課程設(shè)計(jì)---數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作 (2)

1、<p><b>　　一、設(shè)計(jì)目的</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(wú)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。</p><p>　　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。</p><p>　　因此，

2、設(shè)計(jì)與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會(huì)制作數(shù)字鐘.而且通過(guò)數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解在制作中用到的各種中小規(guī)模集成電路的作用及實(shí)用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時(shí)序電路.通過(guò)它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法.</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　㈠設(shè)計(jì)指標(biāo) </b

3、></p><p>　　⑴時(shí)間以12小時(shí)為一個(gè)周期；</p><p><b>　　⑵顯示時(shí)、分、秒；</b></p><p>　　⑶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；</p><p>　　*⑷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10秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)；</p><p&g

4、t;　?、杀ＷC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)。</p><p><b>　?、嬖O(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　?、女?huà)出電路原理圖；</b></p><p>　?、谱孕醒b配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。</p><p>　?、蔷帉?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

5、有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。</p><p><b>　　三、原理框圖</b></p><p><b>　　1．?dāng)?shù)字鐘的構(gòu)成</b></p><p>　　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

6、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><b>　　圖1</b></p><p><b>　　2．晶體振蕩器電路</b></p><p>　　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

7、振蕩器電路。一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類(lèi)，一類(lèi)是用ＴＴＬ門(mén)電路構(gòu)成；另一類(lèi)是通過(guò)ＣＭＯＳ非門(mén)構(gòu)成的電路，本次設(shè)計(jì)采用了后一種。如圖（b）所示，由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

8、制功能，同時(shí)提供了一個(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><b>　　圖2</b></p><p><b>　　3．時(shí)間記數(shù)電路</b></p><p>　　一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器如74HC290、74HC3

9、90等來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。本次設(shè)計(jì)中選擇74HC390。由其內(nèi)部邏輯框圖可知，其為雙2-5-10異步計(jì)數(shù)器，并每一計(jì)數(shù)器均有一個(gè)異步清零端（高電平有效）。</p><p>　　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（下降沿有效）與１ＨZ秒輸入信號(hào)相連，ＱD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>　　

10、秒十位計(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?。?４所示，其中ＱC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><b>　　圖3</b></p><p><b>　　圖4</b></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

11、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ＱD作為向上的進(jìn)位信號(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ＱC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24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24進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用１片７４ＨＣ３９０實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖（d

12、）所示。</p><p><b>　　圖5二十四進(jìn)制電路</b></p><p>　　另外，圖（d）所示電路中，尚余－２進(jìn)制計(jì)數(shù)單元，正好可作為分頻器２ＨZ輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為１ＨZ信號(hào)之用。</p><p>　　4．譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元電路</p><p>　　選擇74LS47作為顯示譯碼電路；選擇ＬＥＤ數(shù)碼管作為顯示單元電路

13、。由74LS47把輸進(jìn)來(lái)的二進(jìn)制信號(hào)翻譯成十進(jìn)制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來(lái)。這里的LED數(shù)碼管是采用共陽(yáng)的方法連接的。</p><p>　　計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)并以8421BCD碼的形式輸送到74LS47芯片，再由74LS47芯片把BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來(lái)。</p><p><b>　　5．校時(shí)電路</b></p><p>

14、;　　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。即為用COMS與或非門(mén)實(shí)現(xiàn)的時(shí)或分校時(shí)電路，In1端與低位的進(jìn)位信號(hào)相連；In2端與校正信號(hào)相連，校正信號(hào)可直接取自分頻器產(chǎn)生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信號(hào)；輸出端則與分或時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)輸入端相連。當(dāng)開(kāi)關(guān)打向上時(shí)，因?yàn)樾Ｕ盘?hào)和0相與的輸出為0，而開(kāi)關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號(hào)可以順利通過(guò)與或門(mén)

15、，故校時(shí)電路處于正常計(jì)時(shí)狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)打向下時(shí)，情況正好與上述相反，這時(shí)校時(shí)電路處于校時(shí)狀態(tài)。</p><p>　　實(shí)際使用時(shí)，因?yàn)殡娐烽_(kāi)關(guān)存在抖動(dòng)問(wèn)題，所以一般會(huì)接一個(gè)RS觸發(fā)器構(gòu)成開(kāi)關(guān)消抖動(dòng)電路，所以整個(gè)較時(shí)電路就如圖（f）。</p><p>　　圖6 帶有消抖電路的校正電路</p><p><b>　　圖7</b></p>&

16、lt;p><b>　　*6．整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路</b></p><p>　　電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(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)，發(fā)出報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。</p><p>　　當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計(jì)數(shù)器十位的QＣ和QＡ 、個(gè)位的QＤ和QＡ及秒計(jì)數(shù)器十位的Q

17、Ｃ和QＡ相與，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。</p><p>　　報(bào)時(shí)電路可選74HC30來(lái)構(gòu)成。74HC30為8輸入與非門(mén)。</p><p><b>　　四、元器件</b></p><p><b>　　1．四連面包板1塊</b></p><p>　　2．共陽(yáng)七段數(shù)碼管6個(gè)</p><p

18、><b>　　3．網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)2米/人</b></p><p>　　4．74LS47集成塊6塊</p><p>　　5．CD4060集成塊1塊</p><p>　　6．74HC390集成塊3塊</p><p>　　7．74HC51集成塊1塊</p><p>　　8．74HC00集成塊2塊</

19、p><p>　　9．74LS08集成塊1塊</p><p>　　10．10MΩ電阻5個(gè)</p><p>　　11．300Ω電阻6個(gè)</p><p>　　12．30p電容2個(gè)</p><p>　　13．32.768k時(shí)鐘晶體1個(gè)</p><p><b>　　芯片連接圖</b>&l

20、t;/p><p>　　1)74HC00D </p><p><b>　　圖8</b></p><p><b>　　2)74LS08</b></p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　3)7

21、4HC390D </p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　4)74HC51D </p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　4) CD4060</p><p><

22、;b>　　圖12</b></p><p><b>　　5)74LS74</b></p><p><b>　　圖13</b></p><p><b>　　6)74LS47</b></p><p><b>　　圖14</b></p>

23、;<p><b>　　2．面包板的介紹</b></p><p>　　面包板一塊總共由五部分組成，一豎四橫，面包板本身就是一種免焊電板。</p><p><b>　　面包板的樣式是：</b></p><p><b>　　圖15</b></p><p><b&g

24、t;　　面包板的注意事項(xiàng)：</b></p><p>　　面包板旁一般附有香蕉插座，用來(lái)輸入電壓、信號(hào)及接地。</p><p>　　上圖中連著的黑線(xiàn)表示插孔是相通的。</p><p>　　拉線(xiàn)時(shí)，盡量將線(xiàn)緊貼面包板，把線(xiàn)成直角，避免交叉，也不要跨越元件。</p><p>　　面包板使用久后，有時(shí)插孔間連接銅線(xiàn)會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象，此時(shí)要將

25、此排插孔做記號(hào)。并不再使用。</p><p><b>　　五、各功能塊電路圖</b></p><p>　　數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，可以由許多中小規(guī)模集成電路組成，所以可以分成許多獨(dú)立的電路。</p><p><b>　　六進(jìn)制電路</b></p><p>　　由74HC390、7400

26、、數(shù)碼管與74LS47組成，電路如圖16。</p><p><b>　　圖16</b></p><p><b>　　十進(jìn)制電路</b></p><p>　　由74HC390、7400、數(shù)碼管與74LS47組成，電路如圖17。</p><p><b>　　圖17</b></

27、p><p><b>　　六十進(jìn)制電路</b></p><p>　　由兩個(gè)數(shù)碼管、兩74LS47、一個(gè)74HC390與一個(gè)7400芯片組成，電路如圖18。</p><p><b>　　圖18</b></p><p><b>　　雙六十進(jìn)制電路</b></p><p

28、>　　由2個(gè)六十進(jìn)制連接而成，把分個(gè)位的輸入信號(hào)與秒十位的Qc相連，使其產(chǎn)生進(jìn)位。</p><p><b>　　時(shí)間計(jì)數(shù)電路</b></p><p>　　由1個(gè)二十四進(jìn)制電路、2個(gè)六十進(jìn)制電路組成，因上面已有一個(gè)雙六十電路，只要把它與二十四進(jìn)制電路相連即可，詳細(xì)電路見(jiàn)圖19。</p><p><b>　　圖19</b>

29、;</p><p><b>　　校正電路</b></p><p>　　由74HC51D、74HC00D與電阻組成，校正電路有分校正和時(shí)校正兩部分，電路如圖20。</p><p><b>　　圖20</b></p><p><b>　　晶體振蕩電路</b></p>

30、<p>　　由晶體與2個(gè)30pF電容、1個(gè)4060、一個(gè)10兆的電阻組成，芯片3腳輸出2Hz的方波信號(hào)，電路如圖21。</p><p><b>　　圖21</b></p><p><b>　　整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路</b></p><p>　　由74HC30D和蜂鳴器組成，當(dāng)時(shí)間在59:50到59:59時(shí)，蜂鳴報(bào)時(shí)，電路如

31、圖22。</p><p><b>　　圖22</b></p><p><b>　　六、總接線(xiàn)元件布局</b></p><p>　　整個(gè)數(shù)字鐘由時(shí)間計(jì)數(shù)電路、晶體振蕩電路、校正電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成。</p><p>　　其中以校正電路代替時(shí)間計(jì)數(shù)電路中的時(shí)、分、秒之間的進(jìn)位，當(dāng)校時(shí)電路處于正常輸入信

32、號(hào)時(shí)，時(shí)間計(jì)數(shù)電路正常計(jì)時(shí)，但當(dāng)分校正時(shí)，其不會(huì)產(chǎn)生向時(shí)進(jìn)位，而分與時(shí)的校位是分開(kāi)的，而校正電路也是一個(gè)獨(dú)立的電路。</p><p>　　電路的信號(hào)輸入由晶振電路產(chǎn)生，并輸入各電路。</p><p><b>　　七、電路原理總圖</b></p><p>　　在原有的簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上，按實(shí)際布局畫(huà)了這張按實(shí)際芯片布局的接線(xiàn)圖，如圖23：</p&

33、gt;<p><b>　　圖23</b></p><p><b>　　八、總結(jié)</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法</p><p>　　面包板測(cè)試,未遇問(wèn)題。</p><p>　　七段顯示器與七段譯碼器的測(cè)量時(shí)，有時(shí)有些數(shù)字顯示斷開(kāi)、不完整。原因可能是數(shù)碼管引腳

34、接觸不良，或者是數(shù)碼管某些引腳壞。在接電路時(shí)譯碼管的電源和接地的沒(méi)接，直接導(dǎo)致譯碼管無(wú)法工作，數(shù)碼管無(wú)數(shù)字顯示。</p><p>　　時(shí)間計(jì)數(shù)電路的連接與測(cè)試 </p><p>　　仔細(xì)的連接電路是非常重要的，不要忘了電源和接地的引腳連接線(xiàn)。測(cè)試時(shí)秒 計(jì)數(shù)顯示無(wú)法進(jìn)位、跳動(dòng)還較快，無(wú)法進(jìn)位是因?yàn)樵?4LS08D集成管的輸入輸出弄錯(cuò)引腳，跳動(dòng)較快是因?yàn)榘?060BP和74LS74D的接線(xiàn)引腳

35、接在了4060BP的2引腳。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)接線(xiàn)錯(cuò)誤調(diào)整后，時(shí)間秒顯示正常。</p><p><b>　　校正電路</b></p><p>　　校正時(shí)有時(shí)單獨(dú)校正分，時(shí)會(huì)跟著調(diào)動(dòng)，原因是分與時(shí)的進(jìn)位接線(xiàn)沒(méi)斷開(kāi)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)這次實(shí)訓(xùn)，讓我們更加了解

36、了各種集成塊的應(yīng)用，也對(duì)其中一些集成塊的用途有了一定的了解。</p><p>　　實(shí)訓(xùn)對(duì)于我們的動(dòng)手能力也是一種提高，細(xì)心，認(rèn)真在其尤其重要。對(duì)于一些容易遺漏的引腳，如電源，接地引腳特別要注意。</p><p><b>　　對(duì)設(shè)計(jì)的建議</b></p><p>　　在學(xué)生了解的基礎(chǔ)上，應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生自己的改進(jìn)、創(chuàng)新的意識(shí)。讓學(xué)生的能力有真正的提高