數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 課 題課題一課 程 設(shè) 計(jì) 課 題課題一 數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計(jì)一、 簡(jiǎn)述數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時(shí)、日的計(jì)時(shí)裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確，顯示直觀、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直恚蟮杰囌?、碼頭、機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所的大型數(shù)顯電子鐘。數(shù)字電子鐘的電路組成方框圖如圖1.1所示。圖1.1 數(shù)字電子鐘框圖由圖1.1可見(jiàn)，數(shù)字電子鐘由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發(fā)生器；校時(shí)電路；六十進(jìn)制秒、分計(jì)數(shù)器，二十四進(jìn)制（或十二進(jìn)制）計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器；秒、分、時(shí)的譯碼顯示部分等。二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)

2、一臺(tái)能顯示日、時(shí)、分、秒的數(shù)字電子鐘，要求如下：1. 由晶振電路產(chǎn)生1Hz標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)。2. 秒、分為0059六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。3. 時(shí)為0023二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。4. 周顯示從1日為七進(jìn)制計(jì)數(shù)器。5. 可手動(dòng)校時(shí)：能分別進(jìn)行秒、分、時(shí)、日的校時(shí)。只要將開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置，可分別對(duì)秒、分、時(shí)、日進(jìn)行手動(dòng)脈沖輸入調(diào)整或連續(xù)脈沖輸入的校正。6. 整點(diǎn)報(bào)時(shí)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路要求在每個(gè)整點(diǎn)前嗚叫五次低音（500Hz），整點(diǎn)時(shí)再嗚叫一次高音（1000Hz）。三、可選用器材1. 通用實(shí)驗(yàn)底板2. 直流穩(wěn)壓電源3. 集成電路：CD4060、74LS74、74LS161、74LS248及門電路4. 晶振：32768 H

3、z5. 電容：100F/16V、22pF、322pF之間6. 電阻：200、10K、22M7. 電位器：2.2K或4.7K8. 數(shù)顯：共陰顯示器LC5011-119. 開(kāi)關(guān)：?jiǎn)未伟存I10. 三極管：805011. 喇叭：1 W /4，8四、設(shè)計(jì)方案提示根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，對(duì)照數(shù)字電子鐘的框圖，可以分以下幾部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。1. 秒脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過(guò)整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為32768 Hz，通過(guò)15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出，電路圖如圖1.2所示。圖1.2 秒脈沖發(fā)生器2. 計(jì)數(shù)譯碼顯示

4、秒、分、時(shí)、日分別為60、60、24、7進(jìn)制計(jì)數(shù)器、秒、分均為60進(jìn)制，即顯示0059，它們的個(gè)位為十進(jìn)制，十位為六進(jìn)制。時(shí)為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，顯示為0023，個(gè)位仍為十進(jìn)制，而十位為三進(jìn)制，但當(dāng)十進(jìn)位計(jì)到2，而個(gè)位計(jì)到4時(shí)清零，就為二十四進(jìn)制了。周為七進(jìn)制數(shù)，按人們一般的概念一周的顯示日期“日、1、2、3、4、5、6”，所以我們?cè)O(shè)計(jì)這個(gè)七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，應(yīng)根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表來(lái)進(jìn)行，如表1.1所示。按表1.1狀態(tài)表不難設(shè)計(jì)出“日”計(jì)數(shù)器的電路（日用數(shù)字8代替）。所有計(jì)數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD七段譯碼器，顯示器采用共陰或共陽(yáng)的顯示器。Q4 Q3 Q2 Q1顯示1 0 0 0日0 0 0 110

5、 0 1 020 0 1 130 1 0 040 1 0 150 1 1 06表1.1 狀態(tài)表3. 校時(shí)電路在剛剛開(kāi)機(jī)接通電源時(shí)，由于日、時(shí)、分、秒為任意值，所以，需要進(jìn)行調(diào)整。置開(kāi)關(guān)在手動(dòng)位置，分別對(duì)時(shí)、分、秒、日進(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。4. 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)器在每次計(jì)到整點(diǎn)前六秒時(shí)，需要報(bào)時(shí)，這可用譯碼電路來(lái)解決。即當(dāng)分為59時(shí)，則秒在計(jì)數(shù)計(jì)到54時(shí)，輸出一延時(shí)高電平去打開(kāi)低音與門，使報(bào)時(shí)聲按500Hz頻率嗚叫5聲，直至秒計(jì)數(shù)器計(jì)到58時(shí)，結(jié)束這高電平脈沖；當(dāng)秒計(jì)數(shù)到59時(shí)，則去驅(qū)動(dòng)高音1KHz頻率輸出而鳴叫1聲。五、參考電路數(shù)字電子鐘邏輯電路參考圖如圖1.3所

6、示。圖1.3 數(shù)字電子鐘邏輯電路參考圖六、參考電路簡(jiǎn)要說(shuō)明1. 秒脈沖電路由晶振32768Hz經(jīng)14分頻器分頻為2Hz，再經(jīng)一次分頻，即得1Hz標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，供時(shí)鐘計(jì)數(shù)器用。2. 單次脈沖、連續(xù)脈沖這主要是供手動(dòng)校時(shí)用。若開(kāi)關(guān)K1打在單次端，要調(diào)整日、時(shí)、分、秒即可按單次脈沖進(jìn)行校正。如K1在單次，K2在手動(dòng)，則此時(shí)按動(dòng)單次脈沖鍵，使周計(jì)數(shù)器從星期1到星期日計(jì)數(shù)。若開(kāi)關(guān)K1處于連續(xù)端，則校正時(shí)，不需要按動(dòng)單次脈沖，即可進(jìn)行校正。單次、連續(xù)脈沖均由門電路構(gòu)成。3. 秒、分、時(shí)、日計(jì)數(shù)器這一部分電路均使用中規(guī)模集成電路74LS161實(shí)現(xiàn)秒、分、時(shí)的計(jì)數(shù)，其中秒、分為六十進(jìn)制，時(shí)為二十四進(jìn)制。從圖3中

7、可以發(fā)現(xiàn)秒、分兩組計(jì)數(shù)器完全相同。當(dāng)計(jì)數(shù)到59時(shí)，再來(lái)一個(gè)脈沖變成00，然后再重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。圖中利用“異步清零”反饋到/CR端，而實(shí)現(xiàn)個(gè)位十進(jìn)制，十位六進(jìn)制的功能。時(shí)計(jì)數(shù)器為二十四進(jìn)制，當(dāng)開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，個(gè)位按十進(jìn)制計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到23時(shí)，這時(shí)再來(lái)一個(gè)脈沖，應(yīng)該回到“零”。所以，這里必須使個(gè)位既能完成十進(jìn)制計(jì)數(shù)，又能在高低位滿足“23”這一數(shù)字后，時(shí)計(jì)數(shù)器清零，圖中采用了十位的“2”和個(gè)位的“4”相與非后再清零。對(duì)于日計(jì)數(shù)器電路，它是由四個(gè)D觸發(fā)器組成的（也可以用JK觸發(fā)器），其邏輯功能滿足了表1，即當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到6后，再來(lái)一個(gè)脈沖，用7的瞬態(tài)將Q4、Q3、Q2、Q1置數(shù)，即為“1000”，從而顯示“日

8、”（8）。4譯碼、顯示譯碼、顯示很簡(jiǎn)單，采用共陰極LED數(shù)碼管LC5011-11和譯碼器74LS248，當(dāng)然也可用共陽(yáng)數(shù)碼管和譯碼器。5. 整點(diǎn)報(bào)時(shí)當(dāng)計(jì)數(shù)到整點(diǎn)的前6秒鐘，此時(shí)應(yīng)該準(zhǔn)備報(bào)時(shí)。圖3中，當(dāng)分計(jì)到59分時(shí)，將分觸發(fā)器QH置1，而等到秒計(jì)數(shù)到54秒時(shí)，將秒觸發(fā)器QL置1，然后通過(guò)QL與QH相與后再和1s標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)相與而去控制低音喇叭嗚叫，直至59秒時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使QL清0，停止低音嗚叫，同時(shí)59秒信號(hào)的反相又和QH相與后去控制高音喇叭嗚叫。當(dāng)計(jì)到分、秒從59：5900：00時(shí)，嗚叫結(jié)束，完成整點(diǎn)報(bào)時(shí)。6. 嗚叫電路嗚叫電路由高、低兩種頻率通過(guò)或門去驅(qū)動(dòng)一個(gè)三極管，帶動(dòng)喇叭嗚叫。

9、1KHz和500Hz從晶振分頻器近似獲得。如圖中CD4060分頻器的輸出端Q5和Q6。Q5輸出頻率為1024Hz，Q6輸出頻率為512Hz。一、 簡(jiǎn)述數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時(shí)、日的計(jì)時(shí)裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確，顯示直觀、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直?，大到車站、碼頭、機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所的大型數(shù)顯電子鐘。數(shù)字電子鐘的電路組成方框圖如圖1.1所示。圖1.1 數(shù)字電子鐘框圖由圖1.1可見(jiàn)，數(shù)字電子鐘由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發(fā)生器；校時(shí)電路；六十進(jìn)制秒、分計(jì)數(shù)器，二十四進(jìn)制（或十二進(jìn)制）計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器；秒、分、時(shí)

10、的譯碼顯示部分等。二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示日、時(shí)、分、秒的數(shù)字電子鐘，要求如下：3. 由晶振電路產(chǎn)生1Hz標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)。4. 秒、分為0059六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。3. 時(shí)為0023二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。4. 周顯示從1日為七進(jìn)制計(jì)數(shù)器。5. 可手動(dòng)校時(shí)：能分別進(jìn)行秒、分、時(shí)、日的校時(shí)。只要將開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置，可分別對(duì)秒、分、時(shí)、日進(jìn)行手動(dòng)脈沖輸入調(diào)整或連續(xù)脈沖輸入的校正。6. 整點(diǎn)報(bào)時(shí)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路要求在每個(gè)整點(diǎn)前嗚叫五次低音（500Hz），整點(diǎn)時(shí)再嗚叫一次高音（1000Hz）。三、可選用器材1. 通用實(shí)驗(yàn)底板2. 直流穩(wěn)壓電源3. 集成電路：CD4060、74LS74、74

11、LS161、74LS248及門電路4. 晶振：32768 Hz5. 電容：100F/16V、22pF、322pF之間6. 電阻：200、10K、22M7. 電位器：2.2K或4.7K8. 數(shù)顯：共陰顯示器LC5011-119. 開(kāi)關(guān)：?jiǎn)未伟存I10. 三極管：805011. 喇叭：1 W /4，8四、設(shè)計(jì)方案提示根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，對(duì)照數(shù)字電子鐘的框圖，可以分以下幾部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。7. 秒脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過(guò)整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為32768 Hz，通過(guò)15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出，電

12、路圖如圖1.2所示。圖1.2 秒脈沖發(fā)生器8. 計(jì)數(shù)譯碼顯示秒、分、時(shí)、日分別為60、60、24、7進(jìn)制計(jì)數(shù)器、秒、分均為60進(jìn)制，即顯示0059，它們的個(gè)位為十進(jìn)制，十位為六進(jìn)制。時(shí)為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，顯示為0023，個(gè)位仍為十進(jìn)制，而十位為三進(jìn)制，但當(dāng)十進(jìn)位計(jì)到2，而個(gè)位計(jì)到4時(shí)清零，就為二十四進(jìn)制了。周為七進(jìn)制數(shù)，按人們一般的概念一周的顯示日期“日、1、2、3、4、5、6”，所以我們?cè)O(shè)計(jì)這個(gè)七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，應(yīng)根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表來(lái)進(jìn)行，如表1.1所示。按表1.1狀態(tài)表不難設(shè)計(jì)出“日”計(jì)數(shù)器的電路（日用數(shù)字8代替）。所有計(jì)數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD七段譯碼器，顯示器采用共陰或共陽(yáng)的顯示器。

13、Q4 Q3 Q2 Q1顯示1 0 0 0日0 0 0 110 0 1 020 0 1 130 1 0 040 1 0 150 1 1 06表1.1 狀態(tài)表9. 校時(shí)電路在剛剛開(kāi)機(jī)接通電源時(shí)，由于日、時(shí)、分、秒為任意值，所以，需要進(jìn)行調(diào)整。置開(kāi)關(guān)在手動(dòng)位置，分別對(duì)時(shí)、分、秒、日進(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。10. 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)器在每次計(jì)到整點(diǎn)前六秒時(shí)，需要報(bào)時(shí)，這可用譯碼電路來(lái)解決。即當(dāng)分為59時(shí)，則秒在計(jì)數(shù)計(jì)到54時(shí)，輸出一延時(shí)高電平去打開(kāi)低音與門，使報(bào)時(shí)聲按500Hz頻率嗚叫5聲，直至秒計(jì)數(shù)器計(jì)到58時(shí)，結(jié)束這高電平脈沖；當(dāng)秒計(jì)數(shù)到59時(shí)，則去驅(qū)動(dòng)高音1KHz頻率輸

14、出而鳴叫1聲。五、參考電路數(shù)字電子鐘邏輯電路參考圖如圖1.3所示。圖1.3 數(shù)字電子鐘邏輯電路參考圖六、參考電路簡(jiǎn)要說(shuō)明1. 秒脈沖電路由晶振32768Hz經(jīng)14分頻器分頻為2Hz，再經(jīng)一次分頻，即得1Hz標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，供時(shí)鐘計(jì)數(shù)器用。2. 單次脈沖、連續(xù)脈沖這主要是供手動(dòng)校時(shí)用。若開(kāi)關(guān)K1打在單次端，要調(diào)整日、時(shí)、分、秒即可按單次脈沖進(jìn)行校正。如K1在單次，K2在手動(dòng)，則此時(shí)按動(dòng)單次脈沖鍵，使周計(jì)數(shù)器從星期1到星期日計(jì)數(shù)。若開(kāi)關(guān)K1處于連續(xù)端，則校正時(shí)，不需要按動(dòng)單次脈沖，即可進(jìn)行校正。單次、連續(xù)脈沖均由門電路構(gòu)成。3. 秒、分、時(shí)、日計(jì)數(shù)器這一部分電路均使用中規(guī)模集成電路74LS161實(shí)現(xiàn)秒

15、、分、時(shí)的計(jì)數(shù)，其中秒、分為六十進(jìn)制，時(shí)為二十四進(jìn)制。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)秒、分兩組計(jì)數(shù)器完全相同。當(dāng)計(jì)數(shù)到59時(shí)，再來(lái)一個(gè)脈沖變成00，然后再重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。圖中利用“異步清零”反饋到/CR端，而實(shí)現(xiàn)個(gè)位十進(jìn)制，十位六進(jìn)制的功能。時(shí)計(jì)數(shù)器為二十四進(jìn)制，當(dāng)開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，個(gè)位按十進(jìn)制計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到23時(shí)，這時(shí)再來(lái)一個(gè)脈沖，應(yīng)該回到“零”。所以，這里必須使個(gè)位既能完成十進(jìn)制計(jì)數(shù)，又能在高低位滿足“23”這一數(shù)字后，時(shí)計(jì)數(shù)器清零，圖中采用了十位的“2”和個(gè)位的“4”相與非后再清零。對(duì)于日計(jì)數(shù)器電路，它是由四個(gè)D觸發(fā)器組成的（也可以用JK觸發(fā)器），其邏輯功能滿足了表1，即當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到6后，再來(lái)一個(gè)脈沖，用7的瞬態(tài)將Q4、Q3、Q2、Q1置數(shù)，即為“1000”，從而顯示“日”（8）。4譯碼、顯示譯碼、顯示很簡(jiǎn)單，采用共陰極LED數(shù)碼管LC5011-11和譯碼器74LS248，當(dāng)然也可用共陽(yáng)數(shù)碼管和譯碼器。11. 整點(diǎn)報(bào)時(shí)當(dāng)計(jì)數(shù)到整點(diǎn)的前6秒鐘，此時(shí)應(yīng)該準(zhǔn)備報(bào)時(shí)。圖3中，當(dāng)分計(jì)到59分時(shí)，將分觸發(fā)器QH置1，而等到秒計(jì)數(shù)到5