多功能數(shù)字鐘電路的設(shè)計與制作

1、多功能數(shù)字鐘電路的設(shè)計與制作一、 設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計和制作一個多功能數(shù)字鐘，要求能準(zhǔn)確計時并以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間，能校正時間，準(zhǔn)點報時。二、 方案設(shè)計與論證1 數(shù)字鐘設(shè)計原理數(shù)字電子鐘一般由振蕩器、譯碼器、顯示器等幾部分電路組成，這些電路都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的基本電路。振蕩器產(chǎn)生的1Hz的方波，作為秒信號。秒信號送入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，并把累計的結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來?！懊搿钡挠嫈?shù)、顯示由兩級計數(shù)器和譯碼器組成的六十進(jìn)制計數(shù)電路實現(xiàn)；“分”的計數(shù)、顯示電路與“秒”的相同；“時”的計數(shù)、顯示由兩級計數(shù)器和譯碼器組成的二十四進(jìn)制計數(shù)電路實現(xiàn)。所有計時結(jié)果由七段數(shù)碼管顯示

2、器顯示。用4個與非門構(gòu)成調(diào)時電路，通過改變方波的頻率，進(jìn)行調(diào)時。最后用與非門和發(fā)光二極管構(gòu)成整點顯示部分。2 總體結(jié)構(gòu)框圖如下：圖14 總體框圖三、 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算1 脈沖產(chǎn)生電路 圖15 晶振振蕩器原理圖 圖16 555定時器脈沖產(chǎn)生電路原理圖振蕩器可由晶振組成(如圖15)，也可以由555定時器組成。圖16是由555定時器構(gòu)成的1HZ的自激振蕩器，其原理是：第一暫態(tài)2、6端電位為，則輸出為高電平，三極管不導(dǎo)通，電容C充電，此時2、6端電位上升。當(dāng)上升至大于時，輸出為低電平，三極管導(dǎo)通，電容C放電，此時2、6端電位下降，下降至?xí)r，輸出高電平，以此循環(huán)。根據(jù)公式得，此時頻率為0.991。

3、 圖17 555定時器波形關(guān)系 圖18 555定時器產(chǎn)生1Hz方波原理圖2 時間計數(shù)電路圖19 74LS161引腳圖74LS161功能表INPUTSOUTPUT功能CLEARLOAD CKENABLEQA QB QC QDRIPLE CARRYPTHH上升HH-計數(shù)HLXXABCD-數(shù)據(jù)置位LXXXXL L L L-清除HXXXHH H H H-來自脈沖產(chǎn)生電路的信號先后經(jīng)過一個十進(jìn)制計數(shù)器和六進(jìn)制計數(shù)器，分別得到“秒”個位、十位后，用六進(jìn)制計數(shù)器得信號再經(jīng)過一個十進(jìn)制計數(shù)器和六進(jìn)制計數(shù)器得到“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時。用第二個六進(jìn)制計數(shù)器得信號得到“時”個位、十位。圖20 六

4、十進(jìn)制計數(shù)器原理圖圖20是十進(jìn)制和六進(jìn)制計時器原理圖。1Hz的方波信號作為脈沖信號進(jìn)入74LS161 可預(yù)置四位二進(jìn)制計數(shù)器(異步清除)的1引腳，當(dāng)輸出為1010即11，13引腳都為高電平時，由于清零端低電平有效，所以兩信號經(jīng)過與非門取反，作為六進(jìn)制計時器的脈沖信號和進(jìn)入十進(jìn)制計時器清零端，分別使六進(jìn)制計時器計數(shù)和使十進(jìn)制計時器清零。同理，當(dāng)六進(jìn)制輸出為0110即11，12引腳都為高電平時，經(jīng)過與非門取反，作為下一級計時器的脈沖信號和進(jìn)入六進(jìn)制計時器清零端，分別使下一級計時器計數(shù)和使六進(jìn)制計時器清零。各計數(shù)器輸出接4511七段譯碼器的輸入端。圖21 二十四進(jìn)制計數(shù)器原理圖圖21是二十四進(jìn)制計時

5、器原理圖。上一級信號作為脈沖信號進(jìn)入個位74聯(lián)賽161 可預(yù)置四位二進(jìn)制計數(shù)器(異步清除)的1引腳。當(dāng)個位計時器輸出為1010，或十位計時器輸出0010，同時個位計時器輸出為0100時，個位計時器清零。可列出以下邏輯表達(dá)式：，化簡為，經(jīng)過四個與非門進(jìn)入個位的清零端。同理十位計時器輸出0010，同時個位計時器輸出為0100，即U19的12引腳，U23的13引腳都為高電平時，由于清零端低電平有效，所以兩信號經(jīng)過與非門取反，進(jìn)入十位計時器清零端清零。各計數(shù)器輸出接4511七段譯碼的輸入端。D1起隔離的作用，否則有信號對U23有干擾。3 顯示部分電路如圖23所示，譯碼顯示電路選用4511芯片直接驅(qū)動共

6、陽極的七段數(shù)碼管。六個4511芯片集成電路構(gòu)成數(shù)字鐘的七段數(shù)碼顯示管顯示譯碼/驅(qū)動器。4511七段顯示譯碼器輸出高電平有效，將8421BCD碼譯成七段(a、b、c、d、e、f、g)輸出，用以直接驅(qū)動LED七段數(shù)碼顯示對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。4511輸入接計數(shù)器的四個輸出端(除進(jìn)位輸出)。譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)器輸出的BCD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。4511功能表輸入輸出LE DCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隱0110000111111000110001011000010110010110110120110

7、0111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隱01110110000000消隱01111000000000消隱01111010000000消隱01111100000000消隱01111110000000消隱111XXXX鎖存*鎖存* 圖22 4511引腳圖 圖23 顯示部分電路4 校時電路數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間。校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。一般電子手表都具有時、分、秒等校時功能。為使

8、電路簡單，這里只進(jìn)行分和小時的校時。對校時電路的要求是，在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù)。其中S1為?！皶r”用的控制開關(guān)，S2為?！胺帧庇玫目刂崎_關(guān)。圖24 校時電路原理圖如圖24所示，當(dāng)S1閉合時，無論“分”計時器清零信號秒脈沖為低還是高，由于U27的左側(cè)輸入總為低，所以輸出沒有變化，“分”計時器的脈沖無效，此時，U28為右側(cè)輸入為高，對輸入的秒脈沖沒有影響，所以秒脈沖進(jìn)入“時”的CP端，作為“時”的計數(shù)信號，此時計數(shù)頻率快于正常頻率，達(dá)到調(diào)時的目的。當(dāng)S1斷開時，正常由“分”計時器清零信號作為“時”的計數(shù)信號，此時計數(shù)頻率為正常頻率，達(dá)到計時目的。同理

9、，當(dāng)S1閉合時，“分”調(diào)時。當(dāng)S1斷開時，“分”計時。需要注意的是，校時電路是由與非門構(gòu)成的組合邏輯電路，開關(guān)S1或S2為“0”或“1”時，可能產(chǎn)生抖動，接電容C1、C2可以緩解抖動。D2起隔離的作用。5 整點報時電路的設(shè)計圖25 整點報時電路原理圖當(dāng)時分電路為59分時，LED亮一分鐘。如圖25所示，當(dāng)“分”計數(shù)器的十位輸出0101，個位計數(shù)器輸出1001時，四路高電平信號取與運算，再去反，可得一個高電平，此時，LED1的陽極為高電平，陰極接地，可以導(dǎo)通。起塔時刻，LED沒有電位差，不導(dǎo)通，不亮。四、 總原理圖及元器件清單1 元件清單元件型號主要參數(shù)數(shù)量備注LED七段數(shù)碼顯示管6個45115V

10、6個譯碼器74LS1616個16進(jìn)制計數(shù)器NE555定時器1個電阻28.86k1個電阻57.72k1個電阻1001個電阻3.3k2個電容0.01F2個電容10F2個開關(guān)2個二極管2個發(fā)光二極管1個74HC084個二輸入與非門74HC201個4輸入與非門2 總原理圖 圖26 總原理圖五、 安裝與調(diào)試主要遇到的問題是：1.到多路信號輸入或輸出時，信號之間有干擾。如二十四進(jìn)制計數(shù)器，如果高位清零端不加二極管，那么在高位數(shù)碼管數(shù)字變化時，有很大的延時，同時低位數(shù)碼管熄滅。脈沖產(chǎn)生電路的輸出端不加二極管的話，“秒”顯高位數(shù)碼管數(shù)字變化時，有很大的延時，且低位數(shù)碼管不在亮起。2.再加入校時電路后，無論開關(guān)

11、S1與S2斷開與否，在總開關(guān)開啟時，“分”計數(shù)和“時”計數(shù)都自加一。六、 性能測試與分析設(shè)計的電路能達(dá)到設(shè)計要求，能準(zhǔn)確計時并以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間，并且能校正時間，準(zhǔn)點報時。七、 設(shè)計總結(jié)和心得這次課程設(shè)計是我們第一次將所學(xué)的知識綜合應(yīng)用到實際中去。為期一個星期的設(shè)計，本以為時間很充裕，但是整個設(shè)計方案、過程的完成遇到了很多之前想象不到的問題。比如設(shè)計方案中如何利用現(xiàn)有的元件組裝得到設(shè)計要求，如何找到錯誤的原因，如何利用計算機(jī)來畫圖等等。在這個過程中我們查閱了大量的資料，主要是來自網(wǎng)上及模電、數(shù)電等參考書，同時咨詢了學(xué)校的一些師兄和老師。最終在大家的共同努力下，順利完成了整個課程設(shè)計。這次課程設(shè)計教會了我們在以后的學(xué)習(xí)和工作當(dāng)中要養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、耐心的工作態(tài)度，遇到困難要主動出擊，而不是坐著等人給自己指導(dǎo)。八、 參考文獻(xiàn)1 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社，2006：1129.2 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)