多功能數(shù)字鐘課程設計

1、多功能數(shù)字鐘朱安煙（安陽師范學院 物電學院, 河南 安陽 455002）摘要：數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性 、且無機械裝置、具有更長的使用壽命。因此得到了更加廣泛的使用。 數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯和時序電路。在這次設計中   本設計采用六位LED數(shù)碼管顯示時、分、秒以24小時計時方式根據(jù)數(shù)碼管動態(tài)顯示原理來進行顯示。用晶振產(chǎn)生振蕩脈加以分頻得到所需的鐘表秒脈沖,利用純數(shù)字電路，實現(xiàn)數(shù)字電子時鐘功能,時間重置功能。

2、 此次數(shù)字鐘的理圖設計，PCB圖的制作主要是基于altium designer軟件，利用proteus7.7軟件進行仿真，最終本設計實現(xiàn)24小時的時鐘計時、時間重置功能。  關鍵詞：LED數(shù)碼管   時序電路  邏輯電路  時鐘  校時  1 引言 隨著人類科技文明的發(fā)展人們對于時鐘的要求在不斷地提高。時鐘已不僅僅被看成一種用來顯示時間的工具在很多實際應用中它還需要能夠?qū)崿F(xiàn)更多其它的功能。高精度、多功能、小體積、低功耗是現(xiàn)代時

3、鐘發(fā)展的趨勢。在這種趨勢下時鐘的數(shù)字化、多功能化已經(jīng)成為現(xiàn)代時鐘生產(chǎn)研究的主導設計方向。  2 方案論證：   2.1方案一 由于是數(shù)字鐘的設計，可以用單片機AT89C51來實現(xiàn)計數(shù)功能，相對于純數(shù)字電路來講它具有功耗低、體積小、使用方便等優(yōu)點。但在大二下半學期初期，對單片機方面的內(nèi)容知識還不夠完善，加上用單片機為核心來做數(shù)字鐘還需做編程，對自身來說又是一難點。不過此法可以待以后，學習知識完善后再考慮。 2.2 方案二  繼而考慮到用原先學過的純數(shù)字電路來做，以74Ls160來做為計數(shù)

4、的芯片，用六片分別實現(xiàn) 數(shù)字鐘的小時、分、秒、的計數(shù)，并用晶振加以分頻產(chǎn)生數(shù)字鐘所需的秒脈沖。  從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，用此法做即可以復習回顧早期學習的數(shù)電模電知識，又避免了單片機知識不足的問題，故用此法。    3 結(jié)果與討論 3.1.1數(shù)字鐘主要計數(shù)芯片為74ls160其引腳圖如下： 這種同步可預置十進計數(shù)器是由四個D型觸發(fā)器和若干個門電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進位，具有計數(shù)、置數(shù)、禁止、直接（異步）清零等功能。對所有觸發(fā)器同時加上時鐘，使得當計數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時輸出變化彼此協(xié)調(diào)

5、一致而實現(xiàn)同步工作。這種工作方式消除了非同步（脈沖時鐘）計數(shù)器中常有的輸出計數(shù)尖峰。緩沖時鐘輸入將在時鐘輸入上升沿觸發(fā)四個觸發(fā)器。 這種計數(shù)器是可全編程的，即輸出可預置到任何電平。當預置是同步時，在置數(shù)輸入上將建立一低電平，禁止計數(shù)，并在下一個時鐘之后不管使能輸入是何電平，輸出都與建立數(shù)據(jù)一致。清除是異步的（直接清零），不管時鐘輸入、置數(shù)輸入、使能輸入為何電平，清除輸入端的低電平把所有四個觸發(fā)器的輸出直接置為低電平。 超前進位電路無須另加門，即可級聯(lián)出n位同步應用的計數(shù)器。它是借助于兩個計數(shù)使能輸入和一個動態(tài)進位輸出來實現(xiàn)的。兩個計數(shù)使能輸入（ENP和ENT）計數(shù)時必須是高

6、電平，且輸入ENT必須正反饋，以便使能動態(tài)進位輸出。因而被使能的動態(tài)進位輸出將產(chǎn)生一個高電平輸出脈沖，其寬度近似等于QA輸出高電平。此高電平溢出進位脈沖可用來使能其后的各個串聯(lián)級。使能ENP和ENT輸入的跳變不受時鐘輸入的影響。 電路有全獨立的時鐘電路。改變工作模式的控制輸入（使能ENP、ENT或清零）縱使發(fā)生變化，直到時鐘發(fā)生為止，都沒有什么影響。計數(shù)器的功能（不管使能、不使能、置數(shù)或計數(shù)）完全由穩(wěn)態(tài)建立時間和保持時間所要求的條件來決定。   管腳說明： CLR:清零復位端  當輸入為低電平時有效  C

7、LK：時鐘信號接收端    AD:讀入 QAQD:輸出   ENT、ENP置一時芯片正常工作 LOAD:置數(shù)端      RCO：信號輸出端      GND：接地   Vcc：接高   工作方式： 3.1.2  7段LED數(shù)碼管3.1.3 32.768KHZ晶振   

8、32.768KHZ是一個標準的頻率，晶振頻率的應用主要有以下幾個方面的參數(shù)：尺寸、負載電容、頻率偏差、應用范圍。按尺寸外形來分主要分為插件和貼片的；插件的主要有2*6、3*8、49s 等，貼片的就有很多種了，跟據(jù)各公司的設計可的型號有很多，例如：日本KDS晶振就有49SMD、DST310S、SM14J、DST520、DST410S等。 CD4060分頻器  CD4060由一振蕩器和14級二進制串行計數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路，CR為高電平時，計數(shù)器清零且振蕩器使用無效。所有的計數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CP0)的下降沿計數(shù)器以二進制進行計數(shù)。在時鐘

9、脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對時鐘上升和下降時間無限制 引腳功能： /CP1：時鐘輸入端/CP0：時鐘輸出端            /CP0：反相時鐘輸出端 Q4Q10，Q12Q14：計數(shù)器輸出端       /Q14：第14級計數(shù)器反相輸出端        VDD：電源正  

10、60;                            VSS：電源負         CR：清零端3.1.5 74ls48 功能介紹：  74LS48除了有實現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能

11、的輸入（DCBA）和輸出（YaYg）端外，7448還引入了燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI），以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動態(tài)滅零輸出（BI/RBO）端。  由7448真值表可獲知7448所具有的邏輯功能：  （1）7段譯碼功能（LT=1，RBI=1）  在燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI）都接無效電平時，輸入DCBA經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動信號，顯示相應字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低電平，見表1中116行。  

12、（2）消隱功能（BI=0）  此時BI/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號時，表1倒數(shù)第3行，無論LT 和RBI輸入什么電平信號，不管輸入DCBA為什么狀態(tài)，輸出全為“0”，7段顯示器熄滅。該功能主要用于多顯示器的動態(tài)顯示。  （3）燈測試功能（LT = 0）  此時BI/RBO端作為輸出端， 端輸入低電平信號時，表1最后一行，與 及DCBA輸入無關，輸出全為“1”，顯示器7個字段都點亮。該功能用于7段顯示器測試，判別是否有損壞的字段。  （4）動態(tài)滅零功能（L

13、T=1，RBI=1）  此時BI/RBO端也作為輸出端，LT 端輸入高電平信號，RBI 端輸入低電平信號，若此時DCBA = 0000，表1倒數(shù)第2行，輸出全為“0”，顯示器熄滅，不顯示這個零。DCBA0，則對顯示無影響。該功能主要用于多個7段顯示器同時顯示時熄滅高位的零。  3.2 原理設計 整體電路設計方案：3.2.1 振蕩電路設計  振蕩電路由振蕩器產(chǎn)生的脈沖，振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘的精確程度，次處有555定時器和晶振兩種

14、產(chǎn)生秒脈沖的方法：555振蕩器做振蕩源一般用于精確度要求不高的場合，由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時間常數(shù)RC有關，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH，由于VTH容易受到溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差， 只能用于對頻率穩(wěn)定性要求不高的場合。考慮到振蕩頻率的精確度與穩(wěn)定性固采用晶振做為振蕩源來實現(xiàn)振蕩電路，得時鐘脈沖更穩(wěn)定，時間走的更準37.268KHz晶振 通過cd4060分頻器進行十四分頻得到0.5s的脈沖信號，再進行一個SN74LS74進行二分頻得到所需的秒脈沖信號：3.2.2 校時電路設計   

15、0;           根據(jù)電路設計所知需要在分處和小時處需要校時，分別在分和時個位向十位進位處各加一開關，另一端接地并且在與地之間接100pf電容為防止按鍵抖動。  電路設計如下：當開關處于自然位置時分十位clk端所接為高電平，當開關按下時則引入一低電平實其clk端有一個下降沿脈沖接入，使其產(chǎn)生了校時功能。3.2.3顯示電路設計顯示電路是用74ls48驅(qū)動七段共陰數(shù)碼管來作為時鐘顯示器。 電路設計如下：   3.2.4 計

16、時電路設計     數(shù)字鐘的秒和分位都是從0到60循環(huán)計數(shù)的，所以可以用用異步清零法設計60進制計數(shù)器作為秒和分的計數(shù)器。用異步置數(shù)法設計小時所用的24進制計數(shù)器。秒、分位設計電路如下：  3.3  程序調(diào)試過程 在板子焊接好以后通上5V電源發(fā)現(xiàn)六Led燈只有三個能完整亮出來，其余的都不亮或是亮的不全，而且秒位不走，校時按鍵不管用。問題很多。 開始調(diào)試： 1、首先調(diào)試的是秒位為何不走，先測晶振石否起振，測量后發(fā)現(xiàn)晶振正常起振，然后從74ls160的clk端用示波器測試一下沒有脈沖信號輸

17、入，則找74ls74的輸出口也無脈沖，以次往前推，最后測量出從74ls74輸入端有正確的脈沖輸入，輸出端卻無脈沖輸出。觀察后沒有連接錯誤，故用萬用表測vcc.end端都有正確的電平接入，再測量兩點間是否有漏焊現(xiàn)象，最后測出一處漏焊點使D端與Q端沒有接通。重新焊接后秒位正常計時。        2、秒位正常計時，但向秒的十位進位時總是顯示從8到19，查閱資料可知，在第一個160芯片到第二個160芯片中缺一個非門，充當延時作用，使個位計數(shù)到9再來一個脈沖下計數(shù)時再向前進位。加上非門進位正常了。  &

18、#160;     3、秒位向分位進位正常，但校時按鍵不能用，且分位向十分位不能進位，通過觀察焊接對比原理圖與pcb圖后發(fā)現(xiàn)，開關接地的一端弄反了，應是開關與接電容端相側(cè)對著的端接地。這個錯誤導致開關不能用，亦使分的十位端的74ls160芯片clk段一直接了地，故不能使其正常進位。修改過后則可以正常進位，且兩開關都能用了。          4、顯示小時位的第一個數(shù)碼管一直不亮，通過測量發(fā)現(xiàn)led數(shù)碼管沒有燒壞，能正常工作，通過對比PCB圖觀察沒有焊接錯誤，用萬用表測量則發(fā)現(xiàn)驅(qū)動次led的74ls48管沒有正常接地，連接跳線處有一虛焊，重新焊接后恢復正常。  5、但分向小時不能進位，由示波器觀察發(fā)現(xiàn)74ls160芯片clk端無脈沖輸入，但十分位有脈沖輸出，且導線也導通了，就觀察原理圖發(fā)現(xiàn)原理圖一處錯誤，分向時進位時是分滿60向前進一個脈沖，故分的TC端不用再接到時的CLK端了。找到錯誤后用鑷子將板上的銅線劃段，則正常進位了。