電工電子課程設計---數(shù)字鐘設計

1、<p>　　《電工電子課程設計》</p><p>　　題 目 數(shù)字鐘設計 </p><p>　　院 系 </p><p>　　專 業(yè) </p><p>　　學生姓名

2、 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　二Ｏ一一年 6 月 10 日</p><p><b>　　1、實驗目的</b></p

3、><p>　?、攀煜ぜ呻娐返囊_安排.</p><p>　?、普莆崭餍酒倪壿嫻δ芗笆褂梅椒?</p><p>　?、橇私饷姘褰Y(jié)構(gòu)及其接線方法.</p><p>　?、攘私鈹?shù)字鐘的組成及工作原理.</p><p>　?、墒煜?shù)字鐘的設計與制作.</p><p><b>　　簡要說明&l

4、t;/b></p><p>　　數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。 數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。</p><p><b>　　3、設計

5、要求</b></p><p>　?。?） 根據(jù)數(shù)字電子鐘得方框圖和指定器件，完成數(shù)字電子鐘主體電路設計及調(diào)試。</p><p>　?。?） 設計1臺能直接顯示“時”、“分”、“秒”、“日”十進制數(shù)字的石英數(shù)字電路。秒、分為00~59六十進制計時器，以24h為一天。周顯示用七進制計時器。當計數(shù)器運行到23h59min59s時，秒個位計數(shù)器再接收一個秒脈沖信號后，計數(shù)器自動顯示為0

6、0h00min00s。</p><p>　?。?） 走時精度要求每天誤差小于1s，任何時候可對數(shù)字鐘進行校準。</p><p>　?。?） 在實驗板上安裝、調(diào)試出課題所要求的計時器。</p><p>　?。?） 畫出邏輯電路圖、時序圖，并寫出設計報告。</p><p>　　4、數(shù)字電子鐘基本原理</p><p>　　數(shù)

7、字鐘是一個將“ 時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒，另外應有校時功能和一些顯示星期、報時、停電查看時間等附加功能。因此，一個基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”，“分”，“秒”，“星期”計數(shù)器、校時電路、報時電路和振蕩器組成。干電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、“時、分、秒、星期”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決

8、定計時系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)。將標準秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖。“分計數(shù)器”也采用60進制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”?！皶r計數(shù)器”采用24進制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。每累計24小時，發(fā)出一個“星期脈沖”信號，該信號將被送到“星期計數(shù)器”，“星期計數(shù)器” 采

9、用7進制計時器，可實現(xiàn)對一周7天的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”、“星期”計數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼</p><p>　　對照上方框圖,根據(jù)設計任務和要求,完成部分模塊化設計如下:</p><p><b>　　秒脈沖發(fā)生器設計</b></p><p>　　石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生一個標準頻率信號，然后再由分頻器分成時間秒脈沖

10、，振蕩器振蕩的進度與穩(wěn)定度，決定計時器的精度和質(zhì)量。</p><p><b>　　2、計數(shù)器設計</b></p><p>　　（1）、60 進制計數(shù)</p><p>　　秒計數(shù)器由秒個位計數(shù)器 JSl 和秒十位計數(shù)器 JS2 組成。 JSl 組成十進制計數(shù)，JS2 組成六進制計數(shù)。十進制計數(shù)用反饋歸零法設計，用 CD4510( 四位十進制計數(shù)器

11、)來設計。六進制計數(shù)的反饋方法是當 CP 輸入第六個脈沖時， 輸出狀態(tài)“Q3Q2QlQ0=0110”，用與門將Q2Ql 取出，送到計數(shù)器 CR 清零端，使計數(shù)器歸零，從而實現(xiàn)六進制計數(shù)。</p><p>　　如果采用 CD4516( 四位二進制計數(shù)器 ) 來設計60 進制計數(shù)器，那么必須考慮個位十進制計數(shù)的清零，請同學們自己考慮。</p><p><b>　　六十進制計數(shù)器<

12、;/b></p><p>　?。?）、24 進制計數(shù)</p><p>　　當個位計數(shù)狀態(tài)為“Q3Q2QlQ0=0100”十位計數(shù)狀態(tài)為“Q3Q2QlQ0=0010” 時 , 即 24 時，通過把個位 Q2，十位Q1相與后的信號送到個位、十位清零端CR,使計數(shù)器復零，從而實現(xiàn)24進制計數(shù)。</p><p><b>　　二十四進制計數(shù)器</b>

13、;</p><p><b>　　、7進制計數(shù)器。</b></p><p>　　一周為7天，可根據(jù)譯碼顯示器狀態(tài)表設計電路，根據(jù)60進制電路和24進制電路設計思路進行設計。</p><p>　　（4）、譯碼和顯示電路</p><p>　　譯碼是把給定的代碼進行翻譯，變成相應的狀態(tài)。用來驅(qū)動 LED 七段碼的譯碼器，常用的是

14、 CD4511(CC45l1)，它是四位線七段碼（帶驅(qū)動）的中規(guī)模集成電路。 CD4511 管腳圖查有關資料。</p><p><b>　　（5）、校正電路</b></p><p>　　圖 2-6 所示的校時電路由 CMOS 電路和四只開關 (Kl—K4) 組成，分別實現(xiàn)對日、時、分、秒的校準。開關選擇有“正?！焙汀靶r”兩擋。?！叭铡?、 “時”、“分”的原理比較簡單

15、，當開關打在“校時”狀態(tài)，秒脈沖時進入個位計數(shù)器，實現(xiàn)校對功能。?！懊搿睍r，送入2Hz（0.5s）信號，可方便快速校對。圖中與非門電路可采用 CD401l 實現(xiàn)。</p><p><b>　　圖2-6 校正電路</b></p><p><b>　　數(shù)字電子鐘工作原理</b></p><p>　　(1) 、晶體振蕩器電路&l

16、t;/p><p>　　晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心,它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。</p><p>　　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

17、器.電容C1,C2與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡,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,實現(xiàn)了振蕩器的功能.由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性,從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。</p><p>　　晶體XTAL的頻率選為32768HZ.該元件專為數(shù)字鐘電路而設計,其頻率較低,有利于減少分頻器級數(shù)。</p><p>　　從有關手冊中,可查得C1,C2

18、均為30pF.當要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時,還可接入校正電容并采取溫度補償措施。</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。</p><p>　　(2) 、分頻器電路</p><p>　　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行分

19、頻。</p><p>　　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)器相當于15極2進制計數(shù)器.常用的2進制計數(shù)器有74HC393等。</p><p>　　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

20、振蕩電路所需的非門,使用更為方便。</p><p>　　CD4060計數(shù)為14級2進制計數(shù)器,可以將32768HZ的信號分頻為2HZ ,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。</p><p>　?。?） 、時間計數(shù)單元</p><p>　　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。</p><p>　

21、　時計數(shù)單元一般為12進制計數(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進制計數(shù)器,其輸出也為8421BCD碼。</p><p>　　一般采用10進制計數(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。</p><p>　　每個位計數(shù)單元為10進制計數(shù)器,無需進制轉(zhuǎn)換,只需將QA與CPB(下降沿有效)相連即可.CPA(下降沒效

22、)與1HZ秒輸入信號相連,Q3可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的CPA相連。</p><p>　　每十位計數(shù)單元為6進制計數(shù)器,需要進制轉(zhuǎn)換.將10進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進制計數(shù)器的電路連接方法如圖所示,其中Q2可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的CPA相連。</p><p>　　分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同,只不過分個位計數(shù)單元的Q3作為向上的進位

23、信號應與分十位計數(shù)單元的CPA相連,分十位計數(shù)單元的Q2作為向上的進位信號應與時個位計數(shù)單元的CPA相連。</p><p>　　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)單元應為12進制計數(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行12進制轉(zhuǎn)換。</p><p>　　（4） 、譯碼驅(qū)動及顯示單元</p><p>

24、　　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。</p><p>　　（5）、校時電源電路</p><p>　　當重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正.通常,校正時間的方法是:首先截斷正常的計數(shù)通路,然后再進行人工出觸發(fā)計

25、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。</p><p>　　根據(jù)要求,數(shù)字鐘應具有分校正和時校正功能,因此,應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。</p><p>　?。?）、整點報時電路</p><p>　　一般時鐘都應具備整點報時電路功能,即在時間出現(xiàn)整點前

26、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,較復雜的也可以是實時語音提示。</p><p>　　根據(jù)要求,電路應在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時,即當時間在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74HC30,選蜂鳴器為電聲器件。</p><p><b>　　整點報時電路</b></p><

27、p><b>　　數(shù)字鐘設計電路圖</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　我們學習了數(shù)字電子電路，對電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設計，我們才把學到的東西與實踐相結(jié)合。從中對我們學的知識有了更進一步的理解。將其運用到了實際中來，明白了學習電子技術(shù)基礎的意義，也達到了其

28、培養(yǎng)的目的。在實驗中，我也遇到了很多挫折，不過我都和同伴一一克服了，大家齊心協(xié)力解決了問題，使我明白了和他人共同合作的重要性。在以后的道路上我們也必須深刻認識到團隊合作的精神，投入今后的發(fā)展之中。</p><p>　　在此次的數(shù)字鐘設計過程中，更進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。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關資料來解決問題的習慣。雖然這只是一次簡單的課程設計，但通過

29、這次課程設計我們了解了課程設計的一般步驟，和設計中應注意的問題。</p><p>　　成功就是在不斷摸索中前進實現(xiàn)的,只有找出最終的原因進行改正，這樣才會有進步，才會一步步向自己的目標靠近，才會取得自己所要追求的成功。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　《電子技術(shù)基礎》課程設計指導書，山東工商學院，2006年&l