數字時鐘設計(畢業(yè)論文).doc

1.設計目的設計一種多功能數字鐘，該數字鐘具有基本功能和擴展功能兩部分。其中，基本功能部分的有準確計時，以數字形式顯示時、分、秒的時間和校時功能。擴展功能部分則具有：定時控制、自動報整點時數和觸摸報正點的功能。數字鐘的電路也是由主體電路和擴展電路兩部分構成，在電路中，基本功能部分由主體電路實現，而擴展功能部電路實現。這兩部分都有一個共同特點就是它們都要用到振蕩電路提供的1Hz脈沖信號。在計時出現誤差時電路還可以進行校時和校分，為了使電路簡單所設計的電路不具備校秒的功能。并且要用數碼管顯示時、分、秒，各位均為兩位顯示，擴展部分要有相應的響應電路。分則由擴展2.設計功能要求基本功能：（1）時的計時要求為“12翻1”，分和秒的計時要求為60進制（2）準確計時，以數字形式顯示時，分，秒的時間（3）校正時間擴展功能：（1）定時控制；（2）仿廣播電臺報時功能；（3）自動報整點時數；（4）觸摸報整點時數；3.電路設計3.1設計方案根據設計要求首先建立了一個多功能 數字鐘電路系統的組成框圖，框圖如圖1所示。時顯示器分顯示器秒顯示器時譯碼器分譯碼器秒譯碼器時計數器分計數器秒計數器校時電路振蕩器分頻器整點報時觸摸報時仿電臺報定時控制主體電路擴展電路圖1由圖1可知，電路的工作原理是：多功能數字鐘電路由主體電路和擴展電路兩大部分組成。其中主體電路完成數字鐘的基本功能，擴展電路完成數字鐘的擴展功能。振蕩器產生的高脈沖信號作為數字鐘的振源，再經分頻器輸出標準秒脈沖。秒計數器計滿60后向分計數器個位進位，分計數器計滿60后向小時計數器個位進位并且小時計數器按照“12翻1”的規(guī)律計數。計數器的輸出經譯碼器送顯示器。計時出現誤差時電路進行校時、校分、校秒。擴展電路必須在主體電路正常運行的情況下才能進行擴展功能。3.2單元電路的設計數字電子鐘的設計方法很多種，例如，可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘；也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘；還可以利用單片機來實現電子鐘等。在本次設計，電路是由許多單元電路組成的，因此首先必須對各個單元電路進行設計。3.2.1 主體電路部分主體電路部分的電路主要由振蕩電路、計數電路、顯示電路以及校時電路四大部分組成。下面將對各部分電路進行設計。3.2.1.1 振蕩電路振蕩電路由振蕩器和分頻器產生 1Hz時鐘脈沖和擴展部分所需的頻率，下面對振蕩器和分頻器兩部分進行介紹。（1）振蕩器數字電路中的時鐘是由振蕩器產生的，振蕩器是數字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數字鐘計時的準確程度，一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。它利用某種反饋方式產生時鐘信號。對數字電路來說，振蕩器的輸出的幅度范圍為0v5v的方波信號而不是鋸齒波、三角波或其他形式。典型的振蕩器是弛豫振蕩器，它通過一個RC網絡將反相器的輸出反饋回來并存在一定的工作延遲時間?；镜碾娐啡鐖D2所示。圖2在上述電路中，RI-C網絡由第一個反相器驅動，具有RC特性曲線的響應信號被反饋給反相器的輸入。當電容上的電壓達到施密特觸發(fā)器輸入反相器的門限電壓的時候，反相器的狀態(tài)發(fā)生改變，并輸出一個新的電壓值。這個輸出電壓經過一定的延遲時間再次通過RIC反饋回來，直到電容電壓再次達到門限電壓為止。用施密特觸發(fā)器輸入器件（如74HC04），但是由于電容的參考電壓在每個臨界點都要發(fā)生變化，所以施密特觸發(fā)器不是必需的。由于電容與輸出相連，每次狀態(tài)改變時，電容的充電電壓會超過5V。從這一點來說，輸出電壓會改變電容的充電電壓，直到電容兩端的電壓變?yōu)?4HC04的門限電壓（2.5V）為止。振蕩器輸出狀態(tài)的改變發(fā)生在電容上的電壓達到2.5V時。弛豫振蕩器對許多低成本而精度要求又不高的場所非常適合，但是并不推薦在任何有精度要求的實際應用電路采用它。如果想要獲得高的精度，就應該在振蕩電路中使用石英晶體作振源。在數字鐘的設計與制作中應采用石英晶體振蕩器，因為石英晶體具有壓電效應，是一個壓電器件。當交流電壓加在晶體兩端，晶體先隨電壓變化產生對應的變化，然后機械振動又使晶體表面產生交變電荷。當晶體幾何尺寸和結構一定時，它本生有一個固定的機械頻率。當外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時，晶體片的機械振動最大，晶體表面電荷量最多，外電路的交流電流最強，于是產生振蕩，因此將石英晶體按一定方位切割成片，兩邊傅以電極，焊上引線，再用金屬或玻璃外殼封裝即構成石英晶體。石英晶體的固有頻率十分穩(wěn)定。另外石英晶體的振動具有多諧性，除了基頻振動外，還有奇次諧次泛音振動，對于石英晶體，既可利用基頻振動，也可利用泛音振動。前者稱為基頻晶體，后者稱為泛音晶體，晶片厚度與振動頻率成反比，工作頻率越高，要求晶片厚度越薄。將石英晶體作為高Q值諧振回路元件接入反饋電路中，就組成了晶體振蕩器。在設計中所用的振蕩器的電路圖如圖3所示。該電路能產生1MHz的方波脈沖振蕩信號。圖3（2）分頻器分頻器的作用是將由石英晶體產生的高頻信號分頻成基時鐘脈沖信號和擴展部分所需的頻率。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個：一是產生標準脈沖信號；二是功能擴展電路所需的信號，如仿電臺用的1KHz的高頻信號和500Hz的低頻信號等.在此電路中作為分頻器的元件是:CD4518。CD4518可以組成二分頻電路和十分頻電路。用CD4518組成二分頻的電路如圖4；用CD4518組成十分頻的電路如圖5；在本次設計中所用的分頻器的電路圖如圖6。電路經過十分頻后將晶振來的1MHz的振蕩脈沖變?yōu)?Hz的脈沖信號，該信號作為計數器的計數脈沖使用。 Cr CPEN Cr CP輸入 輸 出 輸入 輸入 輸 出清零圖4 圖5圖6輸入輸出CKCREN上升沿LH加計數LL上升沿加計數下降沿LX保 持XL上升沿上升沿LLHL下降沿XLX全為L上表:CD4518的功能表振蕩器和分頻器兩部分構成振蕩電路，它的電路圖如圖7所示。根據圖7可知電路的工作原理是：石英晶體振蕩器提供的頻率為1MHz，CD4518組成十分頻電路。并且一個 CD4518可以組成兩個十分頻電路即：CD4518的引腳2與引腳6組成一個十分頻電路而引腳10與引腳14組成另一個十分頻電路。晶振的輸出接入第一塊CD4518的輸入引腳2，經過一次十分頻，頻率變?yōu)?00KHz。輸出引腳6接入同一塊CD4518的引腳10經第二次分頻，頻率變?yōu)?0KHz。輸出引腳接人第二塊CD4518的輸入引腳2再經一次分頻，頻率變?yōu)?KHz。這樣經過六次分頻最后可以得到1Hz的頻率。圖73.2.1.2 計數電路計數器是一種計算輸入脈沖的時序邏輯網絡，被計數的輸入信號就是時序網絡的時鐘脈沖，它不僅可以計數而且還可以用來完成其他特定的邏輯功能，如測量、定時控制、數字運算等等。數字鐘的計數電路是用兩個六十進制計數電路和“12翻1”計數電路實現的。數字鐘的計數電路的設計可以用反饋清零法。當計數器正常計數時，反饋門不起作用，只有當進位脈沖到來時，反饋信號將計數電路清零，實現相應模的循環(huán)計數。以六十進制為例，當計數器從00，01，02，59計數時，反饋門不起作用，只有當第60個秒脈沖到來時，反饋信號隨即將計數電路清零，實現模為60的循環(huán)計數。下面將分別介紹60進制計數器和“12翻1”小時計數器。 （一）60進制計數器電路如圖8所示圖8電路中，74LS92作為十位計數器，在電路中采用六進制計數；74LS90作為個位計數器在電路中采用十進制計數。當74LS90的14腳接振蕩電路的輸出脈沖1Hz時74LS90開始工作，它計時到10時向十位計數器74LS92進位。下面對電路中所用的主要元件及功能介紹。 十進制計數器 74LS90 74LS90是二五十進制計數器，它有兩個時鐘輸入端CKA和CKB。其中，CKA和組成一位二進制計數器；CKB和組成五進制計數器；若將與CKB相連接，時鐘脈沖從輸入，則構成了8421BCD碼十進制計數器。74LS90有兩個清零端R0（1）、R0（2），兩個置9端R9（1）和R9（2），其BCD碼十進制計數時序如表1，二五混合進制計數時序如表2，74LS90的管腳圖如圖9。R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7CKA14QA12CKB1QB9QC8QD1174LS90圖9表1 BCD碼十進制計數時序 表2 二五混合進制計數時序CK00000100012001030011401005010160110701118100091001CK00000100012001030011401005100061001710108101191100 異步計數器74LS92所謂異步計數器是指計數器內各觸發(fā)器的時鐘信號不是來自于同一外接輸入時鐘信號，因而觸發(fā)器不是同時翻轉。這種計數器的計數速度慢。一異步計數器 74LS92是 二六十二進制計數器，即CKA和組成二進制計數器，CKB和在74LS92中為六進制計數器。當CKB和相連，時鐘脈沖從CKA輸入，74LS92構成十六進制計數器。74LS92的管腳圖如圖10。R0(1)6R0(2)7CKA14QA12CKB1QB11QC9QD874LS92圖10（二） “12翻1”小時計數器電路 （1） 電路如圖11 所 示CLK3D2SD4CD1Q5Q674LS74AP015P11P210P39Q03Q12Q26Q37RC13TC12CLK14CE4U/D5PL1174LS191456U9B74LS00123U9A74LS00111213U10D74LS00GNDR13.3K+5V89U8D74LS04+5vCP圖11“12翻1”小時 計數器是按照“01020304050607080910111201”規(guī)律計數的，計數器的計數狀態(tài)轉換表如表3所示。表3“12翻1”小時計時時序十位 個位十位 個位CKQ10Q03 Q02 Q01 Q00CK Q10Q03 Q02 Q01 Q0001234567 000000000 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 1891011121300011101 0 0 01 0 0 11 0 1 00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 0 1（二）電路的工作原理由表可知：個位計數器由4位二進制同步可逆計數器 74LS191構成，十位計數器由雙D觸發(fā)器74LS74構成 ，將它們組成 “12翻1”小時計數器。由表可知：計數器的狀態(tài)要發(fā)生 兩次跳躍：一是：計數器計到9，即個位計數器的狀態(tài)為 =1001后，在下一計數脈沖的作用下計數器進入暫態(tài)1010，利用暫態(tài)的兩個1即使個位異步置0，同時向十位計數器進位使 =1；二是計數到12后，在第13個計數脈沖作用下個位計數器的狀態(tài)應為 =0001，十位計數器的 =0。第二次跳躍的十位清“0”和個位置“1”的輸出端、來產生。對電路中所用的主要元件及功能介紹。 D觸發(fā)器74LS74在電路中用到了D觸發(fā)器74LS74，74LS74的管腳圖如圖12。D2Q5Q6CLK341PRECLRA74LS74圖12下面將介紹一些有關觸發(fā)器的內容：觸發(fā)器，它是由門電路構成的邏輯電路，它的輸出具有兩個穩(wěn)定的物理狀態(tài)（高電平和低電平），所以它能記憶一位二進制代碼。觸發(fā)器是存放在二進制信息的最基本的單元。按其功能可為基本RS觸發(fā)器觸、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器和T觸發(fā)器。這幾種觸發(fā)器都有集成電路產品。其中應用最廣泛的當數JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器。不過，深刻理解RS觸發(fā)器對全面掌握觸發(fā)器的工作方式或動作特點是至關重要的。事實上，JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器是RS觸發(fā)器的改進型，其中JK觸發(fā)器保留了兩個數據輸入端，而D觸發(fā)器只保留了一個數據輸入端。D觸發(fā)器有邊沿D觸發(fā)器和高電平D觸發(fā)器。74LS74為一個電平D觸發(fā)器。 計數器74LS191 74LS191的管腳圖如圖13 CTEN4D/U5CLK14LD11MAX/MIN12RCO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD774LS191圖133.2.1.3 校時電路（一）電路如圖14 所示8910U10C74LS00123U11A74LS00111213U10D74LS00R33.3kC10.01uFS1GND1011U8E74LS041HZS2/M2 Q2+5V圖14（二）電路的工作原理校時電路的作用是：當數字鐘接通電源或者出現誤差時，校正時間。校時是數字鐘應具有的基本功能。一般電子表都具有時、分、秒等校時功能。為了使電路簡單，在此設計中只進行分和小時的校時。校時有“快校時”和“慢校時”兩種，“快校時”是通過開關控制，使計數器對1Hz校時脈沖計數?！奥r”是用手動產生單脈沖作校時脈沖。圖中S1校分用的控制開關，S2（總圖）為校時用的控制開關，它們的控制功能如表4所示，校時脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖，當S1或S2分別為“0”時可以進行“快校時”。如果校時脈沖由單次脈沖產生器提供，則可以進行“慢校時”。 表4校時開關的功能S1S2功能11計數10校分00校時表4（三）對電路中所用的主要元件及功能介紹在此電路中，用到的元器件有兩塊四2輸入與非門74LS00 、一塊六反相器74 LS04、兩個電容、兩個電阻以及兩個開關。（1）四-2輸入與非門74LS00集成邏輯門是數字電路中應用十分廣泛最基本的一種器件，為了合理的使用和充分利用其性能，必須對它的主要參數和邏輯功能進行測試。74LS00與非門的主要參數為：輸出高電平：指與非門有一個以上輸入端接地或接低電平時的輸出電平值。輸出低電平：指與非門的所有輸入端均接高電平時的輸出電平值。開門電平：指與非門輸出處于額定低電平時允許輸入高電平的最小值。關門電平：指與非門輸出處于高電平狀態(tài)時允許輸入低電平的最大值。電壓傳輸特性：是指門的輸出電壓隨輸入電壓而變化的曲線，由它可以得到門電路的輸出高電平、輸出低電平、關門電平和開門電平等。低電平的輸出電源電流；是指輸入所有端都懸空，輸出端空載時，電源提供器件的電流。高電平輸出電源電流：是指輸出端空載，每個門各有一個以上的輸入端接地，電源提供給器件的電流。低電平輸入電流：是指被測輸入端接地，其余輸入端懸空時，由被測輸入端流出的電流值。高電平輸入電流：指被測輸入端接高電平，其余輸入端接地，流入被測輸入端的電流值。扇出系數：門電路能驅動同類門的個數，它是衡量門電路負載能力的一個參數，TTL與非門有兩種不同性質的負載，即灌電流負載和拉電流負載，因此有兩種扇出系數。即低電平扇出系數和高電平扇出系數。3.2.1.4 譯碼與顯示電路（一）電路如圖15所示BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g1474LS48abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDPY_7-SEG圖15（二）電路的工作原理譯碼是編碼的相反過程，譯碼器是將輸入的二進制代碼翻譯成相應的輸出信號以表示編碼時所賦予原意的電路。常用的集成譯碼器有二進制譯碼器、二十制譯碼器和BCD7段譯碼器、顯示模塊用來顯示計時模塊輸出的結果。（三）對電路中的主要元件及功能介紹（1）譯碼器74LS48譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進行“翻譯”，變成相應的狀態(tài)，使輸出通道中相應的一路有信號輸出。譯碼器在數字系統中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉換、終端的數字顯示，還用于數字分配，存儲器尋址和組合控制信號等。譯碼器可以分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。在電路中用的譯碼器是共陰極譯碼器74LS48，用74LS48把輸入的8421BCD碼ABCD譯成七段輸出a-g，再由七段數碼管顯示相應的數。 74LS48的管腳圖如圖16。在管腳圖中，管腳LT、RBI、BI/RBO都是低電平是起作用，作用分別為：LT為燈測檢查，用LT可檢查七段顯示器個字段是否能正常被點燃。BI是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。RBI是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅。BI/RBO是共用輸出端，RBO稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端RBI，在多位十進制數表示時，把多余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。也可用共陰譯碼器74LS248，CD4511。BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g1474LS48圖16（2）顯示器SM421050N在此電路圖中所用的顯示器是共陰極形式，陰極必須接地。SM421050N的管腳功能圖如圖17abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDPY_7-SEG圖17主體電路部分是由上面的以上的各個單元電路組成的。3.2.2擴展功功能電路的設計3.2.2.1定時控制電路數字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅動音響電路“鬧時”；或對某裝置的電源進行接通或斷開“控制”。不管是鬧時還是控制，都要求時間準確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。（一）設計電路如圖18所示圖18（二）電路的工作原理在這里將舉例來說明它的工作原理。要求上午7時59分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)1分鐘。設計如下：7時59分對應數字鐘的時時個位計數器的狀態(tài)為，分十位計數器的狀態(tài)為，分個位計數器的狀態(tài)為，若將上述計數器輸出為“1”的所有輸出端經過與門電路去控制音響電路，就可以使音響電路正好在7點59分響，持續(xù)1分鐘后（即8點）停響。所以鬧時控制信號Z的表達式為式中，M為上午的信號輸出，要求M=1。如果用與非門實現的邏輯表達式為：在該電路圖中用到了4輸入二與非門74LS20，集電極開路的2輸入四與非門74LS03，因OC門的輸出端可以進行“線與”，使用時在它們的輸出端與電源+5V端之間應接一電阻RL。RL的值由下式決定： =0.4V,=0.4mA,=2.4V,=50uA,=8mA,=100Ua;m為負載門輸入端總個數。取RL=3.3K。如果控制1KHz高音和驅動音響電路的兩極與非門也采用OC門，則RL的值應該重新計算。由電路圖可以看見，上午7點59分，音響電路的晶體管導通，則揚聲器發(fā)出1KHz的聲音。持續(xù)1分鐘到8點整晶體管因為輸入端為“0”而截止，電路停鬧。（三）對電路中所用的主要元件及功能介紹在電路中所用到的元件有74LS03，74LS20等。（1）四2輸入與非門74LS03，只要輸入變量有一個為0則輸出為1，只有輸入全為1，輸出才為0.74LS03的管腳圖如圖19 A圖19123&74LS03（2）二4輸入與非門74LS20，四個輸入端有一個為0，則輸出為1，只有全部輸入為1，輸出才為0.74LS20的管腳圖如圖20所示。12456&A74LS20圖204.調試在本設計中，為了設計的順利進行，我在實驗箱上進行了部分調試，因為電路太復雜，在實驗箱上不可能整體電路進行調試。調試后，我就自己焊接了一個試驗板進行調試。以確保最后能很好的完成其各部分功能。調試后，我就畫PCB圖，用來制印制板。因為PCB圖先畫，后經過反復考慮振蕩電路部分改進了，最后用的是1MHZ的晶振經過三片CD4518六次分頻就能得到1HZ的頻率。所以在印制板外加了一個振蕩部分電路。4.1主體電路部分 振蕩電路部分我先用的是32768HZ的晶振和反向器74LS00接兩個電阻和兩個電容組成的振蕩電路，產生32768HZ的方波信號，經過15級二分頻后得到1HZ的基準脈沖。擴展部分所需的頻率可以從5級二分頻得到1024HZ六級二分頻得到512HZ但是這樣用的集成塊較多，時間延遲較長。用555產生多諧振蕩方波也可，就是精確度和穩(wěn)定度不高。后來我就用的1MHZ的晶振產生1MHZ的頻率經過74LS90組成的二-五-十的分頻器，可很好的擴展部分所需的頻率。只是要用六塊74LS90，后來我查了手冊，發(fā)現4518有兩片十進制分頻器，功能與74LS90又基本上相同，這樣就可少用集成塊，減少時間延時。在現用電路調試中，晶振的輸出頻率為1MHz，用三片CD4518組成了六級十分頻電路，在調試中我對每級分路進行了測試。在第一級分頻后出現的脈沖信號為100KHz，經過第二級得到了10KHz的標準脈沖，這樣一級級的分頻，經過六次分頻后得到了標準的1Hz脈沖信號。計數電路部分（1）小時計數部分這部分電路較復雜，在第一次焊接完成后的調試顯示中，發(fā)現小時的十位沒有變化，經過分析、檢查發(fā)現74LS74的3腳沒有接上。（2）秒計數電路部分這部分的調試中順利得到了結果即：秒計數器的個位能準確以十進制形式計數；秒計數器的十位也能準確以六進制的形式計數。當秒計數器的個位計數到9后自動向秒計數器的十位計數。（3）分計數電路部分這部