數(shù)字電子鐘設(shè)計方案

1、目 錄數(shù)字電子鐘設(shè)計方案數(shù)字計時器的設(shè)計思想要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)選擇一個脈沖源能自動地產(chǎn)生穩(wěn)定的標準時間脈沖信號。而脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號地頻率較高，因此，需要進行分頻，使得高頻脈沖信號變成適合于計時的低頻脈沖信號，即“秒脈沖信號”（頻率為1Hz）。經(jīng)過分頻器輸出的秒脈沖信號到計數(shù)器中進行計數(shù)。由于計時的規(guī)律是：60秒=1分，60分=1小時，24小時=1天，就需要分別設(shè)計60進制，24進制計數(shù)器，并發(fā)出驅(qū)動信號。各計數(shù)器輸出信號經(jīng)譯碼器、驅(qū)動器到數(shù)字顯示器，是“時”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示出來。值得注意的是：任何記時裝置都有誤差，因此應(yīng)考慮校準時間電路。校時電路一般采用自動快速調(diào)整和手動調(diào)

2、整 “自動快速調(diào)整”可利用分頻器輸出的不同頻率的脈沖使顯示時間自動迅速調(diào)整時間?！笆謩诱{(diào)整”可利用手動的節(jié)拍調(diào)準顯示時間。數(shù)字電子鐘組成框圖數(shù)字鐘的組成框圖如圖1.1所示分別由顯示電路，譯碼電路，計數(shù)器，校時電路，和脈沖產(chǎn)生的分頻器及振蕩器。圖1.1數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖單元電路設(shè)計及元器件參數(shù)選擇秒信號電路它是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定于數(shù)字中的質(zhì)量.通常晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。多諧振蕩器電路與分頻電路如圖1.2所示。多諧振蕩器與分頻電路為計數(shù)器提供計數(shù)脈沖和為計數(shù)器提供校時脈沖。圖1.2多諧振蕩器電路與分頻電路f=1/0.7(Rw+2R)C多諧振

3、蕩器的頻率設(shè)計為2Hz，R為50kC為4.7F。f=1/0.7(Rw+2R)C=1/0.7(50+2*51)*103*4.7*10-62Hz調(diào)節(jié)電位器Rw，使多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號。多諧振蕩器產(chǎn)生的2Hz脈沖信號經(jīng)過CD4013組成的分頻器，進行2分頻，輸出1Hz的秒脈沖為計數(shù)器的計數(shù)脈沖。555定時器的引腳圖如圖1.3所示。圖1.3555定時器引腳圖D觸發(fā)器CD4013的引腳圖如圖1.4所示圖1.4 CD4013引腳圖時、分、秒計數(shù)器秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后。分別得到顯示電路，以便實現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇嫈?shù)器應(yīng)為六十進制，而“時”計數(shù)器應(yīng)

4、為二十四進制。要實現(xiàn)這一要求，可選用的中規(guī)模集成計數(shù)器較多，這里推薦74LS160或74LS161。a.六十進制計數(shù)器，它由兩塊中規(guī)模集成十進制計數(shù)器74LS161，一塊組成十進制，另一塊組成六進制。組合起來就構(gòu)成六十進制計數(shù)器，如圖1.5所示六十進制計數(shù)器。圖 1.5兩塊74LS160構(gòu)成的六十進制計數(shù)器b.二十四進制計數(shù)器。它由兩塊中規(guī)模集成十進制計數(shù)器74LS160構(gòu)成。當高位出現(xiàn)0010狀態(tài)，低位為0100狀態(tài)，即計到第24個來自“分”計數(shù)器的進位信號時，產(chǎn)生反饋清零信號，如圖1.6所示為二十四進制計數(shù)器。圖 1.6兩塊74LS160構(gòu)成的二十四進制計數(shù)器譯碼顯示電路選用器件時應(yīng)當注意

5、譯碼器和顯示器件相互配合。一是驅(qū)動功率要足夠大，二是邏輯電平要匹配秒計數(shù)器、分計數(shù)器、和時計數(shù)器的計數(shù)分別輸送給各自的顯示譯碼器CD4511，在數(shù)送給各自的數(shù)碼管，顯示出時、分、秒的計時。電路如圖1.7所示為計數(shù)、譯碼顯示電路。1.7計數(shù)、譯碼顯示電路1.3.4校時電路在剛接通電源或者時鐘走時出現(xiàn)誤差時，則需要進行時間的校準。置開關(guān)在手動位置，分別對時、分、秒進行單獨計數(shù)，計數(shù)脈沖由單次脈沖或連續(xù)脈沖輸入。校時電路如圖1.12所示為校時電路。由與非門和二個開關(guān)組成，實現(xiàn)對“時”、“分”的校準。1.12校時電路當校時開關(guān)K1、K2扳到A端時，校時的2Hz脈沖輸送到時計數(shù)器和分計數(shù)器個位的CP端，

6、進行時計數(shù)器和分計數(shù)器“時”、“分”的校準。當校時開關(guān)K1、K2扳到B端時，時計數(shù)器和分計數(shù)器的進位脈沖輸送到時計數(shù)器和分計數(shù)器個位的CP端，時鐘正常計時。1.3.5總體電路數(shù)字鐘以成為人們常生活中數(shù)字電子鐘一般由振蕩器，分頻器，譯碼器，顯示器等部分組成。數(shù)字鐘的應(yīng)用非常廣泛，應(yīng)用于人家庭以及車站。碼頭。劇場，辦公室等公共場所，給人們的生活，學(xué)習(xí)，工作，娛樂帶來極大的方便，由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時準確，性能穩(wěn)定，攜帶方便等特點，它還用于計時，自動報時及自動控制等各個領(lǐng)域。 盡管目前市場上以有現(xiàn)成數(shù)字鐘集成電路芯片，價格便宜這些都是數(shù)字電路中最基本的，應(yīng)

7、用最廣的電路。數(shù)字電子鐘的基本邏輯功能框圖如下：它是一個將“時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。他的計時裝置的周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒，另外應(yīng)有校時功能。因此，一個基本數(shù)字鐘主要由五部分組成。1555定時器原理：晶體震蕩器的作用是產(chǎn)生時間標準信號。數(shù)字鐘的精度，主要取決于時間標準信號的頻率及其穩(wěn)定度。因此，一般用石英震蕩器經(jīng)過分得到。雙極型555定時器由電阻分壓器、比較器、基本RS觸發(fā)器、雙極型三極管T和輸出緩沖器組成。2計數(shù)器原理：有了時間標準：“秒”信號后，就可以根據(jù)60秒為1分，60分為1小時，24小時為一天的計數(shù)周期，分別組成兩個60進制，一個24進

8、制的計數(shù)器。將這些計數(shù)器適當連接，就可以夠成秒，分時的計數(shù)器 ，實現(xiàn)計時功能。CD4518是一個同步加法計數(shù)器，在一個封裝中含有兩個可互換二/十進制計數(shù)器，其功能引腳分別為17和915.該CD4518計數(shù)器是單路系列脈沖輸入4路BCD碼信號輸出。分別由CD4518組成60進制和24進制實現(xiàn)秒，分，時的正常計數(shù)。3譯碼和數(shù)碼顯示電路原理：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，被人們的視覺器官所接受。顯示器件選用LED七段數(shù)碼管。在譯碼及數(shù)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。CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極 LED（數(shù)碼管）顯示器的 BCD碼七段碼譯碼器，特點

9、：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。可直接驅(qū)動LED顯示器。4校時電路原理：實際的數(shù)字鐘電路由于秒信號的精確性和不可能做到完全準確無誤，加之電路中其他原因，數(shù)字鐘總會產(chǎn)生其他原因，數(shù)字鐘總會產(chǎn)生走時誤差的現(xiàn)象，因此，電路中就應(yīng)該有校準時間的功能的電路。CD4011為兩輸入與非門集成電路，校時電路由與非門組成當校時開關(guān)K1、K2扳到A端時，校時的2Hz脈沖輸送到時計數(shù)器和分計數(shù)器個位的CP端，進行時計數(shù)器和分計數(shù)器“時”、“分”的校準。當校時開關(guān)K1、K2扳到B端時，時計數(shù)器和分計數(shù)器的進位脈沖輸送到時計數(shù)器和分計數(shù)器個位的CP端，時鐘正常計時。

10、如圖1.13所示為電子鐘整體電路。圖1.13 數(shù)字電子鐘電路1.4安裝與調(diào)試1 首先調(diào)試多諧振蕩器。用示波器觀察多諧振蕩器輸出波形，確定多諧振蕩器是否正常工作，振蕩頻率是否是2Hz。調(diào)節(jié)電位器Rw，使多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號。2 調(diào)試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號頻率是否是1Hz。3調(diào)試計數(shù)、譯碼顯示電路。將秒信號輸送給秒計數(shù)器、分計數(shù)器、和時計數(shù)器，觀察各計數(shù)器是否工作正常。4 調(diào)試校時電路。觀察校時電路是否起到校時作用。5 整體調(diào)試。各部分電路連接起來，觀察電子鐘是否正常工作。數(shù)制日常生活中，最常用的進位數(shù)制是十進制。而在數(shù)字系統(tǒng)中，多采用二進制數(shù)，有時也采用八進

11、制數(shù)或十六進制數(shù)。電子鐘設(shè)計用到的計數(shù)器只識別二進制數(shù)，因此這一節(jié)對數(shù)制進行說明。十進制十進制特點是“逢十進一”，有0，1，2，3，4，5，6，7，8，9十個數(shù)碼。一個數(shù)的大小決定于數(shù)碼的位置，即數(shù)位。例如十進制數(shù)1995可寫成展開式：1995=1*103+9*102+9*101+5*100二進制二進制數(shù)的特點是“逢二進一”，只有0，1兩個數(shù)碼。從二進制數(shù)的特點可以看到它具有的優(yōu)點。第一，只有兩個數(shù)碼，只需反映兩種狀態(tài)的元件就可表示一位數(shù)。因此，構(gòu)成二進制數(shù)電路的基本單元結(jié)構(gòu)簡單。第二，儲存和傳遞可靠。第三，運算簡便，所以在計算機中都使用二進制數(shù)。十六進制用二進制表示一個較大的數(shù)，位數(shù)太多，書

12、寫和閱讀均不方便，因此在計算機中還常常使用十六進制數(shù)。十六進制的特點是“逢十六進一”，有0-9，A-F這16個數(shù)碼。主要元件介紹芯片CD4511原理：CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。可直接驅(qū)動LED顯示器。CD4511引腳功能：BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0時，不管其它輸入端狀態(tài)是怎么樣的，七段數(shù)碼管都會處于消隱也就是不顯示的狀態(tài)。 LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)

13、值。LT：3腳是測試信號的輸入端，當BI=1，LT=0時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮全部顯示。它主要用來檢測數(shù)7段碼管是否有物理損壞。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。CD4511的里面有上拉電阻，可直接或者接一個電阻與七段數(shù)碼管接口如圖2.1所示為CD4511引腳圖圖2.1 CD4511引腳圖芯片CD4518原理：CD4518是一個同步加計數(shù)器，在一個封裝中含有兩個可互換二/十進制計數(shù)器，其功能引腳分別為17和915.該CD4518計數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳）

14、，4路BCD碼信號輸出（3腳6腳；11腳14腳）。CD4518控制功能：CD4518有兩個時鐘輸入端CP和EN若用時鐘上升沿觸發(fā)信號由CP輸入此時EN端為高電平（1）若用時鐘下降沿觸發(fā)信號由EN輸入此時CP端為低噸平（0）同時復(fù)位端Cr也保持低電平（0）只有滿足了這些條件時電路才會處于計數(shù)狀態(tài).否則沒辦法工作。將數(shù)片CD4518串行級聯(lián)時，盡管每片CD4518屬并行計數(shù)，但就整體而言已變成串行計數(shù)了。需要指出，CD4518未設(shè)置進位端，但可利用Q4做輸出端。有人誤將第一級的Q4端接到第二級的CP端，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計數(shù)變成“逢八進一”了。原因在于Q4是在CP8作用下產(chǎn)生正跳變的，其上升沿不能作進位脈沖

15、，只有其下降沿才是“逢十進一”的進位信號。正確接法應(yīng)是將低位的Q4端接高位的EN端，高位計數(shù)器的CP端接USS。CD4518是一個雙BCD同步加計數(shù)器，由兩個相同的同步4級計數(shù)器組成。CD4518引腳功能(管腳功能)：1CP、2CP：時鐘輸入端。1CR、2CR：清除端。1EN、2EN：計數(shù)允許控制端。1Q01Q3：計數(shù)器輸出端。2Q02Q3：計數(shù)器輸出端。Vdd：正電源。Vss：地。如圖2.2所示為CD4518引腳圖圖2.2 CD4518引腳圖 CD4011芯片CD4011原理：CD4011為兩輸入與非門集成電路。當兩輸入短有一個輸入為0，輸出就為0。只有當輸入均為1時，輸出才為1。CD401

16、1引腳功能：AB:與非門的兩個輸入端。Y：與非門的輸出端。VDD：高電平。GND：低電平。如圖2.3為CD4011引腳圖。圖2.3 CD4011引腳圖芯片在電子技術(shù)中，N/2(N為奇數(shù))分頻電路有著重要的應(yīng)用，對一個特定的輸入頻率，要經(jīng)N/2分頻后才能得到所需要的輸出，這就要求電路具有N/2的非整數(shù)倍的分頻功能。CD4013是雙D觸發(fā)器，在以CD4013為主組成的若干個二分頻電路的基礎(chǔ)上，加上異或門等反饋控制，即可很方便地組成N/2分頻電路。從以上幾個N/2分頻電路可得到如下幾個特性：1電路工作原理是，在第n個周期，末級兩分頻器的輸出為高電平時，輸入時鐘脈沖的上升沿使分頻電路工作；在第n1個周

17、期，末級兩分頻器的輸出為低電平時，輸入時鐘脈沖的下降沿使分頻電路工作。2電路采用的是異步觸發(fā)形式，各觸發(fā)器的初始狀態(tài)不會影響到分頻的功能。3輸入信號fi的最高工作頻率fimax除受到CMOS元件fM的限制外，還受到D觸發(fā)器、反饋門翻轉(zhuǎn)延遲和電容C濾波頻率特性的影響，所以應(yīng)盡可能提高fi的值如圖2.4所示為CD4011引腳圖。圖2.4 CD4011引腳圖雙極型555定時器由電阻分壓器、比較器、基本RS觸發(fā)器、雙極型三極管T和輸出緩沖器組成，其外部有八個引腳，第8腳為電源端，第1腳為接地端，第3腳為輸出端，第4腳為直接復(fù)位端，第5腳為控制電壓輸入端，第6腳為復(fù)位控制端，第2腳為置位控制端，第7腳為

18、放電端。如圖2.5所示為555定時器引腳圖。圖2.5 555定時器引腳圖我們學(xué)習(xí)了數(shù)字電子電路和模擬電子電路，對電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的東西與實踐相結(jié)合。從中對我們學(xué)的知識有了更進一步的理解。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計，但通過這次課程設(shè)計我們了解了課程設(shè)計的一般步驟，和設(shè)計中應(yīng)注意的問題。設(shè)計本身并不是有很重要的意義，而是同學(xué)們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。至于設(shè)計的成績無須看的太過于重要，而是設(shè)計的過程，設(shè)計的思想和設(shè)計電路中的每一個環(huán)節(jié)，電路中各個部分的功能是如何實現(xiàn)的。各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應(yīng)該注意那些要點。同一個電路可以用那些芯片實現(xiàn)，各個芯片實現(xiàn)同一個功能的區(qū)別。另外