數(shù)字鐘課程設(shè)計

1、一 設(shè)計步驟與方法 晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Hz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。分頻器電路分頻器電路將32768Hz的高頻方波信號經(jīng)32768()次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。時間計數(shù)器電路時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進(jìn)制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，時個位和時十位計數(shù)器為12進(jìn)制計數(shù)器。譯碼驅(qū)動電路譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)器輸出的84

2、21BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管和液晶(LCD)數(shù)碼管，本設(shè)計提供的為LED數(shù)碼管。二 數(shù)字鐘的組成及基本工作原理數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。數(shù)字鐘由振蕩器電路、計時電路、校時電路、譯碼顯示電路、報時電路五部分組成。1、振蕩器電路常使用石英晶體振蕩器電路或多諧振蕩器。2、振蕩器產(chǎn)生1Hz的方波信號，計數(shù)器可秒、分、時的計數(shù)。3、數(shù)字鐘整點報時，聲響為四低一高，最后一響整點報時。圖2-1數(shù)字鐘的組成框圖 三 數(shù)字鐘的工作原理（1)晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的

3、核心，它保證了時鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖3-2所示電路通過CMOS非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U2實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電 阻R1為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容C1、C2與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專

4、為數(shù)字鐘電路而設(shè)計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。從有關(guān)手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10M。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。非門電路可選74HC00。 （2)分頻器電路通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級2進(jìn)制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將32768Hz的振蕩信號分頻為1HZ的分頻倍數(shù)為32768(215)，即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當(dāng)于15極2進(jìn)制計

5、數(shù)器。常用的2進(jìn)制計數(shù)器有74HC393等。本實驗中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計數(shù)為14級2進(jìn)制計數(shù)器，可以將32768HZ的信號分頻為2HZ，其內(nèi)部框圖如圖3-3所示，從圖中可以看出，CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。（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12進(jìn)制計數(shù)器計數(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(jìn)制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。一般采用10進(jìn)

6、制計數(shù)器74HC390來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選74HC390，其內(nèi)部邏輯框圖如圖2.3所示。該器件為雙25-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均提供一個異步清零端(高電平有效). 秒個位計數(shù)單元為10進(jìn)制計數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將QA與CPB(下降沿有效)相連即可。CPA(下降沒效)與1HZ秒輸入信號相連，Q3可作為向上的進(jìn)位信號與十位計數(shù)單元的CPA相連。秒十位計數(shù)單元為6進(jìn)制計數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計數(shù)器的電路連接方法如圖3-5所示，其中Q2可作為向上的進(jìn)位信號與分個位的計數(shù)單元的CPA相連。 分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位

7、和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的Q3作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的CPA相連，分十位計數(shù)單元的Q2作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的CPA相連。時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應(yīng)為12進(jìn)制計數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進(jìn)行12進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用1片74HC390實現(xiàn)12進(jìn)制計數(shù)功能的電路如圖3-6所示。另外，圖3-6所示電路中，尚余-2進(jìn)制計數(shù)單元，正好可作為分頻器2HZ輸出信號轉(zhuǎn)化為1HZ信號之用。 （4)譯碼驅(qū)動及顯示單元計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電

8、路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。（5)校時電源電路當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進(jìn)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(jìn)行人工出觸發(fā)計數(shù)或?qū)㈩l率較高的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，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(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。圖3-7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時電路， （6)整點報時電路一般時鐘都應(yīng)具備整點報時電路

9、功能，即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報時，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復(fù)雜的也可以是實時語音提示。根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)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。報時電路選74LS200，選蜂鳴器為電聲器件。三元器件1.實驗中所需的器材Ø 5V電源。Ø 面包板1塊。Ø 萬用表。Ø 鑷子1把。Ø 剪刀1把。 Ø 共陰八段數(shù)碼管6個。Ø CC4518集成塊3塊。Ø CC4011集成塊3塊。Ø CC4012集成塊2塊。Ø

10、; CC4081集成塊1塊。Ø CC7555集成塊1塊。Ø 10M電阻2個。Ø 47Up電容個。Ø 蜂鳴器。四、個功能塊電路圖1. 一個CC4081和一個LED數(shù)碼管連接成一個CC4081驅(qū)動電路，數(shù)碼管可從0-9顯示，以次來檢查數(shù)碼管的好壞。 2. 利用一個LED數(shù)碼管，一塊CC4081，一塊74HLS20P，一塊74HS200連接成一個十進(jìn)制計數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管從09顯示，見附圖5-2。 3. 利用一個LED數(shù)碼管，一塊CC4081，一塊74HLS20P，一塊74HS200和一個晶振連接成一個六進(jìn)制計數(shù)器，數(shù)碼管從06顯示，見附圖5-3。

11、4. 利用一個六進(jìn)制電路和一個十進(jìn)制連接成一個六十進(jìn)制電路，電路可從059顯示。5. 利用兩個六十進(jìn)制的電路合成一個雙六十進(jìn)制電路，兩個六十進(jìn)制之間有進(jìn)位。 6. 利用CD4060、電阻及晶振連接成一個分頻晶振電路，見附圖4-1。 圖4-1分頻晶振電路7. 利用74HLS20P和74HC00及電阻連接成一個校時電路，見附圖4-2。 圖42校時電路8. 利用74HLS200和蜂鳴器連接成整點報時電路。見附圖4-3。 圖4-3 整點報時電路9. 利用兩個六十進(jìn)制和一個十二進(jìn)制連接成一個時、分、秒都會進(jìn)位的電路總圖.五、總接線元件布局簡圖圖5-1總布局圖六、總結(jié)1. 設(shè)計過程中遇到的問題及其解決方法

12、。1) 在檢測面包板狀況的過程中，出現(xiàn)本該相通的地方卻未通的狀況，后經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)是由于萬用表筆尖未與面包板內(nèi)部垂直接觸所至。2) 在檢測CD4511驅(qū)動電路的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示的狀況，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)主要是由于接觸不良的問題，其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良，在實驗過程中，數(shù)碼管有幾段二極管時隱時現(xiàn)，有時會消失。用5V電源對數(shù)碼管進(jìn)行檢測，一端接地，另一端接觸每一段二極管，發(fā)現(xiàn)二極管能正常顯示的，再用萬用表歐姆檔檢測每一根線是否接觸良好，在檢測過程中發(fā)現(xiàn)有幾根線有時能接通，有時不能接通，把接觸不好的線重新接過后發(fā)現(xiàn)能正常顯示了。其次是由于芯片接觸不良的問題，用萬用表歐姆檔檢測有幾個引腳本

13、該相通的地方卻未通，而檢測的導(dǎo)線狀況良好，其解決方法為把CD4511的芯片拔出，根據(jù)面包板孔的的狀況重新調(diào)整其引腳，使其正對于孔，再用力均勻地將芯片插入面包板中，此后發(fā)現(xiàn)能正常顯示，本次實驗中還發(fā)現(xiàn)一塊壞的LED數(shù)碼管和兩塊壞的CD4511，經(jīng)更換后均能正常顯示。3) 在連接晶振的過程中，晶振無法起振。在排除線與芯片的接觸不良問題后重新對照電路圖，發(fā)現(xiàn)是由于12腳未接地所至。4) 在連接六進(jìn)制的過程中，發(fā)現(xiàn)電路只能4、5的跳動，后經(jīng)發(fā)現(xiàn)是由于接到與非門的引腳接錯一根所至，經(jīng)糾正后能正常顯示。5) 在連接校正電路的過程中，出現(xiàn)時和分都能正常校正時，但秒?yún)s受到影響，特別時一較分鐘的時候秒亂跳，而不

14、校時的時候，秒從40跳到59，然后又跳回40，分和秒之間無進(jìn)位，電路在時、分、秒進(jìn)位過程中能正常顯示，故可排除芯片和連線的接觸不良的問題。經(jīng)檢查，校正電路的連線沒有錯誤，后用萬用表的直流電壓檔帶電檢測秒十位的QA、QB、QC和QD腳，發(fā)現(xiàn)QA腳時有電壓時而無電壓，再檢測秒到分和分到時的進(jìn)位端，發(fā)現(xiàn)是由于秒到分的進(jìn)位未拔掉所至。6) 在制作報時電路的過程中，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在57分59秒的時候就開始報時，后經(jīng)檢測電路發(fā)現(xiàn)是由于把74HC30芯片當(dāng)16引腳的芯片來接，以至接線都錯位，重新接線后能正常報時。7) 連接分頻電路時，把時個位的QD和時十位的1腳斷開，然后時十位的1腳接到晶振的3腳，時十位的3腳

15、接到秒個位的1腳，所連接的電路圖無法正常工作，時十位從0-9的跳，時個位只能顯示一個0，在這個電路中3腳的分頻用到兩次，故無法正常顯示，因此要把12進(jìn)制接到74HC390的一個邏輯電路空出來用于分頻即可，因此把時十位的CD4511的12、6腳接地，7腳改為接74HC390的5腳，74HC390的3、4腳斷開，然后4腳接9腳即可，其中空出的74HC390的3腳就可用于2Hz的分頻，分頻后變?yōu)?Hz，整個電路也到此為正常的數(shù)字鐘計數(shù)。2.設(shè)計體會在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，更進(jìn)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。在連接六進(jìn)制、十進(jìn)制、六十進(jìn)制的進(jìn)位及十二進(jìn)制的接法中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯時便能準(zhǔn)確地找出錯誤所在并及時糾正了。在設(shè)計電路中，往往是先仿真后連接實物圖，但有時候仿真和電路連接并不是完全一致的，例如仿真的連接示意圖中，往往沒有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳，因此在實際的電路連接中往往容易遺漏。又例如74HC390芯片，其本身就是一個十進(jìn)制計數(shù)器，在仿真電路中必須連接反饋線才能正常顯示，而在實際電路中無需再連接，因此仿