(xué)到了很多專業(yè)方面的知識(shí)，也讓我明白了不畏困難、勇于攀登艱難的重要性，這對(duì)我未來的學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生很大的影響。在此，再次感謝我的學(xué)校、李老師和同學(xué)們。參考文獻(xiàn)[1]數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第三版）清華大學(xué)電子學(xué)教研組編余孟嘗主編高等教育出版社[2]模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第三版）清華大學(xué)電子學(xué)教研組編楊