數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作(課設(shè))

1、 課程設(shè)計(jì)(論文 說明書題 目： 數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作 院 （系）： 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： XXXXXXXXXX 指導(dǎo)老師： 2011 年 1 月 20 日內(nèi)容摘要：時(shí)間是人類用以描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程或事件發(fā)生過程的一個(gè)參數(shù)，確定時(shí)間，是靠不受外界影響的物質(zhì)周期變化的規(guī)律。例如月球繞地球周期，地球繞太陽周期，地球自轉(zhuǎn)周期，原子震蕩周期等。過去，人們?nèi)粘Ｉ钪械挠?jì)時(shí)方法有很多，如：以季節(jié)“春夏秋冬”變化作為一年，以月亮的圓缺作為一個(gè)月，以太陽東升西落為一天等。過去的計(jì)時(shí)工具從“日晷”、“沙漏”到機(jī)械手表，而后到當(dāng)今的數(shù)字鐘、數(shù)字表等，人類對(duì)日間的計(jì)數(shù)越來越精確，我們的生

2、活里安排著許許多多日程，可見時(shí)間的計(jì)量與人們的生活密切相關(guān)。數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更長(zhǎng)的使用壽命，已得到廣泛的使用。不僅如此它還能同時(shí)顯示時(shí)、分、秒。而且能對(duì)時(shí)、分、秒準(zhǔn)確校時(shí)，這是普通鐘所不及的。另外，數(shù)字鐘可以實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)時(shí)，定時(shí)鬧鈴等，與舊式鐘表相比它更適用于現(xiàn)代人的生活。本次課設(shè)為數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，其大部分涉及到課程中所學(xué)的數(shù)電知識(shí)，與當(dāng)今數(shù)字時(shí)代的電子發(fā)展業(yè)密切相關(guān)，對(duì)往后的學(xué)習(xí)將有很大的幫助。關(guān)鍵字：數(shù)字鐘 校時(shí) 時(shí)間顯示 定時(shí)目錄1. 設(shè)計(jì)任務(wù)與目的 . . 4 2. 設(shè)計(jì)功能要求 . 4

3、3. 電路設(shè)計(jì) . . 43.1設(shè)計(jì)方案論證和選擇 . . 43.2系統(tǒng)框圖 . . 5 3.3單元電路的設(shè)計(jì) . . 6 3.3.1 振蕩電路 . . 6 3.3.2 計(jì)數(shù)電路. 7 3.3.3譯碼與顯示電路 . . 8 3.3.4 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 . 9 3.3.5 按鍵清零計(jì)時(shí)電路. 9 3.4 總體電路工作原理描述 . 10 4. 電路的組裝與調(diào)試 . . 10 5. 電路的評(píng)價(jià) . . 11 6. 總結(jié) . . 11 致 謝 . 12 參考文獻(xiàn) . . 12 附錄 . . 131. 設(shè)計(jì)任務(wù)與目的：設(shè)計(jì)一種多功能數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘具有基本功能和擴(kuò)展功能兩部分。其中，基本功能部分的有準(zhǔn)確計(jì)

4、時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間和校時(shí)功能。擴(kuò)展功能部分則具有：仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。通過對(duì)本次設(shè)計(jì)制作的實(shí)踐，更好的掌握課本內(nèi)的理論知識(shí)，應(yīng)用知識(shí)解決日常生活的問題。2. 功能要求 理論功能要求：1）時(shí)間以24小時(shí)為一周期； 2）顯示時(shí)，分，秒；3）計(jì)時(shí)過程中有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能； 4）可對(duì)小時(shí)，分鐘單獨(dú)校時(shí)；5）為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào). 實(shí)際功能要求：（由于受器材經(jīng)費(fèi)限制） 1）設(shè)計(jì)晶振振蕩電路作為時(shí)鐘源電路； 2）設(shè)計(jì)一個(gè)60進(jìn)制或24進(jìn)制計(jì)數(shù)電路；3）設(shè)計(jì)用兩位數(shù)碼管顯示時(shí)（24進(jìn)制）或分（60進(jìn)制）或秒（進(jìn)制）； 4）計(jì)時(shí)過程中有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能；3電路

5、設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)方案論證和選擇：方案一：采用可用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)采用邏輯電路設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)具有：日、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功能和多點(diǎn)定時(shí)功能，電路通過計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖具有自動(dòng)更新秒的顯示，純屬硬件設(shè)計(jì)無需程序干預(yù)。方案二：EDA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)采用EDA 作為主控器控制外圍電路進(jìn)行電壓，時(shí)鐘控制、鍵盤和LED 控制。此方案邏輯電路復(fù)雜，且靈活性較低，不利于各種功能的擴(kuò)展，在對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)比較困難。 方案三：?jiǎn)纹瑱C(jī)編程實(shí)現(xiàn)通過利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，軟件設(shè)置I/O作為數(shù)碼管或液晶顯示信號(hào)輸出，時(shí)間校準(zhǔn)按鍵輸入。軟件實(shí)現(xiàn)的電子鐘具有編程靈活，并便于功能的擴(kuò)展。綜合比較上述各方案，就現(xiàn)在的知識(shí)水平且采用中

6、小規(guī)模集成電路作為最終選擇方案。3.2 系統(tǒng)框圖理論功能要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖： 圖1 實(shí)際功能要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖：（設(shè)計(jì)秒計(jì)數(shù)60進(jìn)制） 圖23.3 單元電路的設(shè)計(jì)對(duì)于各單元電路的設(shè)計(jì)方案將有不同的幾種，其不同的方案采用的器件均有所不同，下面將一一分析各單元電路方案的實(shí)現(xiàn)與特點(diǎn)比較。3.3.1 振蕩電路振蕩電路主要是產(chǎn)生1Hz 時(shí)鐘供秒的個(gè)位計(jì)數(shù)器作為時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)也供一個(gè)聲音頻率（一般1kHz 左右）給報(bào)時(shí)電路作為揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。方案一：采用555芯片產(chǎn)生1kHz 后做千分頻輸出1Hz 時(shí)鐘，如下圖： 圖3由于555是利用電容的充放電產(chǎn)生矩形波時(shí)間誤差較大，需通過產(chǎn)生高頻繁波形從而減少誤差，但

7、這樣就必須另外加分步電路做分頻，這樣增加了制作的成本。方案二：采用石英晶振電路產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘后做分頻具體：采用CD4060（由一振蕩器和14級(jí)二分頻電路組成）接值為32.768kHz 的晶振產(chǎn)生2Hz 時(shí)鐘后通過用CD4013構(gòu)成二分頻電路，總體將32.768kHz 做15級(jí)二分頻最終產(chǎn)生1Hz 時(shí)鐘。公式為：32768÷215=1（Hz ）下圖為CD4060的芯片管腳與功能說明：CPI ：時(shí)鐘輸入端CP0：時(shí)鐘輸出端CP0:反相時(shí)鐘輸出端Q4Q10,Q12Q14:計(jì)數(shù)器輸出端 圖46圖5兩方案比較：通過555芯片產(chǎn)生的時(shí)鐘周期與RC 電路值有關(guān)容易產(chǎn)生較大的誤差且需要使用3塊十進(jìn)制

8、芯片構(gòu)成千分頻電路，而通過CD4060產(chǎn)生的時(shí)鐘周期只與晶振的諧振頻率有關(guān)可以產(chǎn)生穩(wěn)定精確的時(shí)鐘信號(hào)且僅需再加1塊二分頻芯片即可實(shí)現(xiàn)，綜合考慮最終選擇采用方案二。3.3.2 計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)電路主要是通過用同步或異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（或其它進(jìn)制）級(jí)聯(lián)構(gòu)成24進(jìn)制或60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。通過使用不同的進(jìn)制有以下幾種方案：方案一：同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160實(shí)現(xiàn)，如下圖： 圖6a. 同步級(jí)聯(lián)（60進(jìn)制） 圖6b. 異步級(jí)聯(lián)（60進(jìn)制） 從圖可看出，無論通過74LS160采用同步級(jí)聯(lián)還是異步級(jí)聯(lián)，要構(gòu)成60進(jìn)制（24進(jìn)制同理）都需要增加外部的邏輯門電路才可實(shí)現(xiàn)。以已類推采用74LS192也是如此。方案二：采用內(nèi)

9、部集成有雙輸入與門的雙輸入清零端74LS90(異步十進(jìn)制 和74LS92（異步六進(jìn)制）構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器（24進(jìn)制同理），如下圖： 7 圖7a. 24進(jìn)制 圖7b. 60進(jìn)制由于74LS90和74LS92都是下降沿觸發(fā)，如上圖將低級(jí)電路的Q3端聯(lián)至高級(jí)的時(shí)鐘端即可在低級(jí)的溢出時(shí)(即，從9到0 的下降沿觸發(fā)高一級(jí)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)位時(shí)鐘。從上圖發(fā)現(xiàn)由于74LS90和74LS92內(nèi)部集成有雙輸入與門的雙輸入清零端，所以不需要外加邏輯門電路即可通過清零反饋方法構(gòu)成24或60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器電路。綜合比較可發(fā)現(xiàn)，采用74LS90和74LS92構(gòu)成計(jì)數(shù)器節(jié)省了外加邏輯門的必要，成本更低，所以采用方案二設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)電路。下

10、表為74LS92的真值表。3.3.3 譯碼與顯示電路由于計(jì)數(shù)器構(gòu)成的擴(kuò)展進(jìn)制數(shù)多為BCD 碼輸出形式，所以顯示宜采用由七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器（驅(qū)動(dòng)共陽數(shù)碼管的74LS47和驅(qū)動(dòng)共陰數(shù)碼管的74LS48）驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管作為顯示。如下圖為采用74LS48驅(qū)動(dòng)共陰數(shù)碼管。參考數(shù)電課本P182頁可知，74LS48除了ag 7段驅(qū)動(dòng)輸出外還有3個(gè)附加控制端用于擴(kuò)展電路。其中，3管腳LT 為燈測(cè)試輸入，當(dāng)LT =0時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸出端均為高電平。4管腳BI /RBO 為滅燈輸入/滅零輸出端，作為輸入端使用時(shí)，稱滅燈輸入控制端，BI =0時(shí)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各段同時(shí)熄滅。作為輸出端使用時(shí)，稱為滅零輸出端，只有當(dāng)A=B=C

11、=D=0,和滅零輸入端RBI =0時(shí)，RBO 輸出低電平。5管腳RBI 為滅零輸入端。當(dāng)RBI =0時(shí)，只要A=B=C=D=0時(shí)，即輸入BCD 碼值為0時(shí)驅(qū)動(dòng)輸出端均為低電平，將0值不顯示。電路的的驅(qū)動(dòng)如右圖，將3個(gè)控制端均接高電平，使其為無效，即不使用擴(kuò)展電路。圖8 8 3.3.4 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的功能的實(shí)現(xiàn)是仿照廣播電臺(tái)的報(bào)時(shí)聲音，以下是仿廣播的要求：1）每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快到整點(diǎn)時(shí)發(fā)出響聲；2）通常按時(shí)4低音1高音的順序發(fā)出間斷的響聲；3）以最后一聲高音的結(jié)束時(shí)刻為整點(diǎn)時(shí)刻。設(shè)4聲低音（由CD4060的Q6腳輸出的512Hz 頻率提供）分別發(fā)生在51秒，53秒，55秒，57秒；最后

12、一聲高音發(fā)生在59秒。分析聲響的控制可得，有報(bào)時(shí)響聲時(shí)應(yīng)該滿足以下條件： 只有當(dāng)秒的十位為5且當(dāng)秒的個(gè)位為奇數(shù)時(shí)才響； 當(dāng)秒小于59時(shí)為低音，等于59秒時(shí)為高音。分析計(jì)數(shù)器的BCD 碼（Q3 Q2 Q1 Q0）可知：低音時(shí)的輸出為:十秒的Q2=1且Q0=1（5）；個(gè)秒的Q3=0且Q0=1（奇數(shù)）。 高音時(shí)的輸出為：十秒的Q2=1且Q0=1（5）；個(gè)秒的Q3=1且Q0=1（9）。 經(jīng)過邏輯真值表分析和卡諾圖運(yùn)算最終得出的邏輯電路圖如下： 圖9圖9中4輸入與非門（74LS20）U7A 和非門（74LS04）U9A 構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)的是第1個(gè)條件的檢驗(yàn)；而2輸入與非門（74LS00）U8A 、U8B

13、、U8C 和非門（74LS04）U9B 構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)第2條件的檢驗(yàn)。其中分別供給揚(yáng)聲器1024Hz 和512Hz 頻率產(chǎn)生高音和低音。可見當(dāng)sec0Q3=1（秒的個(gè)位）時(shí)即（Q3 Q2 Q1 Q0=1 0 0 1）為9時(shí)，頻率為1024Hz 的信號(hào)可以通過U8C 直到U10C ，而512Hz 的信號(hào)無法通過U8A 。相反，當(dāng)sec0Q3=0時(shí)是512Hz 信號(hào)通過U8A 到U10C ，而1024Hz 信號(hào)無法通過。從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)秒的狀態(tài)來切換響聲的高低音。3.3.5 按鍵清零計(jì)時(shí)電路按鍵清零計(jì)時(shí)主要是實(shí)現(xiàn)讓設(shè)計(jì)的60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器又從0開始計(jì)時(shí)，通過在74LS90和74LS92的清零端接按鍵即可

14、實(shí)現(xiàn)，電路如下圖： 9圖10如圖10，用了濾波電容C3去除按鍵抖動(dòng)，另外通過100歐電阻R3和C3產(chǎn)生的RC 電路可讓在上電瞬間C3兩端同為VCC 電壓，即MRx 端為高電平，而后C3充電由下拉電阻R3將MRx 端拉為低電平，從而實(shí)現(xiàn)上電清零功能。 應(yīng)注意的是，由于用的是TTL 芯片，下拉電阻R3不能太大，否則MRx 將無法被拉低，計(jì)數(shù)器將會(huì)一直處于清零狀態(tài)。3.4總體電路工作原理描述通過上述的單元電路分析最終的方案參見附錄中的圖11總體電路原理圖。圖中的時(shí)鐘振蕩電路采用的是CD4060和CD4013構(gòu)成15級(jí)二分頻電路，接32.768kHz 晶振通過CD4060內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生32.768k

15、Hz 頻率后，做15級(jí)的二分頻最終輸出1Hz 的時(shí)鐘信號(hào)供給秒計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)部分時(shí)通過使用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90和6進(jìn)制74LS92串行構(gòu)成60進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器。其中74LS90的Q3端接至74LS92的時(shí)鐘輸入A 端，當(dāng)74LS90由9到0時(shí)將對(duì)74LS92的時(shí)鐘A 端產(chǎn)生一個(gè)下降沿對(duì)其進(jìn)行觸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)低位向高位的進(jìn)位。顯示譯碼電路由共陰數(shù)碼管和74LS48構(gòu)成。報(bào)時(shí)電路詳解如：3.3.4 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的描述，不再重述。其中U9A 、U9B 、U9C 、U8D 為利用與非門構(gòu)成非門，目的是為了充分使用芯片的門資源，方便PCB 的布線。清零計(jì)時(shí)電路的描述詳見上述的過程，在此不重復(fù)。4. 電路

16、的組裝與調(diào)試該電路的制作為雙面板電路，之所以做雙面板是為了讓器件的布局緊湊與美觀。做雙面板時(shí)最為關(guān)鍵的程序?yàn)殪倌珪r(shí)頂層與底層的對(duì)位，可先熨好底面（往往底層的布線比頂層的布線多且有鋪銅）然后在靠近板邊緣的四個(gè)角處鉆4個(gè)孔，通過在孔上補(bǔ)穿針來定位好PCB 紙即可。調(diào)試過程用到的主要儀器為：數(shù)字萬用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器、仿真器等。調(diào)試過程遇到的問題與解決方法如下所述。10 主體電路主要為時(shí)鐘源電路和計(jì)數(shù)器電路及譯碼顯示電路。 時(shí)鐘源電路： 可能遇到的問題：振蕩電路 CD4060 沒有起振輸出時(shí)鐘信號(hào)。 分析原因：主要是晶振部分出問題，可能是元件（如電容或晶振）已壞。 可能是 CD4060 的第 1

17、0,11 腳短地，12 腳不拉低。 計(jì)數(shù)電路： 可能遇到問題：時(shí)鐘而不走 原因及解決方法： 可能是清零端沒能被下拉阻拉低， 應(yīng)使用更小阻值的電阻。 顯示電路： 可能遇到問題：數(shù)碼管部分段沒顯示 原因及解決方法：最可能是由于電路的短地或虛焊引起，用萬用表檢測(cè)線路 的連接好壞情況，對(duì)不良的焊接點(diǎn)重新焊接。 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路： 可能遇到問題：揚(yáng)聲器不響或聲音太小 原因及解決方法：揚(yáng)聲器不響則可能是報(bào)時(shí)邏輯門電路的連接問題或是聲音 信號(hào)線（1024Hz 和 512Hz 信號(hào)線）問題，應(yīng)該檢查邏輯芯片的工作情況及導(dǎo)線 的焊接。 按鍵清零電路： 可能遇到問題：計(jì)數(shù)器不走一直處于0狀 原因及解決方法：可能是由于

18、下拉電阻過大或?yàn)V波電容內(nèi)部短路使計(jì)數(shù)器清 零端處高電平，應(yīng)該檢查濾波電容好壞，換阻值更低的下拉電阻。 5. 電路的評(píng)價(jià) 本電路作 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)采用 74LS90 和 74LS92 利用了 74LS92 的輸 出低三端（Q2 Q1 Q0）本身為 6 進(jìn)制的特點(diǎn)節(jié)省了外加邏輯門簡(jiǎn)潔了連線的復(fù) 雜性。電路加了按鍵清零電路，能實(shí)現(xiàn)上電清零的功能。振蕩電路采用晶振電路 使時(shí)鐘信號(hào)具有一定的精確性與穩(wěn)定性。 改進(jìn)意見：由于設(shè)計(jì)一個(gè)完整的時(shí)鐘系統(tǒng)將需要使用 6 個(gè)數(shù)碼管和 6 個(gè)譯碼 芯片，這樣加大了成本。顯示部分電路可能試著采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方案。只需 用一個(gè)譯碼芯片加 3 塊寄存芯片（74LS

19、273）通過 CD4060 引一個(gè) 512Hz 的掃描 時(shí)鐘通過邏輯門設(shè)計(jì)出一個(gè)動(dòng)態(tài)顯示的電路。 6. 總結(jié)收獲體會(huì) 經(jīng)過本次的課設(shè)，數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，本人的動(dòng)手實(shí)踐能力有了進(jìn)一步的 提高，從仿真軟件 Multisim 的使用與仿真，到各種芯片使用手冊(cè)（計(jì)數(shù)器，分 頻器，振蕩電路）文檔的搜索與查閱，再到原理圖的設(shè)計(jì)與 PCB 的布線，最終 到電路板的制作與調(diào)試， 整個(gè)過程中通過不斷發(fā)現(xiàn)問題與解決問題從中收獲了不 少經(jīng)驗(yàn)。仿真過程也意識(shí)到了 Multisim 軟件的一些漏洞，如：74LS160 的觸發(fā)方 式錯(cuò)認(rèn)為了下降沿觸發(fā)， 74LS92 的仿真波形并不是 6-12 進(jìn)制而成了 4 二進(jìn)制等。 這是往后作仿真時(shí)應(yīng)該注意的問題。從調(diào)板中意識(shí)到，做 PCB 時(shí)應(yīng)該注意線與 線之間的距離不應(yīng)太近， 鋪銅時(shí)注意其與導(dǎo)線間距的設(shè)置。 調(diào)板的順序也很重要， 應(yīng)該以信號(hào)的流程線為次序，一級(jí)一級(jí)的調(diào)，根據(jù)當(dāng)前電路存在的問題去分析原 因， 然后測(cè)試對(duì)應(yīng)端點(diǎn)的狀態(tài) （如電壓的高低情況） 對(duì)不正常的地方做改進(jìn) ， （在 原理圖無誤的情況下，問