數(shù)電課程設計--多功能數(shù)字鐘的設計

1、<p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　課程名稱 數(shù)字電路課程設計 </p><p>　　題目名稱 多功能數(shù)字鐘的設計</p><p>　　學生學院 物理與光電工程學院</p><p>　　專業(yè)班級 光信息科學與技術 </p><p>　　2012 年 3

2、 月 31 日</p><p>　　題目名稱 多功能數(shù)字鐘的設計1</p><p><b>　　摘要3</b></p><p>　　1設計目的任務及要求................................................. 4</p><p>　　2方案設計與論證5

3、</p><p>　　2.1時間脈沖產(chǎn)生電路5</p><p>　　2.2分頻器電路7</p><p>　　2.3時間計數(shù)器電路與譯碼驅動及顯示單元電路8</p><p><b>　　2.4校時電路9</b></p><p>　　2.5報時電路10</p><p>

4、;　　3單元電路的設計11</p><p>　　3.1時間脈沖產(chǎn)生電路的設計11</p><p>　　3.2計數(shù)與譯碼顯示電路的設計12</p><p>　　3.3 校時電路的設計13</p><p>　　3.4 報時電路14</p><p>　　3.5電路總圖15</p><p>

5、　　4仿真結果及分析以及實物制作16</p><p>　　4.1時鐘結果仿真16</p><p>　　4.2仿真結果分析16</p><p>　　4.3實物制作17</p><p><b>　　5心得與體會18</b></p><p><b>　　6參考文獻19</b&

6、gt;</p><p><b>　　7元件清單19</b></p><p>　　8部分芯片結構附錄20</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(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，具有更長的使用壽命，已

7、得到廣泛的使用。</p><p>　　數(shù)字鐘的設計方法有許多種,例如,可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘；也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘；還可以利用單片機來實現(xiàn)電子鐘等等。這些方法都各有其特點，其中利用單片機實現(xiàn)的電子鐘具有編程靈活，并便于功能的擴展。但這里為了學習數(shù)字電路，包括對組合邏輯電路與時序電路的學習，采用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘。</p><p&g

8、t;　　1設計目的任務及要求</p><p><b>　　1.1設計目的</b></p><p>　　1）掌握數(shù)字鐘的設計、組裝與調(diào)試方法。</p><p>　　2）熟悉集成電路的使用方法。</p><p>　　1.2設計任務與要求

9、 </p><p>　　1）時鐘顯示功能，能夠以十進制顯示“時”、“分”、“秒”。</p><p>　　2）具有校準時、分的功能。</p><p>　　3）整

10、點自動報時，在整點時，便自動發(fā)出鳴叫聲，時長1s。</p><p><b>　　選做：</b></p><p>　　1）鬧鐘功能，可按設定的時間鬧時。</p><p>　　2）日歷顯示功能。將時間的顯示增加“年”、“月”、“日”。</p><p>　　1.3 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　數(shù)字

11、鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數(shù)字鐘。圖1所示為數(shù)字鐘的一般構成框圖。</p><p><b>　　圖 1系統(tǒng)原理框圖</b></p><p>　?、啪w振蕩器電路：晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提

12、供一個頻率穩(wěn)定準確的32768Ｈz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(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>　　⑵分頻器電路：分頻器電路將32768HZ的高頻方波信號經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。</p><p>　　⑶時間計數(shù)器電路：時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分

13、十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，而根據(jù)設計要求，時個位和時十位計數(shù)器為24進制計數(shù)器。</p><p>　?、茸g碼驅動電路：譯碼驅動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉換為數(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。</p><p>　?、烧c報時電路：一般時鐘都應具備整點報時電路功能,即在時間

14、出現(xiàn)整點,數(shù)字鐘會自動報時,以示提醒.其作用方式是發(fā)出一秒或連續(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><b>　　2方案設計與論證</b></p><p>　　2.1時間脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　方案一：由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器作為時間標準信號源。</p><p&g

15、t;　　圖 2 555與RC組成的多諧振蕩器圖</p><p>　　方案二:振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度，通常選用石英晶體構成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生時間標準信號。因此，一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一時間脈沖信號。</p><p>　　圖 3 石英晶體振蕩器圖</p><p>　　用555組成的

16、脈沖產(chǎn)生電路: R1=15*103Ω，R2=68*103Ω，C=10μF ，則555所產(chǎn)生的脈沖的為:f=1.43/[(R1+2*R2)*103*10*106=0.947Hz,而設計要求為1Hz,因此其誤差為5.3%,在精度要求不是很高的時候可以使用。</p><p>　　石英晶體振蕩電路:采用的32768晶體振蕩電路,其頻率為32768Hz,然后再經(jīng)過15分頻電路可得到標準的1Hz的脈沖輸出.R的阻值

17、,對于TTL門電路通常在0.7～2KΩ之間;對于CMOS門則常在10～100MΩ之間。</p><p>　　由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時間常數(shù)RC有關，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH，由于VTH容易受到溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差，只能用于對頻率穩(wěn)定性要求不高的場合。</p><p>　　綜上分析，選擇方案二，石英晶體振蕩電路能夠作為最穩(wěn)定的信號源。&l

18、t;/p><p><b>　　2.2分頻器電路</b></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頻。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（），即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當于15級2進制計數(shù)器。從盡量減少元

19、器件數(shù)量的角度來考慮，這里可選多極２進制計數(shù)電路CD4060或CD4040來構成分頻電路。CD4060和CD4040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，其內(nèi)部框圖如圖2.1所示，從圖中可以看出，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

20、頻的功能。</p><p>　　圖 5.1 CD4046內(nèi)部框圖 圖5.2 CD4040內(nèi)部框圖</p><p>　　CD4040計數(shù)器的計數(shù)模數(shù)為4096（），其邏輯框圖如圖5.2。如將32768Hz信號分頻為1Hz，則需外加一個8分頻計數(shù)器，故一般較少使用CD4040來實現(xiàn)分頻。</p><p>　　綜上所述，可選擇CD4060

21、同時構成振蕩電路和分頻電路。照圖5.1，在和之間接入振蕩器外接元件可實現(xiàn)振蕩，并利用D觸發(fā)器進行二分頻（圖5.3）后可實現(xiàn)15級2分頻，即可得1Hz信號。</p><p><b>　　圖5.3</b></p><p>　　2.3時間計數(shù)器電路與譯碼驅動及顯示單元電路</p><p>　　方案一：采用10進制計數(shù)器來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。如

22、74HC390，其內(nèi)部邏輯框圖如圖6所示。該器件為雙2-5-10異步計數(shù)器。</p><p>　　圖 6 74HC390(1/2)內(nèi)部邏輯框圖</p><p>　　秒個位計數(shù)單元為10進制計數(shù)器，無需進制轉換，只需將ＱＡ與ＣＰＢ（下降沿有效）相連即可。ＣＰＡ（下降沒效）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>　　

23、秒十位計數(shù)單元為6進制計數(shù)器，需要進制轉換。將10進制計數(shù)器轉換為６進制計數(shù)器的電路連接方法如圖7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>　　圖 7 10進制-6進制計數(shù)器轉換電路</p><p>　　分個位和分十位計數(shù)單元電路結構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作為向上的進位信號應與分十位計數(shù)單元的ＣＰＡ相連，分

24、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)單元電路結構仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應為24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24進制轉換。</p><p>　　譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的輸出代碼進行翻譯，變成相應的數(shù)字。用于驅動LED七段數(shù)碼管的

25、譯碼器常用的有CD4511。CD4511是BCD-7段譯碼器/驅動器，其輸出是OC門輸出且高電平有效，專用于驅動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。</p><p>　　方案二：采用CD4033集成電路。CD4033是十進制計數(shù)器/脈沖分配器（七段譯碼輸出）。該集成塊采用上升沿觸發(fā)，輸出的信號可直接驅動七段數(shù)碼管。</p><p>　　綜上所述CD4033混合了計數(shù)與譯碼，電路較74HC390與C

26、D4511構成的電路簡單。而且CD4511譯碼后顯示的“6”與“9”不太完整，而CD4033則沒這個毛病。所以本電路選擇CD4033做為計數(shù)譯碼模塊。</p><p><b>　　2.4校時電路</b></p><p>　　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)計數(shù)或將頻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，再轉入正常

27、計時狀態(tài)即可。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><b>　　方案一：</b></p><p>　　圖 9 方案一校正電路圖</p><p>　　方案二：方案二與方案一原理差不多，但多了RC電路防抖動。</p>

28、<p>　　圖 10 方案二校正電路圖</p><p>　　通過比較可知，方案二比方案一多了防抖動的措施，穩(wěn)定性更好，通過比較選擇方案二，既能實現(xiàn)防抖動功能，做出事物也更經(jīng)濟一些。</p><p><b>　　2.5報時電路</b></p><p>　　整點自動報時，在整點時，便自動發(fā)出鳴叫聲，時長1s。</p>&l

29、t;p>　　這里采用74HC30八與非門進行檢測，分秒都到0時，驅動蜂鳴器進行一秒的報時。</p><p><b>　　3單元電路的設計</b></p><p>　　3.1時間脈沖產(chǎn)生電路的設計</p><p>　　圖 14 產(chǎn)生1Hz時間脈沖的電路圖</p><p>　　CD4060同時構成振蕩電路和分頻電路。如

30、圖14，并利用D觸發(fā)器進行2分頻可實現(xiàn)15級2分頻，即可得1Hz信號。</p><p>　　3.2計數(shù)與譯碼顯示電路的設計</p><p>　　圖15 六十進制電路</p><p>　　圖16 二十四進制電路</p><p>　　3.3 校時電路的設計</p><p>　　數(shù)字鐘啟動后,每當數(shù)字鐘顯示與實際時間不符進,

31、需要根據(jù)標準時間進行校時。校“秒”時，采用等待校時。?！胺帧?、“時”的原理比較簡單，采用加速校時。</p><p>　　對校時電路的要求是 :</p><p>　　1．在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù) 。</p><p>　　2．在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù) 。</p><p>　　如圖17所示，當開關打向上時，正常輸入信號可以順利通

32、過，故校時電路處于正常計時狀態(tài)；當開關打向下時，校時電路處于校時狀態(tài)。</p><p>　　圖 17 校時電路圖</p><p><b>　　3.4 報時電路</b></p><p>　　根據(jù)要求，電路應在整點開始整點報時。</p><p>　　選蜂鳴器為電聲器件，蜂鳴器是一種壓電電聲器件，當其兩端加上一個直流電壓時就會

33、發(fā)出鳴叫聲，兩個輸入端是極性的，其較長引腳應與高電位相連。</p><p><b>　　圖 18報時電路圖</b></p><p><b>　　3.5電路總圖</b></p><p><b>　　圖19電路總圖</b></p><p><b>　　4.</b&g

34、t;</p><p><b>　　4.1時鐘結果仿真</b></p><p>　　圖 20時鐘結果仿真圖</p><p><b>　　4.2仿真結果分析</b></p><p>　　經(jīng)測試之后，電路可以實現(xiàn)設計要求，可以實現(xiàn)數(shù)字鐘的基本功能，比如計數(shù)，如圖20，同時多功能模塊校時功能和報時功能都可以

35、使用?；诜抡娼Y果可以認定，此次多功能數(shù)字鐘的設計是成功的。</p><p><b>　　5心得與體會</b></p><p>　　這次課程設計是一次難得的鍛煉機會，我充分利用了所學過的理論知識還有自己的想象的能力，同時還學習到了很多查找資料的方法，以及自己處理分析電路，設計電路的能力。我認為，平時在學習理論知識的時候，我們應該更注重實踐，這次的課程設計讓我懂得了數(shù)電

36、知識在實際中的用途，認識到我們身邊的很多電路，其實都是我們自己可以實現(xiàn)的，以前那些神秘的東西在不斷的學習過程中變得不再那么神秘。通過這次課程設計，我還更加深了理論知識的學習。在這次的設計電路我大膽采用了CD4060，此片芯片將計數(shù)譯碼融合在一起，與傳統(tǒng)的分開實現(xiàn)有很大的不同。這次通過自己分析和設計很好地運用了它們。最終實現(xiàn)了電路結構簡單化，實用化。在制作過程中，碰到了一些小問題，如將與門芯片和或門芯片其中的兩個輸出腳接錯，這是由于粗心大

37、意，不看芯片介紹而胡亂猜測導致的，雖說沒出事故，但也讓我深刻的認識到做事情要腳踏實地，小心謹慎，這樣才不會導致意外的發(fā)生。課程設計機會不多，這學期很好，有足夠的時間，上學期因為模電課程設計臨近期末才給出來，做得很匆忙。雖然自己很努力的做了，但覺得做得不夠好，難免有點遺憾。這學期本來課不多，課程設計又給得比較早，自己認真做</p><p><b>　　6參考文獻</b></p>

38、<p>　　1 《數(shù)字電子技術基礎》潘明、潘松 主編 科學出版社 。</p><p><b>　　7元件清單</b></p><p>　　共陰數(shù)碼管 6個</p><p>　　CD4033 6個</p><p>　　470Ω電阻 42個</p>

39、<p>　　1000Ω電阻 3個</p><p>　　102無極電容 2個</p><p>　　按鍵開關 2個</p><p>　　撥動開關 1個</p><p>　　CD4060 1個</p><p>　　

40、CD4081 1個</p><p><b>　　CD40711個</b></p><p><b>　　CD40691個</b></p><p><b>　　74LS741個</b></p><p><b>　　74HC301個</

41、b></p><p><b>　　蜂鳴器 1個</b></p><p>　　32768HZ晶振1個</p><p><b>　　8部分芯片結構附錄</b></p><p><b>　　CD4033</b></p><p><b>