數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)37306

1、 數(shù)字鐘設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案1、任務(wù)要求l 時(shí)鐘的“時(shí)”要求用兩位顯示;上、下午用發(fā)光管作為標(biāo)志；l 時(shí)鐘的“分”、“秒”要求各用兩位顯示；l 整個(gè)系統(tǒng)要有校時(shí)部分（可以手動(dòng)，也可以自動(dòng)），校時(shí)時(shí)不能產(chǎn)生進(jìn)位；l 系統(tǒng)要有鬧鐘部分，聲音要響5秒（可以是一聲一聲的響，也可以連續(xù)響）。2、設(shè)計(jì)原理n 由石英晶體多諧振蕩器和分頻器產(chǎn)生1HZ標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。n “秒電路”、“分電路”均為0059的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路； n “時(shí)電路”為0023的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路； 2、設(shè)計(jì)原理及其框圖1數(shù)字顯示電子鐘的構(gòu)成該數(shù)字顯示電子鐘是一個(gè)將“ 時(shí)”，“分”，“秒”顯示于數(shù)碼管的計(jì)時(shí)裝置。它的計(jì)時(shí)周

2、期為24小時(shí)。另外應(yīng)有校時(shí)功能和鬧鐘功能。因此，一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時(shí)”，“分”，“秒”，“鬧鐘”、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路和振蕩器組成。數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）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1HZ時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。 圖3-1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖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32768z的方波信號(hào)，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。分頻器電路分頻器電路將32768

3、z的高頻方波信號(hào)經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號(hào)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。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。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。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)提供的為L(zhǎng)ED數(shù)碼管。2 數(shù)字鐘的工作原理） 晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構(gòu)

4、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3-2所示電路通過非門構(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，非門與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，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、與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)度相移，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

5、低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。從有關(guān)手冊(cè)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10M。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74HC00。圖3-2 COMS晶體振蕩器）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z的秒信號(hào)輸入，需要對(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，一般采用多級(jí)進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。例如，將z的振蕩信號(hào)分頻為Z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)于極進(jìn)制計(jì)數(shù)器。常用的進(jìn)制計(jì)數(shù)器有等。 本電路采用CD4

6、060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。計(jì)數(shù)為級(jí)進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將Z的信號(hào)分頻為Z，其內(nèi)部框圖如圖3-3所示，從圖中可以看出，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3-3 CD4046內(nèi)部框圖）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)單元一般為進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，其輸出為兩位碼形式；分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為碼。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，其內(nèi)部邏輯框圖如圖.所示。該器件為雙異

7、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3-4 74HC390(1/2)內(nèi)部邏輯框圖 秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將與（下降沿有效）相連即可。（下降沒效）與Z秒輸入信號(hào)相連，可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法如圖3-5所示，其中可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的相連。 圖3-5 10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)單元的作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的相連，分十位計(jì)數(shù)單元的

8、作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的相連。 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)為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是的整數(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)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用片實(shí)現(xiàn)進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖3-6所示。另外，圖3-6所示電路中，尚余進(jìn)制計(jì)數(shù)單元，正好可作為分頻器Z輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為Z信號(hào)之用。 圖3-6 12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(duì)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)

9、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(duì)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(hào)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(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖3-7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時(shí)電路。圖3-7 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(huì)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

10、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(hào)。報(bào)時(shí)電路選74HC30，選電聲器件。4、元器件l 10M電阻5個(gè)l 500電阻14個(gè)l 30p電容2個(gè)l CD4511集成塊6塊l CD4060集成塊1塊l 74HC390集成塊3塊l 74HC51集成塊1塊l 74HC00集成塊4塊l 74HC30集成塊1塊l 32.768k時(shí)鐘晶體1個(gè)l 共陰八段數(shù)碼管6個(gè)l 蜂鳴器1個(gè)l 網(wǎng)絡(luò)線2米l 鑷子1把l 剪刀1把l 四連面包板1塊5、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，

11、數(shù)碼管從0-9顯示，以次來檢查數(shù)碼管的好壞，如圖5-1。 圖5-1 4511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09顯示，見附圖5-2。圖5-2 74390十進(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06顯示，見圖5-3。圖5-3 74390六進(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059顯示，見附圖5-4。圖5-4 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5-5。 圖5-5 雙六十進(jìn)制電路6 利用CD40