多功能數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)與制作

1、多功能數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)與制作一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)和制作一個(gè)多功能數(shù)字鐘，要求能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)并以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間，能校正時(shí)間，準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)。二、 方案設(shè)計(jì)與論證1 數(shù)字鐘設(shè)計(jì)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(hào)。秒信號(hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)的結(jié)果以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來(lái)。“秒”的計(jì)數(shù)、顯示由兩級(jí)計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)；“分”的計(jì)數(shù)、顯示電路與“秒”的相同；“時(shí)”的計(jì)數(shù)、顯示由兩級(jí)計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)。所有計(jì)時(shí)結(jié)果由七段數(shù)碼管顯示

2、器顯示。用4個(gè)與非門構(gòu)成調(diào)時(shí)電路，通過(guò)改變方波的頻率，進(jìn)行調(diào)時(shí)。最后用與非門和發(fā)光二極管構(gòu)成整點(diǎn)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(jì)與參數(shù)計(jì)算1 脈沖產(chǎn)生電路 圖15 晶振振蕩器原理圖 圖16 555定時(shí)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(shí)器組成。圖16是由555定時(shí)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(shí)2、6端電位上升。當(dāng)上升至大于時(shí)，輸出為低電平，三極管導(dǎo)通，電容C放電，此時(shí)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(shí)頻率為0.991。

3、 圖17 555定時(shí)器波形關(guān)系 圖18 555定時(shí)器產(chǎn)生1Hz方波原理圖2 時(shí)間計(jì)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(jì)數(shù)HLXXABCD-數(shù)據(jù)置位LXXXXL L L L-清除HXXXHH H H H-來(lái)自脈沖產(chǎn)生電路的信號(hào)先后經(jīng)過(guò)一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分別得到“秒”個(gè)位、十位后，用六進(jìn)制計(jì)數(shù)器得信號(hào)再經(jīng)過(guò)一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和六進(jìn)制計(jì)數(shù)器得到“分”個(gè)位、十位以及“時(shí)”個(gè)位、十位的計(jì)時(shí)。用第二個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器得信號(hào)得到“時(shí)”個(gè)位、十位。圖20 六

4、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器原理圖圖20是十進(jìn)制和六進(jìn)制計(jì)時(shí)器原理圖。1Hz的方波信號(hào)作為脈沖信號(hào)進(jìn)入74LS161 可預(yù)置四位二進(jìn)制計(jì)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(shí)，由于清零端低電平有效，所以兩信號(hào)經(jīng)過(guò)與非門取反，作為六進(jìn)制計(jì)時(shí)器的脈沖信號(hào)和進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)時(shí)器清零端，分別使六進(jìn)制計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)和使十進(jìn)制計(jì)時(shí)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(shí)，經(jīng)過(guò)與非門取反，作為下一級(jí)計(jì)時(shí)器的脈沖信號(hào)和進(jìn)入六進(jìn)制計(jì)時(shí)器清零端，分別使下一級(jí)計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)和使六進(jìn)制計(jì)時(shí)器清零。各計(jì)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(jì)數(shù)器原理圖圖21是二十四進(jìn)制計(jì)時(shí)

5、器原理圖。上一級(jí)信號(hào)作為脈沖信號(hào)進(jìn)入個(gè)位74聯(lián)賽161 可預(yù)置四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(異步清除)的1引腳。當(dāng)個(gè)位計(jì)時(shí)器輸出為1010，或十位計(jì)時(shí)器輸出0010，同時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)器輸出為0100時(shí)，個(gè)位計(jì)時(shí)器清零?？闪谐鲆韵逻壿嫳磉_(dá)式：，化簡(jiǎn)為，經(jīng)過(guò)四個(gè)與非門進(jìn)入個(gè)位的清零端。同理十位計(jì)時(shí)器輸出0010，同時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)器輸出為0100，即U19的12引腳，U23的13引腳都為高電平時(shí)，由于清零端低電平有效，所以兩信號(hào)經(jīng)過(guò)與非門取反，進(jìn)入十位計(jì)時(shí)器清零端清零。各計(jì)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(hào)對(duì)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(dòng)共

6、陽(yáng)極的七段數(shù)碼管。六個(gè)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(dòng)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(dòng)LED七段數(shù)碼顯示對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。4511輸入接計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端(除進(jìn)位輸出)。譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)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(shí)電路數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。一般電子手表都具有時(shí)、分、秒等校時(shí)功能。為使

8、電路簡(jiǎn)單，這里只進(jìn)行分和小時(shí)的校時(shí)。對(duì)校時(shí)電路的要求是，在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。其中S1為?！皶r(shí)”用的控制開(kāi)關(guān)，S2為?！胺帧庇玫目刂崎_(kāi)關(guān)。圖24 校時(shí)電路原理圖如圖24所示，當(dāng)S1閉合時(shí)，無(wú)論“分”計(jì)時(shí)器清零信號(hào)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(méi)有變化，“分”計(jì)時(shí)器的脈沖無(wú)效，此時(shí)，U28為右側(cè)輸入為高，對(duì)輸入的秒脈沖沒(méi)有影響，所以秒脈沖進(jìn)入“時(shí)”的CP端，作為“時(shí)”的計(jì)數(shù)信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)頻率快于正常頻率，達(dá)到調(diào)時(shí)的目的。當(dāng)S1斷開(kāi)時(shí)，正常由“分”計(jì)時(shí)器清零信號(hào)作為“時(shí)”的計(jì)數(shù)信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)頻率為正常頻率，達(dá)到計(jì)時(shí)目的。同理

9、，當(dāng)S1閉合時(shí)，“分”調(diào)時(shí)。當(dāng)S1斷開(kāi)時(shí)，“分”計(jì)時(shí)。需要注意的是，校時(shí)電路是由與非門構(gòu)成的組合邏輯電路，開(kāi)關(guān)S1或S2為“0”或“1”時(shí)，可能產(chǎn)生抖動(dòng)，接電容C1、C2可以緩解抖動(dòng)。D2起隔離的作用。5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)圖25 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路原理圖當(dāng)時(shí)分電路為59分時(shí)，LED亮一分鐘。如圖25所示，當(dāng)“分”計(jì)數(shù)器的十位輸出0101，個(gè)位計(jì)數(shù)器輸出1001時(shí)，四路高電平信號(hào)取與運(yùn)算，再去反，可得一個(gè)高電平，此時(shí)，LED1的陽(yáng)極為高電平，陰極接地，可以導(dǎo)通。起塔時(shí)刻，LED沒(méi)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(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注LED七段數(shù)碼顯示管6個(gè)45115V

10、6個(gè)譯碼器74LS1616個(gè)16進(jìn)制計(jì)數(shù)器NE555定時(shí)器1個(gè)電阻28.86k1個(gè)電阻57.72k1個(gè)電阻1001個(gè)電阻3.3k2個(gè)電容0.01F2個(gè)電容10F2個(gè)開(kāi)關(guān)2個(gè)二極管2個(gè)發(fā)光二極管1個(gè)74HC084個(gè)二輸入與非門74HC201個(gè)4輸入與非門92 總原理圖 圖26 總原理圖五、 安裝與調(diào)試主要遇到的問(wèn)題是：1.到多路信號(hào)輸入或輸出時(shí)，信號(hào)之間有干擾。如二十四進(jìn)制計(jì)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(shí)，有很大的延時(shí)，同時(shí)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(shí)，有很大的延時(shí)，且低位數(shù)碼管不在亮起。2.再加入校時(shí)電路后，無(wú)論開(kāi)

11、關(guān)S1與S2斷開(kāi)與否，在總開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，“分”計(jì)數(shù)和“時(shí)”計(jì)數(shù)都自加一。六、 性能測(cè)試與分析設(shè)計(jì)的電路能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)并以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間，并且能校正時(shí)間，準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)。七、 設(shè)計(jì)總結(jié)和心得這次課程設(shè)計(jì)是我們第一次將所學(xué)的知識(shí)綜合應(yīng)用到實(shí)際中去。為期一個(gè)星期的設(shè)計(jì)，本以為時(shí)間很充裕，但是整個(gè)設(shè)計(jì)方案、過(guò)程的完成遇到了很多之前想象不到的問(wèn)題。比如設(shè)計(jì)方案中如何利用現(xiàn)有的元件組裝得到設(shè)計(jì)要求，如何找到錯(cuò)誤的原因，如何利用計(jì)算機(jī)來(lái)畫圖等等。在這個(gè)過(guò)程中我們查閱了大量的資料，主要是來(lái)自網(wǎng)上及模電、數(shù)電等參考書，同時(shí)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(gè)課程設(shè)計(jì)。這次課程設(shè)計(jì)教會(huì)了我們?cè)谝院蟮膶W(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(dòng)出擊，而不是坐著等人給自己指導(dǎo)。八、 參考文獻(xiàn)1 童詩(shī)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)