集成電路數(shù)字電子鐘系統(tǒng)的設(shè)計說明

1、目錄111.1. 11.2.11.3.11.4.1232.1.32.1.1. 42.1.2. 52.1.3. 62.1.4102.1.5102.1.6112.2.122.3.142.4.153.163.1163.2163.3.164. 164.1174.2.174.3. .181 設(shè)計任務(wù)1.112341.2設(shè)計要求1、時間計數(shù)電路采用24 進制，從 00 開始到 23 后再回到 00；2、各用 2 位數(shù)碼管顯示時、分、秒；3、具有手動校時校分功能，可以分別對時、分進行單獨校時，使其校正標準時間；4、計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達整點前10 秒開始，蜂鳴器 1 秒響 1 秒停地響 5 次。

2、1、由一個數(shù)碼顯示管顯示星期；5、為了保證計時的穩(wěn)定及準確，須由晶體振蕩器提供時間基準信號。1.3 功能擴展1、由一個數(shù)碼顯示管顯示星期，星期計數(shù)采用7 進制；2、星期顯示為，星期一至星期六顯示分別為1、2、3、4、5、6，星期天顯示為日（即為 8）。1.4方案對比1、方案一如圖 1，可知此方案的電路的校時開關(guān)中, 電路存在開關(guān)抖動問題，使電路無法正常工作。U21U1U2U4U3U55VSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAY SEVEN_SEG_SEVENDISPLAYSEG_DISEVENPLAY_SEG_DISPLAYVCCA

3、 BCDEF GAB CDE FGA BCDE F GA B CDEF GABC DE FGAB CDE FG321095432109543210954321095432109543210954111111111111111111111111111111111111ABCD EFGABCD EFGA BCD EFGABCD EFGABCD EFGABCD EFGOOOO OOU22OO OOU6OO OOU7OO OOU8OO OOU9OO OOU10OOOOOOOOO OOOOOOOT4511BDT4511BDT4511BDT4511BDT4511BDTLLLLL4511BDILILILIL

4、ILLILABCDE BABCDEBABC DE BABCDEBABC DE BABCDE BDDDDDDDDDDD DDDDDDDD DDDDD712654371265437126543712654371265437126543298129812981298129812981111111111111ABCDU16ABCDU11ABCDU12ABCDU13ABCDU14ABCDQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ121274LS90N121274LS90N121274LS90N121274LS90N121274LS90N1212)(990099009900990099009900A

5、BRRRRA BRRRRAB RRRRA BRRRRAB RRRRA BRRRRU1574LS90N414141414141167231672316723167231672316723U17BU17AU20B5U20A256435662174LS08N474LS08N31QQ74LS32N11U18A74LS32NRRL74LS74NP1C1DJ11J34231Key= BV11000Hz 5VKey= A圖1 方案一2、方案二如圖 2，此方案加采用基本RS觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消除抖動電路。U2U1U3U5U4U65VSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_S

6、EG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAY SEVEN_SEG_DISPLAYVCCABCDEFGAB CDEFGABCDE FGAB CDE FGABCDEFGAB CDEFG321095432109543210954321095432109543210954111111111111111111111111111111111111ABCDEFABCDEFABCDEFABCDEFABCDEFABCDEFU12OOOOOOGU7OOOOOOGU8OOOOOOGU9OOOOOOGU10OOOOOOGU11OOOOOOGOTOTOTOTOTOT4511B

7、D4511BD4511BD4511BD4511BDLILLILLILLILLIL4511BD LLIABCDEB ABC DEB ABC DEB ABC DEB ABC DEB ABC DEBDDDDDDD DDDD DDDD DDDD DDDD D712654371265437126543712654371265437126543298129812981298129812981111111111111ABCDU18ABCDU13ABCDU14ABCDU15ABCDU16ABCDU17QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ)74LS90N)74LS90N)74LS90N)74LS90

8、N)74LS90N)74LS90N121212121212121212121212(990099009900990099009900ABRRRRABRRRRABRRRRABRRRRABRRRRABRRRR414141414141167231672316723167231672316723U19BU19AU23B5U23A26543621474LS08N3174LS08N74LS32N74LS32N36U21AU21B74LS00N74LS00NVCC11000Hz 5V18U20DU20C125V74LS00N74LS00NV145R62390111R2R1R32.0kohm2.0kohm2.

9、0kohm2.0kohmJ2Key= BJ1Key= A圖2 方案二總結(jié)：由于方案二很好的解決了開關(guān)抖動的現(xiàn)象，選用方案二2 數(shù)字電子鐘系統(tǒng)的設(shè)計2.1 各部分設(shè)計原理數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（ 1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。 由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的 1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定。 通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。如下圖 3 所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖它由石英晶體振蕩器、分頻電路、計數(shù)器、譯碼顯示器和較時電路組成。數(shù)字鐘是一個將“ 時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為 24 小時，顯示滿刻

10、度為 23 時 59 分 59 秒，另外應(yīng)有校時功能和一些顯示星期、報時、停電查看時間等附加功能。因此，一個基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”，“分”，“秒”計數(shù)器、校時電路、報時電路和振蕩器組成。干電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、 “時、分、秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路組成。 秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號， 它直接決定計時系統(tǒng)的精度， 一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)。 將標準秒信號送入 “秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器” 采用 60 進制計數(shù)器， 每累計 60 秒發(fā)出一個 “分脈沖” 信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖。 “分計數(shù)器”也采用 60 進制計數(shù)器，每累計

11、 60 分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器” ?！皶r計數(shù)器”采用 24 進制計時器，可實現(xiàn)對一天 24 小時的累計。圖 3 數(shù)字鐘構(gòu)成框架圖2.1.1 電源電路主要選用器件：變壓器、電感、橋堆、穩(wěn)壓管7805、電容圖 4 中，是一個將頻率為 50Hz220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為 5V 的直流電壓的直流電壓的直流穩(wěn)壓電源，經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后，輸出為 5V 直流電壓。圖 4 電源電路2.1.2晶體振蕩及分頻電路圖 5 晶體振蕩及分頻電路圖 5 中，石英晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768Hz的脈沖信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。晶振出來接CD40

12、60分頻，從3 端出來的脈沖為2Hz。圖 6 中，再把這 2Hz的脈沖信號接入 74LS74（此為雙 D 觸發(fā)器），由 74LS74 的 5 端出來即為數(shù)字鐘的 1Hz 的脈沖。圖 6 1Hz 分頻2.1.3 時間計數(shù)單元時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。時計數(shù)單元一般為 24 進制計數(shù)器，其輸出為兩位 8421BCD碼形式；分計數(shù)和秒計數(shù)單元為 60 進制計數(shù)器，其輸出也為 8421BCD碼； 一般采用 10 進制計數(shù)器來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，即我們選用74LS90。在本電路中，第一組計數(shù)器 74LS901 用來作秒個位計數(shù)，輸出端為 1Q4 1Q1，計數(shù)圍為 00001

13、001循環(huán)。每當(dāng)計數(shù)到 1001（相當(dāng)于 10 進制數(shù)的 9）時，再輸入一個計數(shù)脈沖則會變?yōu)?0000，這時 74LS90 1 的 1Q4 由高電平變低電平輸出一個負跳變脈沖到 74LS90 2 的時鐘輸入端即為 14 端，作為進位脈沖使第二組計數(shù)器 74LS902 作一次秒十位的計數(shù)。同時 74LS90 -1 開始作下一個計數(shù)循環(huán)。秒十位計數(shù)為 6 進制（可以通過導(dǎo)線連接使 10 進制變?yōu)?6 進制。實現(xiàn)原理：輸出端 2Q42Q32Q2Q1 要從 0101 跳變到 0000, 中間經(jīng)過一個瞬間狀態(tài)0110。 這時我們只須將 2Q3 接入 74LS90 1、74LS90 2 的 1R 端， 2

14、Q 接入到74LS90 1、 74LS902 的 2R 端）。 74LS902 輸出端為2Q4 2Q1，計數(shù)圍為00000101 循環(huán)。每當(dāng)計數(shù)到0101（相當(dāng)于 10 進制數(shù)的 5）時，再輸入一個計數(shù)脈沖則會變?yōu)?0000，這時 74LS902 的 2Q32Q兩端經(jīng)過一個二輸入與門(74LS08)輸出端再送到 74LS90 3 的 CP端，作為進位脈沖使74LS903 作一次分個位的計數(shù)。同時 74LS902 開始作下一個計數(shù)循環(huán)。 同理分計數(shù)的實現(xiàn)原理與秒計數(shù)的實現(xiàn)原理一樣，用第三組計數(shù)器74LS903 作分個位計數(shù)，用第四組計數(shù)器74LS90 4 作分十位計數(shù)。第五組計數(shù)器74LS905

15、 和第六組計數(shù)器74LS906作為時計數(shù)器，但要設(shè)置為24 進制。由 74LS904 的 2Q32Q 兩端經(jīng)過一個二輸入與門輸出端送到的74LS90 5 的 CP端，作為進位脈沖使74LS905 作一次時個位的計數(shù)。計數(shù)圍也是 00001001循環(huán)，當(dāng)計數(shù)由 1001 變?yōu)?0000 輸出一個負跳變脈沖到 74LS902 的時鐘輸入端即為14 端，作為進位脈沖使第六組計數(shù)器74LS90 6 作一次時十位的計數(shù)。因為我們要求時間由23：59：59 能跳到 00：00：00。所以當(dāng) 74LS904 向 74LS905 再發(fā)一次脈沖時， 74LS90 5、 74LS90 6 的輸出端 6Q46Q36

16、Q26Q1 5Q45Q35Q25Q1 要從 00100011 跳變到 00000000，中間經(jīng)過一個瞬間狀態(tài) 00100100。這時我們只須將 6Q2 接入 74LS905、 74LS906 的 R1端， 5Q3 接入 74LS905、74LS906 的 R2 端。（ 1） 秒計數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖7）U2SEVEN_SEG_DISPLA YABCDEFG3210954111111ABCDEFGU5OOOOOOOTABCDLI4511BDEBLDDDD7126543U1A23174LS08N298111ABCDU8QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231U3S

17、EVEN_ SEG_DISPLA YVCCABCDEFG5V3210954111111ABCDEFGU4OOOOOOOTABCDLI4511BDEBLDDDD7126543298111ABCDU7QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231V11Hz 5 V圖 7 秒計數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖中 74LS08的三端是接入分計時器的 CP端）（ 2） 分計數(shù)器、譯碼、顯示電路 ( 圖 8)U2SEVEN_ SEG_DISPLAYABCDEFG3210954111111ABCDEFGU5OOOOOOOTABCDLI4511BDEBLDDDD7126543U1B56474L

18、S08N298111ABCDU8QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231U3SEVEN_ SEG_DISPLAYABCDEFGVCC5V3210954111111ABCDEFGU4OOOOOOOTABCDLI4511BDEBLDDDD7126543298111ABCDU7QQQQ)74LS90N1212(A9900B RRRR4167231圖 8 分計數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖中 74LS08的 6 端是接入時計時器的 CP端）（ 3）時計數(shù)器、譯碼、顯示電路 ( 圖 9)U2SEVEN_SEG_DISPLA YABCDEFG3210954111111ABCDEFG

19、U5OOOOOOOTLI4511BDABCDLEBDDDD7126543298111ABCDU8QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231U3SEVEN_SEG_DISPLA YABCDEFGVCC5V3210954111111ABCDEFGU4OOOOOOOTLI4511BDABCDLEBDDDD7126543298111ABCDU7QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231圖 9 時計數(shù)器、譯碼、顯示電路2.1.4譯碼與顯示電路譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘的計時狀態(tài)直觀清晰地反映出來。譯碼是把給定的代碼進行翻譯， 將時、分、秒計數(shù)器輸

20、出的四位二進制代碼翻譯為相應(yīng)的十進制數(shù)，并通過LED七段數(shù)碼管。而譯碼器采用CD4511器件組成，在譯碼顯示電路輸出信號的驅(qū)動下，顯示出清晰直觀的數(shù)字符號。2.1.5校時校分電路當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正。通常，校正時間的方法是 : 首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進行人工出觸發(fā)計數(shù)方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端， 校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可。 根據(jù)要求，的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。由于每個機械開關(guān)具有抖動現(xiàn)象，因此每一個開關(guān)都需要用RS觸發(fā)器作為去抖電路。采用RS基本觸發(fā)器及單刀雙擲開關(guān)組成，當(dāng)截斷正常的計數(shù)脈沖

21、，就可以實現(xiàn)手動校時功能，如圖1063U4AU4B74LS32N74LS32N1245VCC5V63U3A18U3B74LS00N1U2DU2C74LS00N74LS00N74LS00N12452390R1111R3R2R42.0kohm2.0kohm2.0kohm2.0kohmJ3Key = BJ1Key = A圖 10 消除開關(guān)抖動電路（圖中的 74LS32的 2 端由秒計時器的 74LS08 的 3 端接入， 74LS32的 3 端接入分計時器的 CP端； 74LS32 的 5 端由分計時器的 74LS08 的 6 端接入， 74LS32 的 6 端接入時計時器的 CP端 ）2.1.6

22、報時電路整點報時電路： 根據(jù)要求， 電路應(yīng)在整點前 10 秒鐘開始整點報時， 即當(dāng)時間在 59 分 50 秒到 59 分 59 秒期間時，報時電路報時控制信號。當(dāng)時間在 59 分 50 秒到 59 分 59 秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、 9 和 5，因此可將分計數(shù)器十位的Q3 和 Q1 、個位的 Q4 和 Q1 及秒計數(shù)器十位的Q3 和 Q1 相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。報時電路可選 74LS30 來構(gòu)成。 74LS30為 8 輸入與非門。選蜂鳴器為電聲器件， 蜂鳴器是一種壓電電聲器件， 當(dāng)其兩端加上一個直流電壓時酒會發(fā)出鳴叫聲， 兩個輸入端是極性的， 其較長引腳應(yīng)與

23、高電位相連。與非門 74LS30輸出端應(yīng)與蜂鳴器的負極相連，而蜂鳴器的正極則應(yīng)與電源相連。如圖 11。數(shù)字鐘設(shè)計整點報時電路部分I O1分計數(shù)器十位I O2U1的 Qc 和 QAVCC1VCC5V25VI O33X1分計數(shù)器個位I O4的 QD和 QAI O5秒計數(shù)器十位I O6的 QC和 QA48564V_0.5W111274HC30D說明：當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5，9和5；因 此 ， 可 以 將 分計 數(shù) 器 十 位 的 Qc 和 QA ， 個 位 的 QD 和 QA 及秒計數(shù)器十位的 QC和QA相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。圖 11 報時電路2.2擴展電路部分“時計數(shù)器”采用24 進制計時器，可實現(xiàn)對一天24 小時的累計。每累計24小時，發(fā)出一個“星期脈沖”信號，該信號將被送到“星期計數(shù)器”，“星期計數(shù)器” 采用 7 進制計時器，可實現(xiàn)對一周7 天的累計。譯碼顯示電路將“星期”計數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼器譯碼，