電工電子課程設(shè)計(jì)---數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

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

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　二Ｏ一一年 6 月 10 日</p><p><b>　　1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p

3、><p>　?、攀煜ぜ呻娐返囊_安排.</p><p>　　⑵掌握各芯片的邏輯功能及使用方法.</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(shè)計(jì)與制作.</p><p><b>　　簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更更長(zhǎng)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(shí)序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強(qiáng)，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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)及調(diào)試。</p><p>　　（2） 設(shè)計(jì)1臺(tái)能直接顯示“時(shí)”、“分”、“秒”、“日”十進(jìn)制數(shù)字的石英數(shù)字電路。秒、分為00~59六十進(jìn)制計(jì)時(shí)器，以24h為一天。周顯示用七進(jìn)制計(jì)時(shí)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器運(yùn)行到23h59min59s時(shí)，秒個(gè)位計(jì)數(shù)器再接收一個(gè)秒脈沖信號(hào)后，計(jì)數(shù)器自動(dòng)顯示為0

6、0h00min00s。</p><p>　?。?） 走時(shí)精度要求每天誤差小于1s，任何時(shí)候可對(duì)數(shù)字鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。</p><p>　?。?） 在實(shí)驗(yàn)板上安裝、調(diào)試出課題所要求的計(jì)時(shí)器。</p><p>　?。?） 畫出邏輯電路圖、時(shí)序圖，并寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　　4、數(shù)字電子鐘基本原理</p><p>　　數(shù)

7、字鐘是一個(gè)將“ 時(shí)”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計(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。干電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒、星期”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決

8、定計(jì)時(shí)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)。將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器”采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器”也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24小時(shí)的累計(jì)。每累計(jì)24小時(shí)，發(fā)出一個(gè)“星期脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“星期計(jì)數(shù)器”，“星期計(jì)數(shù)器” 采

9、用7進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一周7天的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”、“星期”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼</p><p>　　對(duì)照上方框圖,根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求,完成部分模塊化設(shè)計(jì)如下:</p><p><b>　　秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，然后再由分頻器分成時(shí)間秒脈沖

10、，振蕩器振蕩的進(jìn)度與穩(wěn)定度，決定計(jì)時(shí)器的精度和質(zhì)量。</p><p><b>　　2、計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)</b></p><p>　?。?）、60 進(jìn)制計(jì)數(shù)</p><p>　　秒計(jì)數(shù)器由秒個(gè)位計(jì)數(shù)器 JSl 和秒十位計(jì)數(shù)器 JS2 組成。 JSl 組成十進(jìn)制計(jì)數(shù)，JS2 組成六進(jìn)制計(jì)數(shù)。十進(jìn)制計(jì)數(shù)用反饋歸零法設(shè)計(jì)，用 CD4510( 四位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器

11、)來設(shè)計(jì)。六進(jìn)制計(jì)數(shù)的反饋方法是當(dāng) CP 輸入第六個(gè)脈沖時(shí)， 輸出狀態(tài)“Q3Q2QlQ0=0110”，用與門將Q2Ql 取出，送到計(jì)數(shù)器 CR 清零端，使計(jì)數(shù)器歸零，從而實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制計(jì)數(shù)。</p><p>　　如果采用 CD4516( 四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 ) 來設(shè)計(jì)60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，那么必須考慮個(gè)位十進(jìn)制計(jì)數(shù)的清零，請(qǐng)同學(xué)們自己考慮。</p><p><b>　　六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器<

12、;/b></p><p>　　（2）、24 進(jìn)制計(jì)數(shù)</p><p>　　當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)狀態(tài)為“Q3Q2QlQ0=0100”十位計(jì)數(shù)狀態(tài)為“Q3Q2QlQ0=0010” 時(shí) , 即 24 時(shí)，通過把個(gè)位 Q2，十位Q1相與后的信號(hào)送到個(gè)位、十位清零端CR,使計(jì)數(shù)器復(fù)零，從而實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制計(jì)數(shù)。</p><p><b>　　二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器</b>

13、;</p><p><b>　　、7進(jìn)制計(jì)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(shè)計(jì)電路，根據(jù)60進(jìn)制電路和24進(jìn)制電路設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）、譯碼和顯示電路</p><p>　　譯碼是把給定的代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的狀態(tài)。用來驅(qū)動(dòng) 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(dòng)）的中規(guī)模集成電路。 CD4511 管腳圖查有關(guān)資料。</p><p><b>　?。?）、校正電路</b></p><p>　　圖 2-6 所示的校時(shí)電路由 CMOS 電路和四只開關(guān) (Kl—K4) 組成，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)日、時(shí)、分、秒的校準(zhǔn)。開關(guān)選擇有“正?！焙汀靶r(shí)”兩擋。?！叭铡?、 “時(shí)”、“分”的原理比較簡(jiǎn)單

15、，當(dāng)開關(guān)打在“校時(shí)”狀態(tài)，秒脈沖時(shí)進(jìn)入個(gè)位計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)校對(duì)功能。校“秒”時(shí)，送入2Hz（0.5s）信號(hào)，可方便快速校對(duì)。圖中與非門電路可采用 CD401l 實(shí)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(shí)鐘的核心,它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)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(gè)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(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(gè)高增益的反相放大

17、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)提供了一個(gè)180度相移,從而和非門構(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

18、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。</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(hào)輸入,需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分

19、頻。</p><p>　　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)制計(jì)數(shù)器來實(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。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來構(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

20、振蕩電路所需的非門,使用更為方便。</p><p>　　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 ,CD4060的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門,因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。</p><p>　?。?） 、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。</p><p>　

21、　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。</p><p>　　一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC390來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能.為減少器件使用數(shù)量,可選74HC390。</p><p>　　每個(gè)位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器,無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換,只需將QA與CPB(下降沿有效)相連即可.CPA(下降沒效

22、)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。</p><p>　　每十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器,需要進(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。</p><p>　　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,只不過分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的Q3作為向上的進(jìn)位

23、信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的CPA相連,分十位計(jì)數(shù)單元的Q2作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的CPA相連。</p><p>　　時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同,但是要求,整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器,不是10的整數(shù)倍,因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行12進(jìn)制轉(zhuǎn)換。</p><p>　?。?） 、譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元</p><p>

24、　　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,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。</p><p>　?。?）、校時(shí)電源電路</p><p>　　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)

25、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。</p><p>　　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)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。</p><p>　?。?）、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路</p><p>　　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

26、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)語音提示。</p><p>　　根據(jù)要求,電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開始整點(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><b>　　整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路</b></p><

27、p><b>　　數(shù)字鐘設(shè)計(jì)電路圖</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　我們學(xué)習(xí)了數(shù)字電子電路，對(duì)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(shè)計(jì)，我們才把學(xué)到的東西與實(shí)踐相結(jié)合。從中對(duì)我們學(xué)的知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解。將其運(yùn)用到了實(shí)際中來，明白了學(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)的意義，也達(dá)到了其

28、培養(yǎng)的目的。在實(shí)驗(yàn)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(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)過程中，更進(jìn)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(dú)立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)，但通過

29、這次課程設(shè)計(jì)我們了解了課程設(shè)計(jì)的一般步驟，和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。</p><p>　　成功就是在不斷摸索中前進(jìn)實(shí)現(xiàn)的,只有找出最終的原因進(jìn)行改正，這樣才會(huì)有進(jìn)步，才會(huì)一步步向自己的目標(biāo)靠近，才會(huì)取得自己所要追求的成功。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，山東工商學(xué)院，2006年&l