數(shù)字電子時鐘設(shè)計

1、數(shù)字電子鐘的設(shè)計,（1）這是一個工學結(jié)合綜合性的實驗，在原基礎(chǔ)性、技能性的基礎(chǔ)上，綜合引用數(shù)字電路、仿真以及多種軟件繪制原理圖及印制電路圖，是一個能多種技能進行綜合考核的實驗項目。（2）該實驗項目的一部分是線路設(shè)計，以提高理論知識靈活引用的能力，也可讓我們懂得要達到同樣的功能可以采用多種線路，而一個看似很簡單的功能，在具體實施時，也可能會產(chǎn)生一些意想不到的問題，以提高我們解決實際問題的能力。（3）在這個產(chǎn)品的制作過程中，逐步提高我們

2、對電子產(chǎn)品的興趣。,1 實驗目的,2 實驗原理,下面給出實驗中要求設(shè)計的數(shù)字時鐘的參考原理圖，并通過對此圖的分析，給我們起到舉一反三的作用。,,圖 1數(shù)字電子鐘的原理圖,數(shù)字鐘一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。這些都是數(shù)字電路中應用最廣的基本電路，原理框圖如圖所示。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的時標信號送到分頻器，分頻電路將時標信號分成每秒一次的方波信號。秒信號送入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計的結(jié)果以“時”、“分”

3、、“秒”的數(shù)字顯示出來。“秒”的顯示由兩級計數(shù)器和譯碼器組成的六十進制計數(shù)電路實現(xiàn)；“分”的顯示電路與“秒”相同；“時”的顯示由兩級計數(shù)器和譯碼器組成的二十四進制計數(shù)電路來實現(xiàn)。所有計時結(jié)果由六位數(shù)碼管顯示。,,1、石英晶體振蕩器 振蕩器是電子鐘的核心，用它產(chǎn)生標準頻率信號，再由分頻器分成秒時鐘信號。振蕩器震蕩頻率的精度和穩(wěn)定度基本上決定了時鐘的準確度。震蕩電路是由石英晶體，微調(diào)電容與集成反相器等元件構(gòu)成，原理圖如圖2所示。

4、 圖中門1、門2是反相器，門1用于振蕩，門2用于緩沖整形，Rf為反饋電阻，反饋電阻的作用是為反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。反饋電阻Rf的取值太大，會使放大器偏置不穩(wěn)甚至不能正常工作，Rf值太小又會使反饋網(wǎng)絡負擔加重。圖中C1 是頻率微調(diào)電容，一般取5/35pF。C2是溫度校正用電容，一般取20—40pF。電容C1、C2與晶體共同構(gòu)成π型網(wǎng)絡，以控制振蕩頻率，并使輸入輸出相移180°。也可選用555做振蕩器。,,石英晶體

5、振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定，輸出波形近似于正弦波，可用反相器整形而得到矩形脈沖輸出。,,,圖2石英晶振電路,選用555定時器總成的施密特脈沖信號發(fā)生器。能產(chǎn)生寬度、幅度和重復頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，或用作模擬信號來測試雷達、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。觸發(fā)器，把正弦波變成1KHZ矩形波（如圖（2）所示）。,振蕩器電路圖,分頻器 時間標準信號的頻率很高，要得到秒脈沖，需要分頻電路。目前多數(shù)石英電子表的

6、振蕩頻率為32768Hz，它是2的15次方，用15位二進制計數(shù)器進行分頻后可得到1Hz的秒脈沖，也可采用單片CMOS集成電路實現(xiàn)。本題的晶體振蕩器可不用設(shè)計，秒脈沖信號可由連續(xù)可調(diào)的脈沖源直接提供。 2、計數(shù)器（1）六十進制計數(shù)器 “秒”計數(shù)器的電路形式很多，但都是由一級十進制計數(shù)器和一級六進制計數(shù)器組成。圖所示是用兩塊中規(guī)模集成電路74 LS160按反饋置零法串接而成“秒”計數(shù)器的十位和個位，輸出脈沖除用作自身清零外，同

7、時還作為“分”計數(shù)器的輸入信號。本圖則是由74LS163和74LS90門構(gòu)成“秒”計數(shù)器電路。,,“分”計數(shù)器電路與“秒”計數(shù)器相同。,,,圖3 六十進制計數(shù)器,（2）二十四進制計數(shù)器 圖所示二十四進制小時計數(shù)器，是用74LS112和74LS160組成的。也可用兩塊中規(guī)模集成電路74LS160和與非門構(gòu)成。,,,,圖19.2.4 二十四進制計數(shù)器,圖 19.2.5 單脈沖發(fā)生器,3、譯碼和顯示電路 譯碼就是把給定的代碼進行翻譯，變

8、成相應的狀態(tài)，用于驅(qū)動LED七段數(shù)碼管，只要在它的輸入端輸入8421碼，七段數(shù)碼管就能顯示十進制數(shù)字。 4、校時電路 校時電路實質(zhì)上是一個由基本R-S觸發(fā)器組成的單脈沖發(fā)生器，如圖所示。從圖中可知，未按按鈕SB時，與非門的一個輸入端接地，基本觸發(fā)器處于1狀態(tài)，即。再看圖，這時數(shù)字鐘正常工作，分脈沖能進入分計數(shù)器，時脈沖能進入時計數(shù)器。按下按鈕SB時，與非門的一個輸入端接地，于是基本觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為0狀態(tài)。再看圖，

9、若所按的是校分的按鈕SB1時，則秒脈沖可以直接進入分計數(shù)器而分脈沖被阻止進入，因而便能較快的校時分計數(shù)器的值。若所按的是校時的按鈕SB2時，則秒脈沖可以直接進入計數(shù)器而時脈沖被封鎖，于是就能較快的對時計數(shù)器的數(shù)值進行校時。校時后，將校正按鈕釋放，使其恢復原位，數(shù)字鐘繼續(xù)進行正常的計時工作。,,5、整點報時電路 整點報時電路如圖6所示。圖中QD1~QA1代表秒計數(shù)器個位BCD碼，QD2~QA2代表秒計數(shù)器BCD碼，QD3~QA3代表分

10、計數(shù)器個位BCD碼，QD4~QA4代表分計數(shù)器十位BCD碼。每當分計數(shù)器累計計數(shù)到59min，與非門M2的輸出為“1”即QA3QD3QA4QC4=“1”，持續(xù)時間是一分鐘，到了59min50s時，與非門M4輸出為“1”，持續(xù)時間為10s。我們?nèi)袅頜4的輸出為A，由分頻器引入的500Hz、1000Hz的方波信號為B、C。從圖中可見M6的輸出為；；M7 的輸出為。于是M8在59min51s、53s、55s、57s時輸出500Hz音頻信號。在

11、59min50s時輸出1000的信號，音響持續(xù)1s鐘，在1000Hz音響結(jié)束時刻為整點，即該計數(shù)器每運行到整點差10s時便自動發(fā)出嗚叫聲。,,,,圖 6 整點報時電路,6、音頻振蕩器和音響電路 不同的音頻振蕩器，可用555定時器分別組成多諧振蕩器。,3 實驗儀器和設(shè)備,,4 實驗內(nèi)容和步驟,1、設(shè)計題目：數(shù)字電子鐘2、技術(shù)要求：（1）具有“時”、“分“、“秒”的十進制數(shù)字顯示；（2）具有整點報時功能，在離整點10S時，便自

12、動發(fā)出鳴叫聲，聲長1S，每隔1S鳴叫一聲，最后一次結(jié)束時正好是整點。（3）具有穩(wěn)定可靠的校時功能（時、分）。,,4.1 閱讀設(shè)計任務書、明確設(shè)計內(nèi)容,4.2 課題分析,數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率(1 Hz)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1 Hz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(gòu)成。一個用來計“時”、“分”、“秒”的數(shù)字鐘，主要由六

13、個部分組：振蕩器、校時電路、報時電路、計數(shù)器、譯碼顯示電路，下圖是一個框圖例子，同學們可以作為參考。,,,4.3 方案的認證,（1）畫出電路原理圖；（2）元器件及參數(shù)選擇；（3）電路仿真與調(diào)試；（4）Multisim11文件生成與打??；,,4.4 安裝調(diào)試,(1) 根據(jù)原理圖所示從下到上根據(jù)信號的流向分級安裝，逐級進行級聯(lián)。(2) 先測試主體電路的邏輯功能。級聯(lián)時，如果出現(xiàn)時序配合不同步或尖峰脈沖干擾，引起邏輯功能不正常時

14、，可以通過增加邏輯門進行延時或反相。如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端加退耦濾波電容。(3) 經(jīng)過各級調(diào)試并糾正出現(xiàn)的錯誤和不足，再測試電路的邏輯電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計需要，最后畫出數(shù)字電子鐘的邏輯電路圖,,5 實驗思考,（1）為什么不用晶體管振蕩器或數(shù)字振蕩器？（2）在調(diào)試過程中出現(xiàn)問題，如：中間的一位無顯示，應按怎樣的順序查找原因？（ 3 ）電源出現(xiàn)波動，是否會對時鐘

15、的準確性有影響？（ 4 ）如顯示亮度不足，如何調(diào)整？,,6 注意事項,(1) 顯示器有多種型號規(guī)格，特別是有共陰極和共陽極應加以區(qū)分。(2) 對譯碼器也有是否帶緩沖的，應注意選擇哪一種，帶緩沖的有較強的驅(qū)動能力。(3) 在繪制印刷電路圖時，應充分利用有效面積。,,7 實驗報告要求,實驗報告要包含以下內(nèi)容實驗名稱：數(shù)字電子鐘的設(shè)計與制作實驗目的：請結(jié)合19.1簡述；實驗原理：簡單說明原理，并附上實驗電路圖。實驗儀器、