數(shù)電課程設(shè)計電子時鐘

1、 課程設(shè)計說明書 第12頁數(shù)字電子鐘設(shè)計摘 要數(shù)字鐘被廣泛用于個人家庭,車站, 碼頭、辦公室等公共場所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字鐘的精度,運(yùn)用超過老式鐘表, 而且大大地擴(kuò)展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。數(shù)字電子鐘一般由秒信號發(fā)生器、“時、分、秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路等組成。秒信號是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時

2、系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實(shí)現(xiàn)。將秒信號送入秒計數(shù)器，它是六十進(jìn)制計數(shù)器。每累計六十秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，這個信號作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也是六十進(jìn)制計數(shù)器，它每累計六十分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，此信號將被送到“時計數(shù)器”。“時計數(shù)器”采用二十四進(jìn)制計數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)一天二十四小時的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過六位LED顯示器顯示出來。校時電路是用來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對調(diào)整的。本文通過對CD4060、CD4013、74LS160、74LS48和晶體振蕩器的基本原理和基本功能的介紹，

3、結(jié)合數(shù)字電子鐘的設(shè)計過程讓我們對電子鐘的設(shè)計有了清楚的認(rèn)識。 關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘，晶體振蕩器，計數(shù)器，CD4060,74LS160目 錄1緒論11.1.課題描述11.2.基本工作原理與框圖12各部分電路原理及器件簡介22.1 秒信號產(chǎn)生電路22.2 進(jìn)制計數(shù)器電路42.2.1 74LS160功能簡介42.2.2 60進(jìn)制計數(shù)器42.2.3 24進(jìn)制計數(shù)器52.3 譯碼顯示電路62.3.1 CC451162.3.2 譯碼顯示電路圖72.4 校時電路82.4.1 校時電路功能簡介83方案的選擇103.1 時鐘信號源103.2 分頻器的實(shí)現(xiàn)103.3 譯碼顯示器10總 結(jié)11致 謝12參考文獻(xiàn)131緒論

4、1.1. 課題描述在科技高速發(fā)展的今天，鐘表業(yè)運(yùn)用當(dāng)今材料工業(yè)、電子工業(yè)和其他領(lǐng)域的最新技術(shù)，一定會生產(chǎn)出代表中國科學(xué)水平的產(chǎn)品。我們希望鐘表業(yè)的精英們在提高制造技術(shù)水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的品牌。這正是中國鐘表業(yè)發(fā)展的希望。數(shù)字鐘被廣泛用于個人家庭,車站, 碼頭、辦公室等公共場所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字鐘的精度,運(yùn)用超過老式鐘表, 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴(kuò)展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備、甚至

5、各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。本課題所設(shè)計的電子時鐘是一個最基本的數(shù)字鐘。1.2. 基本工作原理與框圖數(shù)字電子鐘要想最終設(shè)計成功必須要有精確而穩(wěn)定的秒信號產(chǎn)生，通常先用石英晶體振蕩器產(chǎn)生32768Hz的脈沖，經(jīng)過整形、分頻產(chǎn)生1Hz的秒脈沖。分頻用CD4060分出2Hz的脈沖，再用CD4013分出1Hz的脈沖。然后1Hz脈沖經(jīng)過校時電路送到秒計數(shù)器的個位，秒計數(shù)器是由兩塊74LS160組成的六十進(jìn)制計數(shù)器，其十位TC接校時電路。校時電路的CP1接分計數(shù)器個位的CLK端，分計數(shù)器也是由兩塊74LS160組成的六十進(jìn)制計數(shù)器，分計數(shù)器的十位的TC端接入校時電路。校時

6、電路的CP2接時計數(shù)器的CLK端，分計數(shù)器是由兩塊74LS160組成的二十四進(jìn)制計數(shù)器。校時電路的S1、S2、S3控制“校時”、“校分”和“校秒”。各個計數(shù)器分別接譯碼器，各個譯碼器分別接顯示器。電路的基本原理就是這樣，下面我將介紹各個模塊的具體功能及原理。以下是我在下面整合的全電路原理圖。圖表 12各部分電路原理及器件簡介2.1 秒信號產(chǎn)生電路這部分電路現(xiàn)有石英晶體振蕩器產(chǎn)生32768Hz的脈沖，經(jīng)過CD4060經(jīng)過十四次分頻后產(chǎn)生2Hz的脈沖。再經(jīng)過CD4013產(chǎn)生1Hz的脈沖。原理比較簡單。CD4060是十四位二進(jìn)制計數(shù)器。它內(nèi)部有十四級二分頻器，有兩個反相器。RST為高電平時，計數(shù)器清

7、零且振蕩器使用無效。在CIN下降沿，計數(shù)器以二進(jìn)制計數(shù)。CIN、分別為時鐘輸入、輸出端。電源電壓范圍為3V15V，輸入電壓范圍為0VVDD。它有十六個引腳，Q4Q10、Q12Q14為計數(shù)器輸出端。VDD接正電源，Vss接地。其引腳圖如下所示： 圖表 2CD4013A為雙D觸發(fā)器，在CLK上升沿有效。其特性表如下：輸 入輸 出注CPDRDSDQn+1XXX01XXXX00001100010101Qn10不用同步置0同步置1保持異步置1異步置0不允許2.2 進(jìn)制計數(shù)器電路 2.2.1 74LS160功能簡介圖表3CP是脈沖輸入端；CT（CO）是進(jìn)位信號輸出端；CEP和CET是計數(shù)器工作狀態(tài)端；()

8、是異步清零端；是置數(shù)端；VCC接正電源，GND接地；P0P4是數(shù)據(jù)輸入端，Q1Q4是計數(shù)器狀態(tài)輸出端。電源電壓7V，輸入電壓7V。其狀態(tài)表如下所示：輸 入輸 出注LDCETCEPCPP0P1P2P3Q0n+1Q1n+1Q2n+1Q3n+1CO01111x0111xx10xxx1x0xxxxaxxxxbxxxxcxxxxdxxx0 0 0 0a b c d計 數(shù)保 持保 持00清零置數(shù)2.2.2 60進(jìn)制計數(shù)器 60進(jìn)制計數(shù)器是由兩個74LS160十進(jìn)制計數(shù)器經(jīng)過一定的方式連接組成的。具體連接是這樣的，一片74LS160用低位，另一片設(shè)計成六進(jìn)制計數(shù)器做為高位。將高位片的Q2和Q1接入與非門，出

9、來接入高位片的(),當(dāng)高位片為0110時，()為低電平，此時清零，實(shí)現(xiàn)了六十進(jìn)制。其連線圖如下所示：圖表 32.2.3 24進(jìn)制計數(shù)器 24進(jìn)制計數(shù)器也是由兩片74LS160組成的，當(dāng)各位計數(shù)狀態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0100,十位計數(shù)狀態(tài)為Q3Q3Q1Q0=0010時，計數(shù)器歸零。通過把個位Q2、十位Q1接入與非門，然后接入個位、十位的MR端。令計數(shù)器清零，從而實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制計數(shù)器的功能。其連線圖如下所示：圖表 42.3 譯碼顯示電路 2.3.1 CC4511 本實(shí)驗(yàn)采用CC4511 BCD鎖存器/七段譯碼/驅(qū)動器。其中 A,B,C,DBCD碼輸入端；a,b,c,d,e,f,g譯碼輸出端，輸出

10、“1”有效，用來驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管；LT測試輸入端，LT=“0”時，譯碼輸出全為“1”；BI（RL）消隱輸入端；LE鎖定端，LE=“1”時譯碼器處于鎖定狀態(tài)，LE=0為正常譯碼。其引腳圖如下：圖表 5下表為CC4511功能表。輸入輸出LEBILTDCBAabcdefg顯示字形xx0xxxx11111118x01xxxx0000000消隱011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013011010001100114011010110110115011111000111116011111111100007011100011

11、111118011x001111001192.3.2 譯碼顯示電路圖 譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字。其電路圖如下所示：圖表 62.4 校時電路 2.4.1 校時電路功能簡介 校時電路是數(shù)字中不可缺少的部分，當(dāng)數(shù)字顯示與實(shí)際時間不符時，就要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行校時。其簡單電路如下所示：圖表 7S1、S2、S3分別控制校“時”、校“分”和校外“秒”。具體是這樣的，當(dāng)S3斷開時，G7與非門打開，正常進(jìn)行計秒。當(dāng)需要校秒時，閉合S3，此時G7與非門被斷開，時間正確時打開S3正常計秒。需要校分時閉合S2，此時低電平經(jīng)過G8與非門后變?yōu)楦唠娖?，G5與非門打開

12、，秒信號進(jìn)來，使分計數(shù)器以秒的節(jié)奏快速計數(shù)。而G6與非門此時被斷開，來自秒十位的進(jìn)位脈沖無效。直到顯示的時間和標(biāo)準(zhǔn)時間相同時打開S2，此時G5與非門被斷開，G6與非門被打開，秒十位進(jìn)位脈沖進(jìn)來，1Hz脈沖信號無效，分計數(shù)器正常計時。需要校準(zhǔn)小時時，只需閉合S1此時G3與非門被斷開，G1與非門接通，1Hz信號進(jìn)來，使時計數(shù)器以秒的節(jié)奏快速計數(shù)。當(dāng)時計數(shù)器的顯示與標(biāo)準(zhǔn)時間相同時，打開S1即可。打開S1時G1與非門斷開，1Hz脈沖信號無效。G3與非門打開，接受分計數(shù)器的輸出進(jìn)位信號，使時計數(shù)器正常計數(shù)。這就是校時電路的基本原理。3方案的選擇3.1 時鐘信號源時鐘信號源是時鐘類項(xiàng)目的心臟，他的精確度直

13、接影響到整個項(xiàng)目的性能。要產(chǎn)生1Hz脈沖可用石英晶體振蕩器和555多諧振蕩器。555多諧振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是起振容易，振蕩周期調(diào)節(jié)范圍廣，缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定性差，精度低，所以在本試驗(yàn)中不宜使用。石英晶體振蕩器不僅選頻特性極好，而且諧振頻率十分穩(wěn)定，其穩(wěn)定度可達(dá)10-1010-11。因此在本實(shí)驗(yàn)中我選擇石英晶體振蕩器。3.2 分頻器的實(shí)現(xiàn) 因?yàn)闀r鐘信號源已選中使用32768Hz,而輸出的要求是1Hz的秒時鐘信號，所以分頻器需要實(shí)現(xiàn)的分頻功能?？梢圆捎脤Ｓ梅诸l器，如六分頻，十二分頻，1/60分頻器，常用集成電路有74LS92，74LS56,74LS57等。也可以用各種進(jìn)制計數(shù)器構(gòu)成分頻器，如CD4020,C

14、D4040,CD4060，異步十進(jìn)制計數(shù)器74LS90，同步十進(jìn)制計數(shù)器74LS290，雙時鐘同步加減計數(shù)器74LS192都可以很容易構(gòu)成十進(jìn)制，十二進(jìn)制，二十四進(jìn)制，六十進(jìn)制分頻器。還可以用脈沖分配器，如CD4017,CD4022.除此以外還可采用帶有7段譯碼器的十進(jìn)制計數(shù)器，連接LED時可以不再需要外加譯碼，如CD4026,CD4033。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，最后我使用了十四位2進(jìn)制計數(shù)器CD4060，它可以進(jìn)行214次分頻，再用CD4013盡可以完成分頻了，就得到了1Hz脈沖。3.3 譯碼顯示器譯碼顯示器可用帶譯碼器的LED數(shù)碼顯示管，它的顯示管可接受4輸入8421BCD編碼，因其內(nèi)部有譯碼

15、器，比較方便。也可用譯碼芯片LED數(shù)碼顯示管，可采用74LS47，74LS48,CD4511等集成電路將BCD碼譯成段碼發(fā)送給8段發(fā)光二極管數(shù)碼管，當(dāng)然要選擇相配的共陰極或共陽極譯碼驅(qū)動器。在這個電路中我選擇了CD4511+LED數(shù)碼顯示管?？?結(jié)經(jīng)過近多日的努力，終于將本次課程設(shè)計做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰當(dāng)?shù)牡胤?，請老師指出其中的錯誤和不當(dāng)之處，使我能做出改正，我會虛心接受。在本次課程設(shè)計過程中，我增強(qiáng)了自己的動手能力和分析能力。通過跟老師和同學(xué)的交流，也通過自己的努力，我按時完成了這次課程設(shè)計。在此過程中，我學(xué)會了很多，也看到了很多自己的不足之處。在以后的學(xué)習(xí)生活中，我會

16、努力學(xué)習(xí)專業(yè)知識，完善自我，為將來的發(fā)展做好充分的準(zhǔn)備?？傊?，在這次課程設(shè)計中，我受益匪淺，學(xué)到了很多書本上所沒有的東西，懂得了理論和實(shí)際聯(lián)系的重要性。在以后的學(xué)習(xí)中，我不僅要把理論知識掌握牢固，更要提高自己的動手能力和分析能力。致 謝通過二周的努力，終于將數(shù)字電子鐘課程設(shè)計完成了，在完成課程設(shè)計的這二周中，老師給予了我很大的幫助。他不僅是指導(dǎo)我完成了設(shè)計，還教會了我做設(shè)計的一般步驟、設(shè)計思想和設(shè)計方法。當(dāng)我對此課程設(shè)計無從下手的時候，李如昌老師專心地為我講解，為我解決了很多實(shí)際存在的困難和問題。他在601教室里利用自己的休假時間為我們梳理流程，講解原理，使我對此次的課程設(shè)計能圓滿完成增添了很

17、多信心，真正的從心理和解決實(shí)際問題上為我樹立了很好的榜樣，我為能有這樣的好老師而感覺到驕傲，每每對課程設(shè)計的撰寫產(chǎn)生疑問時，他為我提綱挈領(lǐng)、梳理脈絡(luò)，使我確立了本文的框架，為我的寫作指引了方向。在此我衷心的感謝一直不辭辛勞為我指明方向的老師，也要感謝教會我知識的學(xué)校為我提供實(shí)踐的場所和實(shí)踐器材，還要感謝那些耐心幫助我的同學(xué)們的同學(xué)們。通過這次的課程設(shè)計，不僅使我學(xué)到了很多專業(yè)方面的知識，也讓我明白了不畏困難、勇于攀登艱難的重要性，這對我未來的學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生很大的影響。在此，再次感謝我的學(xué)校、李老師和同學(xué)們。 參考文獻(xiàn)1 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程 （第三版） 清華大學(xué)電子學(xué)教研組編 余孟嘗主編 高等教育出版社 2 模