功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)

1、功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1）時(shí)鐘顯示功能，能夠以十進(jìn)制顯示“時(shí)”、“分”、“秒”。2）具有校準(zhǔn)時(shí)、分的功能。3）整點(diǎn)自動(dòng)報(bào)時(shí)，在整點(diǎn)時(shí)，便自動(dòng)發(fā)出鳴叫聲，時(shí)長(zhǎng)1s。選做：1）鬧鐘功能，可按設(shè)定的時(shí)間鬧時(shí)。2）日歷顯示功能。將時(shí)間的顯示增加“年”、“月”、“日”。二、數(shù)字鐘的基本原理一個(gè)具有計(jì)時(shí)、校時(shí)、報(bào)時(shí)、顯示等基本功能的數(shù)字鐘主要由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路等七部分組成。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器得到秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器譯碼，并通過(guò)顯示器顯示時(shí)間。數(shù)字鐘的整機(jī)邏輯框圖如下： 圖 1數(shù)字鐘整

2、機(jī)邏輯圖1）振蕩器石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率易調(diào)整，它是電子鐘的核心，用它產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，再由分頻器分成秒時(shí)間脈沖。用反相器與石英晶體構(gòu)成的振蕩電路如圖2所示。利用兩個(gè)非門G1和G2自我反饋，使它們工作在線形狀態(tài)，然后利用石英晶體Z1來(lái)控制振蕩頻率。振蕩器振蕩頻率的精度與穩(wěn)定度基本上決定數(shù)字鐘的準(zhǔn)確度,晶振頻率越高，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度越高。目前常見(jiàn)的石英晶振頻率是4MHz時(shí)，則振蕩器輸出頻率為4MHZ。圖2 石英晶體振蕩電路振蕩器還可以采用555時(shí)基電路代替。2）分頻器時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率很高，要得到秒脈沖，需要分頻電路。例如，振蕩器輸出4MHZ信號(hào)，可通過(guò)D觸發(fā)器（如74

3、LS74）進(jìn)行4分頻變成1MHZ，也可以將10分頻計(jì)數(shù)器74LS160（或74LS90）行4分頻變成1MHZ，然后送到10分頻計(jì)數(shù)器74LS160（或74LS90），經(jīng)過(guò)6次10分頻而獲得1HZ的方波信號(hào)。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24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。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(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí),以示提醒. 三、原理電路方案比較以及各單元電路；（1）時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路方案一：由

4、集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。圖 1 555與RC組成的多諧振蕩器圖方案二:由邏輯門電路和RC組成RC振蕩電路。方案三：由邏輯門電路和石英晶體做成的石英晶體振蕩器。由于555定時(shí)器產(chǎn)生的方波信號(hào)誤差較不適合和做時(shí)鐘脈沖信號(hào)。方案一否定。而RC組成的振蕩器易受溫度影響。不適合用作時(shí)鐘基礎(chǔ)信號(hào)。而由石英晶體組成的振蕩器輸出信號(hào)穩(wěn)定且抗干擾能力強(qiáng)加上電路簡(jiǎn)單，被選作此時(shí)鐘的信號(hào)源。綜上分析，選擇方案二，石英晶體振蕩電路能夠作為最穩(wěn)定的信號(hào)源。電路圖如下所示圖中有幾點(diǎn)需要注意：a、 電阻最小10M，電容10p-47p，b、 如用的是TI的4060 則要在10M電阻和晶振

5、之間在10端那條線上介個(gè)100K電阻不然不能正常起振!請(qǐng)注意元件選擇：此處用的晶振為32768HZ晶振。CD4060包含振蕩電路所需的非門。(2)分頻電路一般要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)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，從盡量減少元器件數(shù)量的角度來(lái)考慮，這里可選多極進(jìn)制計(jì)數(shù)電路CD4060和CD4040來(lái)構(gòu)成分頻電路。CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計(jì)數(shù)為級(jí)進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32768z的信號(hào)分頻為z，其內(nèi)部框圖如圖2.1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。綜上所述，可選擇CD4060同時(shí)構(gòu)成振蕩電路

6、和分頻電路。如圖可實(shí)現(xiàn)15級(jí)2分頻，即可得1Hz信號(hào)。9端輸出1HZ信號(hào)。(3)計(jì)數(shù)電路A、因?yàn)槊胛缓头治皇橇M(jìn)制故選擇十進(jìn)制加法器。當(dāng)秒的各位走到10，便從進(jìn)位端CO輸出高電平到十位的計(jì)數(shù)端。當(dāng)十位數(shù)字到六時(shí)便輸出清零信號(hào)，從而達(dá)到六十進(jìn)制的效果。B、小時(shí)位顯示的時(shí)候，因?yàn)橹挥卸男r(shí)，所以采用24進(jìn)制。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到24的時(shí)候便輸出清零信號(hào)進(jìn)行置零。芯片選擇方面：如果要用到加法器類似160那種元件則還要加上譯碼電路，這樣會(huì)使得帶你擼練習(xí)復(fù)雜。而采用CD40110這種帶譯碼輸出功能的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能就會(huì)使電路簡(jiǎn)化許多。至少省了六個(gè)譯碼芯片。以下是CD40110的基本信息CD4011

7、0引腳圖C、六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的連接（包括秒位、分位）：共陰七段BCD碼從圖中看出6的筆段碼特殊在b位是0，其他未都是1.利用這這特征就行六十進(jìn)制的清零。具體實(shí)現(xiàn)方法是在輸出6的那個(gè)CD4011芯片的a，c,d,e,f,g連一個(gè)8/1的與門電路如CD4068（1腳與門輸出，13腳與非門輸出）.電路圖如下：D、二十四進(jìn)制。二十四進(jìn)制清零的機(jī)制就是當(dāng)計(jì)數(shù)到24時(shí)輸出一個(gè)清零信號(hào)讓兩個(gè)計(jì)數(shù)芯片清零。從而達(dá)到效果。一上圖的BCD碼看出:2的筆段碼中的B2位即C端特殊從上往下看只有這位是零所以用或非門（如CD4078）比較合適；在看4的筆段碼其中零的部分和1的筆段碼的零重合所以完全接或非門或?qū)е?1進(jìn)制清零

8、。所以在B5即F口處接個(gè)非門然后在連接到或非門當(dāng)然B4位即E口（或者D口）也要鏈接到或非門。這樣二十四進(jìn)制的清零接法如圖所示：（4）報(bào)時(shí)電路：設(shè)計(jì)要求整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即時(shí)當(dāng)分位60清零的時(shí)候給一個(gè)刺激信號(hào)讓報(bào)時(shí)電路工作。而60進(jìn)制的清零信號(hào)（也就是小時(shí)位的進(jìn)位信號(hào)）平時(shí)都處在低電平，清零時(shí)輸出高電平。這樣加上一個(gè)反相器就滿足單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)信號(hào)的要求。要有源蜂鳴器響，就要給其一段高電平。正好數(shù)電里有一個(gè)電路叫單穩(wěn)態(tài)電路所以只要計(jì)算RC就可以讓蜂鳴器響一秒。經(jīng)計(jì)算的R=1M,C為105(NE555中包含與非門以及非門)(5)調(diào)時(shí)電路：需要調(diào)試時(shí)本方案采用斷開秒位的輸入信號(hào)，把其信號(hào)接到分位的信號(hào)輸入端

9、以及小時(shí)位的信號(hào)輸入端。當(dāng)然要做好防抖保護(hù)。四、整體電路：由于器件繁多，加上接線復(fù)雜。這里就不全部連線。單元電路連線上面已有。這里就不多余練線。實(shí)物電路圖：五、元件清單：型號(hào)大小封裝數(shù)量CD4060DIP1CD4040DIP1晶振32768HZDIP1CD40110DIP6CD4068DIP2CD4078DIP174HC04DIP1共陰數(shù)碼管6NE555DIP1電阻%5精度1K50電阻%510M1電阻%5100k1電阻1m1電阻20K1陶瓷電容20P2陶瓷電容1032陶瓷電容1051有源蜂鳴器1六、總結(jié)：此電路優(yōu)點(diǎn)在于省去了單獨(dú)的譯碼電路，使電路芯片大大減少。同時(shí)也方便連線。缺點(diǎn)是由于當(dāng)初排版安排不是很合理導(dǎo)致兩塊板的使用率只有%50。浪費(fèi)了器材。由于