課程設(shè)計---數(shù)字鐘的設(shè)計與制作 (2)

1、<p><b>　　一、設(shè)計目的</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(zhǔn)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。</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序電路。</p><p>　　因此，

2、設(shè)計與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會制作數(shù)字鐘.而且通過數(shù)字鐘的制作進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用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時序電路.通過它可以進一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法.</p><p><b>　　二、設(shè)計要求</b></p><p><b>　　㈠設(shè)計指標(biāo) </b

3、></p><p>　　⑴時間以12小時為一個周期；</p><p><b>　?、骑@示時、分、秒；</b></p><p>　　⑶有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間；</p><p>　　*⑷計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒進行蜂鳴報時；</p><p&g

4、t;　　⑸保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時間基準(zhǔn)信號。</p><p><b>　?、嬖O(shè)計要求</b></p><p><b>　?、女嫵鲭娐吩韴D；</b></p><p>　　⑵自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。</p><p>　　⑶編寫設(shè)計報告，寫出設(shè)計與制作的全過程，附上

5、有關(guān)資料和圖紙，有心得體會。</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)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須

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)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Ｈz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準(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，一類是用ＴＴＬ門電路構(gòu)成；另一類是通過ＣＭＯＳ非門構(gòu)成的電路，本次設(shè)計采用了后一種。如圖（b）所示，由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器。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控

8、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(luò)，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(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．時間記數(shù)電路</b></p><p>　　一般采用10進制計數(shù)器如74HC290、74HC3

9、90等來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。本次設(shè)計中選擇74HC390。由其內(nèi)部邏輯框圖可知，其為雙2-5-10異步計數(shù)器，并每一計數(shù)器均有一個異步清零端（高電平有效）。</p><p>　　秒個位計數(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（下降沿有效）與１ＨZ秒輸入信號相連，ＱD可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　

10、秒十位計數(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　２.４所示，其中ＱC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><b>　　圖3</b></p><p><b>　　圖4</b></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

11、位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的ＱD作為向上的進位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的ＣＰＡ相連，分十位計數(shù)單元的ＱC作為向上的進位信號應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換。利用１片７４ＨＣ３９０實現(xiàn)24進制計數(shù)功能的電路如圖（d

12、）所示。</p><p><b>　　圖5二十四進制電路</b></p><p>　　另外，圖（d）所示電路中，尚余－２進制計數(shù)單元，正好可作為分頻器２ＨZ輸出信號轉(zhuǎn)化為１ＨZ信號之用。</p><p>　　4．譯碼驅(qū)動及顯示單元電路</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把輸進來的二進制信號翻譯成十進制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來。這里的LED數(shù)碼管是采用共陽的方法連接的。</p><p>　　計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計并以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制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。</p><p><b>　　5．校時電路</b></p><p>

14、;　　數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)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。即為用COMS與或非門實現(xiàn)的時或分校時電路，In1端與低位的進位信號相連；In2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時個位計時輸入端相連。當(dāng)開關(guān)打向上時，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門

15、，故校時電路處于正常計時狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)打向下時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。</p><p>　　實際使用時，因為電路開關(guān)存在抖動問題，所以一般會接一個RS觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消抖動電路，所以整個較時電路就如圖（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．整點報時電路</b></p><p>　　電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，發(fā)出報時電路報時控制信號。</p><p>　　當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數(shù)器十位的QＣ和QＡ 、個位的QＤ和QＡ及秒計數(shù)器十位的Q

17、Ｃ和QＡ相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。</p><p>　　報時電路可選74HC30來構(gòu)成。74HC30為8輸入與非門。</p><p><b>　　四、元器件</b></p><p><b>　　1．四連面包板1塊</b></p><p>　　2．共陽七段數(shù)碼管6個</p><p

18、><b>　　3．網(wǎng)絡(luò)線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</p><p>　　11．300Ω電阻6個</p><p>　　12．30p電容2個</p><p>　　13．32.768k時鐘晶體1個</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：</b></p><p>　　面包板旁一般附有香蕉插座，用來輸入電壓、信號及接地。</p><p>　　上圖中連著的黑線表示插孔是相通的。</p><p>　　拉線時，盡量將線緊貼面包板，把線成直角，避免交叉，也不要跨越元件。</p><p>　　面包板使用久后，有時插孔間連接銅線會發(fā)生脫落現(xiàn)象，此時要將

25、此排插孔做記號。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立的電路。</p><p><b>　　六進制電路</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>　　六十進制電路</b></p><p>　　由兩個數(shù)碼管、兩74LS47、一個74HC390與一個7400芯片組成，電路如圖18。</p><p><b>　　圖18</b></p><p><b>　　雙六十進制電路</b></p><p

28、>　　由2個六十進制連接而成，把分個位的輸入信號與秒十位的Qc相連，使其產(chǎn)生進位。</p><p><b>　　時間計數(shù)電路</b></p><p>　　由1個二十四進制電路、2個六十進制電路組成，因上面已有一個雙六十電路，只要把它與二十四進制電路相連即可，詳細(xì)電路見圖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30pF電容、1個4060、一個10兆的電阻組成，芯片3腳輸出2Hz的方波信號，電路如圖21。</p><p><b>　　圖21</b></p><p><b>　　整點報時電路</b></p><p>　　由74HC30D和蜂鳴器組成，當(dāng)時間在59:50到59:59時，蜂鳴報時，電路如

31、圖22。</p><p><b>　　圖22</b></p><p><b>　　六、總接線元件布局</b></p><p>　　整個數(shù)字鐘由時間計數(shù)電路、晶體振蕩電路、校正電路、整點報時電路組成。</p><p>　　其中以校正電路代替時間計數(shù)電路中的時、分、秒之間的進位，當(dāng)校時電路處于正常輸入信

32、號時，時間計數(shù)電路正常計時，但當(dāng)分校正時，其不會產(chǎn)生向時進位，而分與時的校位是分開的，而校正電路也是一個獨立的電路。</p><p>　　電路的信號輸入由晶振電路產(chǎn)生，并輸入各電路。</p><p><b>　　七、電路原理總圖</b></p><p>　　在原有的簡圖的基礎(chǔ)上，按實際布局畫了這張按實際芯片布局的接線圖，如圖23：</p&

33、gt;<p><b>　　圖23</b></p><p><b>　　八、總結(jié)</b></p><p>　　實驗過程中遇到的問題及解決方法</p><p>　　面包板測試,未遇問題。</p><p>　　七段顯示器與七段譯碼器的測量時，有時有些數(shù)字顯示斷開、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。在接電路時譯碼管的電源和接地的沒接，直接導(dǎo)致譯碼管無法工作，數(shù)碼管無數(shù)字顯示。</p><p>　　時間計數(shù)電路的連接與測試 </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。測試時秒 計數(shù)顯示無法進位、跳動還較快，無法進位是因為在74LS08D集成管的輸入輸出弄錯引腳，跳動較快是因為把4060BP和74LS74D的接線引腳

35、接在了4060BP的2引腳。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)接線錯誤調(diào)整后，時間秒顯示正常。</p><p><b>　　校正電路</b></p><p>　　校正時有時單獨校正分，時會跟著調(diào)動，原因是分與時的進位接線沒斷開。</p><p><b>　　設(shè)計體會</b></p><p>　　通過這次實訓(xùn)，讓我們更加了解

36、了各種集成塊的應(yīng)用，也對其中一些集成塊的用途有了一定的了解。</p><p>　　實訓(xùn)對于我們的動手能力也是一種提高，細(xì)心，認(rèn)真在其尤其重要。對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>　　對設(shè)計的建議</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、創(chuàng)新的意識。讓學(xué)生的能力有真正的提高