數(shù)電課程設(shè)計(jì)---數(shù)字鐘

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　題目……………………………………………………………….1</p><p>　　設(shè)計(jì)目的……………………………………………………...3</p><p>　　設(shè)計(jì)方案……………………………………………………...3</p><p>　　設(shè)計(jì)原理及其框圖…………

2、………………………………...3</p><p>　　3.1數(shù)字鐘的構(gòu)成…………………………………………………3-5</p><p>　　3.2數(shù)字鐘的工作原理……………………………………………5-6</p><p>　　3.3時(shí)間計(jì)數(shù)單元…………………………………………………6-7</p><p>　　3.4譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元…………………

3、……………………….7</p><p>　　3.5校時(shí)電源電路…………………………………………………..7</p><p>　　3.6整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路…………………………………………………..7-8</p><p>　　4. 元器件……………………………………………………………8</p><p>　　4.1實(shí)驗(yàn)中所需的器材………………………………

4、……………...8</p><p>　　4.2芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳圖……………………………………...9-10</p><p>　　4.3面包板內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖………………………………………………11</p><p>　　5.功能塊電路圖……………………………………………………...11-9</p><p>　　6.總結(jié)……………………………………

5、…………………………...11</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1. 熟悉集成電路的引腳安排。2. 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。3. 了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線(xiàn)方法。4. 了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。5. 熟悉數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)方案</b

6、></p><p>　　1．設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)間以24小時(shí)為一個(gè)周期；顯示時(shí)、分、秒；有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；計(jì)時(shí)過(guò)程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前5秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)；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)。2．設(shè)計(jì)要求畫(huà)出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數(shù)選擇；電路仿真與調(diào)試；3．編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告寫(xiě)出設(shè)計(jì)與制作的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和

7、圖紙，有心得體會(huì)。 </p><p>　　三、設(shè)計(jì)原理及其框圖</p><p>　　1．?dāng)?shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘是一個(gè)將“ 時(shí)”，“分”，“秒”顯示于人的視覺(jué)器官的計(jì)時(shí)裝置。它的計(jì)時(shí)周期為24小時(shí)，顯示滿(mǎn)刻度為23時(shí)59分59秒，另外應(yīng)有校時(shí)功能和一些顯示星期、報(bào)時(shí)、停電查看時(shí)間等附加功能。因此，一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要

8、由譯碼顯示器、“時(shí)”，“分”，“秒”，“星期”計(jì)數(shù)器、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路和振蕩器組成。數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。</p><p>　　圖3-1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖</p><p>　　⑴晶體

9、振蕩器電路　　晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Ｈz的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)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。</p><p><b>　?、品诸l器電路</b></p><p>　　分頻器電路將32768Ｈz的高頻方波信號(hào)經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號(hào)供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上

10、也就是計(jì)數(shù)器。</p><p>　?、菚r(shí)間計(jì)數(shù)器電路　　時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。</p><p>　　⑷譯碼驅(qū)動(dòng)電路　　譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)

11、碼管正常工作提供足夠的工作電流。</p><p><b>　?、蓴?shù)碼管　　</b></p><p>　　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(jì)提供的為L(zhǎng)ED數(shù)碼管。</p><p><b>　　數(shù)字鐘的工作原理</b></p><p>　　１）晶體振蕩器電路晶

12、體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖3-2所示電路通過(guò)ＣＭＯＳ非門(mén)構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，ＣＭＯＳ非門(mén)Ｕ１與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，Ｕ２實(shí)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(mén)提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門(mén)的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提

13、供了一個(gè)１８０度相移，從而和非門(mén)構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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。</p><p>　　晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專(zhuān)為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。</p><p>　　從有關(guān)手冊(cè)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(shí)，還可接入校正電容并采取溫度

14、補(bǔ)償措施。</p><p>　　由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性，非門(mén)電路可選74HC00。</p><p>　　圖3-2 COMS晶體振蕩器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(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級(jí)２進(jìn)

15、制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，將３２７６８Ｈz的振蕩信號(hào)分頻為１ＨZ的分頻倍數(shù)為３２７６８（２１５），即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于１５極２進(jìn)制計(jì)數(shù)器。常用的２進(jìn)制計(jì)數(shù)器有７４ＨＣ３９３等。本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來(lái)構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)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(mén)，使用更為方便。ＣＤ４０６０計(jì)數(shù)為１４級(jí)２進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將３２７６８ＨZ的信號(hào)分頻為２ＨZ，其內(nèi)部框圖如圖3-3所示，

16、從圖中可以看出，ＣＤ４０６０的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門(mén)，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。圖3-3 CD4046內(nèi)部框圖３）時(shí)間計(jì)數(shù)單元</p><p>　　時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個(gè)部分。時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為１２進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，其輸出為兩位８４２１ＢＣＤ碼形式；分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為６０進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為８４２１ＢＣＤ碼。一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC390來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的

17、計(jì)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２—５－１０異步計(jì)數(shù)器，并且每一計(jì)數(shù)器均提供一個(gè)異步清零端（高電平有效）。圖3-4 74HC390(1/2)內(nèi)部邏輯框圖秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無(wú)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(méi)效）與１ＨZ秒輸入信號(hào)相連，Ｑ３可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要

18、進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為６進(jìn)制計(jì)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(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。圖3-5 10進(jìn)制——6進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換電路分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過(guò)分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的Ｑ３作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的</p><p>　　4）譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，

19、選用顯示譯碼電路將計(jì)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(shí)電源電路當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。通常，校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)

20、截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)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(shí)電路。</p><p>　　圖3-7 帶有消抖動(dòng)電路的校正電路6）整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能，即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí)，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(shí)時(shí)語(yǔ)音提示。根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘

21、內(nèi)開(kāi)始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。報(bào)時(shí)電路選74HC30，選蜂鳴器為電聲器件。</p><p>　　元器件1．實(shí)驗(yàn)中所需的器材，5V電源，面包板1塊，示波器，萬(wàn)用表，鑷子1把，剪刀1把，共陰八段數(shù)碼管6個(gè)，CD4511集成塊6塊，CD4060集成塊1塊，74HC390集成塊3塊，74HC51集成塊1塊，74HC00集成塊5塊，74HC30集成塊1塊，10MΩ

22、電阻5個(gè)，500Ω電阻14個(gè)，30p電容2個(gè)， 32.768k時(shí)鐘晶體1個(gè)，蜂鳴器。</p><p>　　圖4-1 7400 四2輸入與非門(mén) 圖4-2 CD4511BCD七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器 圖4-3 CD4060BD 圖4-4 74HC390D 

23、 圖4-5 74HC51D 圖4-6 74HC303．面包板內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　面包板右邊一列上五組豎的相通，下五組豎的相通，面包板的左邊上下分四組，每組中X、Y列（0-15相通，16-40相通，41-55相通，ABCDE相通，F(xiàn)GHIJ相通，E和F之間不相通。五圖5-1 4511驅(qū)動(dòng)電路</

24、p><p>　　2． 利用一個(gè)LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管從0—9顯示，見(jiàn)附圖5-2。圖5-2 74390十進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　3． 利用一個(gè)LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00和一個(gè)晶振連接成一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，數(shù)碼管從0—6顯示，見(jiàn)附圖5-3。圖5-3

25、 74390六進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　4． 利用一個(gè)六進(jìn)制電路和一個(gè)十進(jìn)制連接成一個(gè)六十進(jìn)制電路，電路可從0—59顯示，見(jiàn)附圖5-4。圖5-4 六十進(jìn)制電路</p><p>　　5． 利用兩個(gè)六十進(jìn)制的電路合成一個(gè)雙六十進(jìn)制電路，兩個(gè)六十進(jìn)制之間有進(jìn)位，見(jiàn)附圖5-5。 圖5-5 雙六十進(jìn)制電路6． 利用CD4060、電阻及晶振連接成一個(gè)分頻——晶振電路，見(jiàn)附圖5-6。

26、 圖5-6 分頻—晶振電路7． 利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個(gè)校時(shí)電路，見(jiàn)附圖5-7。圖5-7 校時(shí)電路</p><p>　　8．利用74HC30和蜂鳴器連接成整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。見(jiàn)附圖5-8。圖5-8 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路</p><p>　　9． 利用兩個(gè)六十進(jìn)制和一個(gè)十二進(jìn)制連接成一個(gè)時(shí)、分、秒都會(huì)進(jìn)位的電路總圖，見(jiàn)附圖5-9。圖5-9</p>