數(shù)字電子鐘說明書

1、華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)電子線路綜合設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì) 吳立夫201131190527 邢夏瓊201131190530 鄧善坤201131190509 黃景好201131190512 班級：11電子5班 組別：第六組 指導(dǎo)教師： 郭云志2013年6月摘 要數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1Hz）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)結(jié)果以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計(jì)數(shù)器電路計(jì)滿60后觸發(fā)分計(jì)數(shù)器電路，分計(jì)數(shù)器電路計(jì)滿60后觸發(fā)時(shí)計(jì)數(shù)器電路，當(dāng)計(jì)滿24小時(shí)后又開始下一輪的循環(huán)計(jì)數(shù)。一般由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)

2、碼顯示器等幾部分組成。振蕩電路：主要用來產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號，因?yàn)闀r(shí)鐘的精度主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率及穩(wěn)定度，而石英晶體的選頻特性非常好，有一個(gè)極其穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率f，而且等效品質(zhì)因數(shù)Q值也很高，所以采用石英晶體振蕩器。分頻器：因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號頻率很高，要是要得到“秒”信號，需一定級數(shù)的分頻器進(jìn)行分頻。計(jì)數(shù)器：有了“秒”信號，則可以根據(jù)60秒為1分，24小時(shí)為1天的進(jìn)制，分別設(shè)定“時(shí)”、“分”、“秒”的計(jì)數(shù)器，分別為60進(jìn)制，60進(jìn)制,24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并輸出一分，一小時(shí)的進(jìn)位信號。譯碼顯示：將“時(shí)”“分”“秒”顯示出來。將計(jì)數(shù)器輸入狀態(tài)，輸入到譯碼器，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器信號，呈現(xiàn)出對

3、應(yīng)的進(jìn)位數(shù)字字型。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)電路可以對分和時(shí)進(jìn)行校時(shí)。另外，計(jì)時(shí)過程要具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。關(guān)鍵詞 數(shù)字鐘 振蕩 計(jì)數(shù) 校正 報(bào)時(shí)目 錄1設(shè)計(jì)任務(wù).41.1設(shè)計(jì)任務(wù)及指標(biāo).41.2設(shè)計(jì)要求.42數(shù)字電子鐘的組成和工作原理.42.1數(shù)字鐘的構(gòu)成.42.2原理分析.42.3數(shù)字點(diǎn)鐘的基本邏輯功能框圖.53數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì).53.1秒信號發(fā)生器的設(shè)計(jì).53.1.1方案一.53.1.2方案二.63.1.3兩個(gè)方案的比較.73.2時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì).7321 “分”、“秒”六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器.

4、7322 “時(shí)”六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器.83.3譯碼顯示電路.83.4正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì).103.5校時(shí)電路的設(shè)計(jì).114數(shù)字電子鐘的整體電路.125電路的裝配與調(diào)試過程.135.1電路焊接.135.2調(diào)試過程.136收獲、體會和建議.14參考文獻(xiàn).15附錄 元件清單1設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)字電子鐘，各在2位數(shù)碼管上顯示時(shí)，分，秒，時(shí)間計(jì)數(shù)電路采用24進(jìn)制，從00開始到23后再回到00；具有手動(dòng)校時(shí)、校分功能，計(jì)時(shí)過程具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。1.1設(shè)計(jì)任務(wù)及指標(biāo)設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)字電子鐘；設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)電路采用24進(jìn)制，從00開始到23后再回到00；各用2位數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒；具有手動(dòng)校時(shí)、校分功能，可以分別對時(shí)

5、、分進(jìn)行單獨(dú)校正；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秒開始，蜂鳴器響1秒停1秒地響5次。1.2設(shè)計(jì)要求1.小組集中查找資料，討論，確定設(shè)計(jì)方案；2.根據(jù)選定方案確定實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的基本電路和擴(kuò)展電路，畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；3.根據(jù)經(jīng)濟(jì)原則選擇元器件及參數(shù)；4.小組進(jìn)行電路焊接、調(diào)試、測試電路性能，撰寫整理設(shè)計(jì)說明書。2數(shù)字電子鐘的組成和工作原理21數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘一般由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器、較時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路等部分組成，這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的基本電路.22原理分析數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1Hz）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號經(jīng)過分頻器形

6、成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)結(jié)果以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計(jì)數(shù)器電路計(jì)滿60后觸發(fā)分計(jì)數(shù)器電路，分計(jì)數(shù)器電路計(jì)滿60后觸發(fā)時(shí)計(jì)數(shù)器電路，當(dāng)計(jì)滿24小時(shí)后又開始下一輪的循環(huán)計(jì)數(shù)。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)電路可以對分和時(shí)進(jìn)行校時(shí)。另外，計(jì)時(shí)過程要具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。23數(shù)字點(diǎn)鐘的基本邏輯功能框圖圖1 數(shù)字鐘的基本邏輯框圖3數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)31 秒信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)通過查找資料并展開討論，我們共同討論了兩個(gè)不同的秒信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案。311方案一 555構(gòu)成

7、的多諧振蕩器電路圖如圖2。電容C1放電時(shí)間為：t1=R2*C1*ln2,充電時(shí)間為：t2=(R1+R2)*CI*ln2,則其振蕩頻率為f=1/(t1+t2)。選擇適當(dāng)?shù)腞1、R2、C1值可使f1HZ。圖2 555構(gòu)成的多諧振蕩器312方案二 晶體振蕩分頻電路石英晶體振蕩電路1 采用頻率fs32768Hz的石英晶體。313兩個(gè)方案的比較1采用555多諧振蕩器優(yōu)點(diǎn)：555內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。缺點(diǎn)：要精確輸出1Hz脈沖，對電容和電阻的數(shù)值精度要求很高，所以輸出脈沖既不夠準(zhǔn)確也不夠穩(wěn)定。2采用晶體振蕩分頻電路優(yōu)點(diǎn)：由石英晶體的阻抗頻

8、率響應(yīng)可知，它的選頻特非常好，有一個(gè)極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs，且等效品質(zhì)因數(shù)Q很高。只有頻率為fs的信號最容易通過，且其他頻率的信號均會被晶體所衰減。 圖3 石英晶體振蕩器3比較結(jié)果振蕩器是數(shù)字鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，獲取更高的計(jì)時(shí)精度，選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。 32時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)秒信號經(jīng)秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器之后，分別得到“秒”個(gè)位、十位、“分”個(gè)位、十位以及“時(shí)”個(gè)位、十位的計(jì)時(shí)輸出信號，然后送至譯碼顯示電路，以便實(shí)現(xiàn)用數(shù)字顯示時(shí)、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇?jì)數(shù)器應(yīng)為六

9、十進(jìn)制，而“時(shí)”計(jì)數(shù)器應(yīng)為二十四進(jìn)制。采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。74LS90是四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，它的設(shè)置為多片集成計(jì)數(shù)器的級聯(lián)提供方便，具有異步清零，同步并行置數(shù)，保持和計(jì)數(shù)的功能。321 “分”、“秒”六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器選用兩塊74SL90采用異步清零的方法完成60進(jìn)制。秒的計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng)QDQCQBQA變成1010時(shí)，通過與非門把它的清零端變成0，計(jì)數(shù)器的輸出被置零，跳過1011到1111的狀態(tài)，又從0000開始，如此重復(fù)。秒的十為計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制，當(dāng)QDQCQBQA變成0101時(shí)，通過與非門把它的清零端變成0，計(jì)數(shù)器的輸出被置零，跳過0

10、110到1111的狀態(tài)，又從0000開始，如此就是60進(jìn)制。同時(shí)秒十位上的0101時(shí)，要把進(jìn)位號傳輸給“分”各位的計(jì)數(shù)單元。分的個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和秒的是一樣的，只是它要把進(jìn)位信號傳輸給時(shí)的個(gè)位計(jì)數(shù)單元。 圖4 74LS90電路圖322 “時(shí)”二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器當(dāng)“時(shí)”十位的QDQCQBQA為0000或0001時(shí)，“時(shí)”的個(gè)位計(jì)數(shù)單元是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)氐腝DQCQBQA到1010時(shí)，通過與非門使得個(gè)位74LS90上的清零端為0，則計(jì)數(shù)器的輸出直接置零，從0000開始。當(dāng)十位的QDQCQBQA為0010時(shí)，通過與非門使得該74LS90的清零端為0，“時(shí)”的十位有重新從0000開始，此時(shí)

11、的個(gè)位計(jì)數(shù)單元變成了4進(jìn)制，即當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的QDQCQBQA為0100時(shí)，又要從0000開始計(jì)數(shù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了“時(shí)”24進(jìn)制的計(jì)數(shù)。 圖5 二十四進(jìn)制示意圖33譯碼顯示電路譯碼顯示電路是將計(jì)數(shù)器輸出的8421 BCD碼譯成數(shù)碼管顯示所需要的高低電平，我們采用陰極七段數(shù)碼管，引腳如圖7。其則譯碼電路就應(yīng)選接與它配套的共陰極七段數(shù)碼驅(qū)動(dòng)器。譯碼顯示電路可采用CD4511BC-7段譯碼驅(qū)動(dòng)器，其芯片引腳如圖8。譯碼器A、B、C、D與十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端相連接，a、b、c、d、e、f、g即為驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼顯示器的信號。根據(jù)A、B、C、D所得的計(jì)數(shù)信號，數(shù)碼管顯示的相對應(yīng)的字型。其顯示電路如圖。 圖

12、8 譯碼顯示電路34正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)要求當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。即當(dāng)時(shí)間達(dá)到xx時(shí)59分51秒時(shí)蜂鳴器開始響第一次，并持續(xù)一秒鐘，然后停鳴一秒，這樣響五次。在59分51秒到59分59秒之間，只有秒的個(gè)位計(jì)數(shù)，分的十位Q3 Q2 Q1 Q0輸出0101,個(gè)位Q3 Q2 Q1 Q0 輸出1001，秒的十位Q3 Q2 Q1 Q0 輸出0101均不變，而秒的個(gè)位Q0計(jì)數(shù)過程中輸出在0和1之間轉(zhuǎn)。所以可以利用與非門的相與功能，把分十位的Q2 、Q0 ,分個(gè)位的Q3、Q0，秒十位的Q2、Q0 和秒個(gè)位的Q0和時(shí)鐘脈沖相“與非”作為控制信號控制與非門的開斷，從而控制蜂鳴器的

13、響和停。如圖9。 圖9 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路35校時(shí)電路的設(shè)計(jì) 在剛接通電源或者時(shí)鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，則需要進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。置開關(guān)在手動(dòng)位置，分別對時(shí)、分、秒進(jìn)行單獨(dú)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖由單次脈沖或連續(xù)脈沖輸入。校時(shí)電路由4個(gè)開關(guān)組成，實(shí)現(xiàn)對“時(shí)”、“分”的校準(zhǔn)。由于在機(jī)械開關(guān)接通或斷開瞬間，觸電由于機(jī)械的彈性振顫，會出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，即電路在短時(shí)間內(nèi)多次接通和斷開，使V0的邏輯電平多次在0和1之間跳變，導(dǎo)致錯(cuò)誤的邏輯輸入?？梢圆捎肧R鎖存器的記憶作用消除機(jī)械開關(guān)觸電抖動(dòng)引起的脈沖輸出。 圖10 校時(shí)電路電路圖4. 數(shù)字電子鐘的整體電路如下圖 圖11 數(shù)字電子鐘的計(jì)數(shù)校正電路5電路的裝配與調(diào)試過程51電路焊接焊接

14、時(shí)要主要布線和焊點(diǎn)的合理分布，盡量做到美觀。在焊之前， 主要是電路的布線，要盡量減少飛線避免一些電線的冗雜和重復(fù)，實(shí)際焊接過程中，要保證焊筆不要碰到已經(jīng)焊好的線，否則焊好的線很容易脫落。每焊接完一部分電路，就立即進(jìn)行調(diào)試，測試無誤后方可進(jìn)心下一階段的焊接。插拔集成芯片時(shí)用力要均勻，避免芯片管腳在插拔中變彎、折斷。焊接中出現(xiàn)的問題：1.在布局的時(shí)候發(fā)現(xiàn)飛線好多，為了避免飛線太多，盡量從芯片內(nèi)部繞線出來，可以盡量利用空間，同時(shí)可以讓所有的地線先連接在一條線上，可以使布局 美觀一點(diǎn)。2.導(dǎo)線由很多小小的線絲圍成，一根線絲在焊接過程中不注意可能跟別的走線相連導(dǎo)致短路，找了很久才找出問題所在，所以每一條

15、走線都要檢查的很仔細(xì)。3.在焊接的時(shí)候最好每一條走線完全焊完再焊下一條，如果同時(shí)焊的話會導(dǎo)致可能一些走線沒完全走完，使電路不能正常工作。4.在焊接完一部分電路后要立即進(jìn)行調(diào)試，不然如果把電路全部焊接完后才調(diào)試，錯(cuò)誤了就不知道是哪里錯(cuò)了，所以焊接完一部分電路后要立即進(jìn)行調(diào)試有利于檢查。52調(diào)試過程實(shí)際調(diào)試中出現(xiàn)了不少問題，如顯示不正常，秒計(jì)時(shí)中滿六十后不進(jìn)位等等。仔細(xì)檢測后發(fā)現(xiàn)主要是電路的一些接線有錯(cuò)以及輸出脈沖不行。下面是我們的通電源逐級調(diào)試，逐級排除故障錯(cuò)誤的調(diào)試調(diào)試過程：1.用萬用表測量電壓源是否穩(wěn)定輸出5V電壓。2.剛開始沒有加上去抖電路的時(shí)候，計(jì)數(shù)器跳動(dòng)頻率很高且無規(guī)律，是脈沖不穩(wěn)定而

16、產(chǎn)生的誤差，后來加上了RS組成的去抖電路改善了電路工作。3.檢查各級計(jì)數(shù)器的工作情況。將“秒”信號直接接入計(jì)數(shù)器的up端，檢查“秒”計(jì)數(shù)器和“秒”譯碼驅(qū)動(dòng)器和顯示器的工作是否正常，計(jì)數(shù)器是否為六十進(jìn)制、是否能正常進(jìn)位。以同樣的方法檢查“分”“時(shí)”計(jì)數(shù)器是否計(jì)數(shù)正常。在給秒位計(jì)數(shù)器的CPA端輸入頻率為1Hz,幅值為5V的方波信號后，顯示器并沒有進(jìn)位也沒有隨著脈沖信號跳動(dòng)，分析是74LS90出了故障，更換一個(gè)74LS90后問題依然存在，于是仔細(xì)對電路圖檢查路線，發(fā)現(xiàn)74LS90置零端沒有接地，將74LS90的置零端接地后秒個(gè)位顯示器正常計(jì)數(shù)。誤差測試與分析理論值10 s20 s30 s40 s50

17、 s60 s第一次實(shí)測值10.1s20.1 s30.1 s40.1 s50.0 s60.0 s第二次實(shí)測值10.0 s20.1 s30.0 s40.0 s50.0 s60.1 s第三次實(shí)測值10.1s20.1 s30.1 s40.0 s50.1 s60.1 s平均值10.06 s20.1 s30.06 s40.03 s50.03 s60.06 s分析：誤差屬機(jī)械引起的誤差：器件本身的不足，還有電容電阻本身的局限性導(dǎo)致測試的誤差，導(dǎo)線太長太多，由于導(dǎo)線也有電阻，也會影響測量結(jié)果。6收獲、體會和建議收獲與體會：1、加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作精神，磨練了我們的意志力。我們各人之間好好的配合，分工合作，設(shè)計(jì)過程沒

18、有一團(tuán)亂麻。這這個(gè)課程設(shè)計(jì)過程前期，所有成員都有找了不同的電路圖和不同的方案，并進(jìn)行比較選擇，之后有成員負(fù)責(zé)布線，焊接電路， 還有隊(duì)員負(fù)責(zé)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤后對電路進(jìn)行修改和重焊，更為可貴的是，我們彼此鼓勵(lì)，同舟共濟(jì)地處理每個(gè)問題。這種團(tuán)隊(duì)精神將是我們美好的回憶。我們花了很多心血來做這個(gè)課程設(shè)計(jì)，由于前一個(gè)星期要考試，沒時(shí)間做課程設(shè)計(jì)，所以很緊的時(shí)間，后面出錯(cuò)的時(shí)候經(jīng)常檢查電路到凌晨2點(diǎn)多，最后一天晚上通宵到三點(diǎn)多才完工，但凡事不是一帆風(fēng)順的，我們遇到了許多困難。有些困難甚至看進(jìn)來難于解決，確實(shí)也是打擊了我們的信心。但我們毫不氣餒，認(rèn)真地檢查電路，檢查焊接的好壞，用堅(jiān)強(qiáng)的意志解決問題，到最后終于成功了。2、加強(qiáng)我們對電子器件的了解。一直以來，我們都對電子器件都很感興趣，對電子應(yīng)用感到好奇。這次我們親自制作