數(shù)字電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)

1、數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì),（1）這是一個(gè)工學(xué)結(jié)合綜合性的實(shí)驗(yàn)，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(gè)能多種技能進(jìn)行綜合考核的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。（2）該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的一部分是線路設(shè)計(jì)，以提高理論知識(shí)靈活引用的能力，也可讓我們懂得要達(dá)到同樣的功能可以采用多種線路，而一個(gè)看似很簡(jiǎn)單的功能，在具體實(shí)施時(shí)，也可能會(huì)產(chǎn)生一些意想不到的問題，以提高我們解決實(shí)際問題的能力。（3）在這個(gè)產(chǎn)品的制作過程中，逐步提高我們

2、對(duì)電子產(chǎn)品的興趣。,1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2 實(shí)驗(yàn)原理,下面給出實(shí)驗(yàn)中要求設(shè)計(jì)的數(shù)字時(shí)鐘的參考原理圖，并通過對(duì)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(jì)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(yīng)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(shí)標(biāo)信號(hào)送到分頻器，分頻電路將時(shí)標(biāo)信號(hào)分成每秒一次的方波信號(hào)。秒信號(hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)的結(jié)果以“時(shí)”、“分”

3、、“秒”的數(shù)字顯示出來?！懊搿钡娘@示由兩級(jí)計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)；“分”的顯示電路與“秒”相同；“時(shí)”的顯示由兩級(jí)計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)電路來實(shí)現(xiàn)。所有計(jì)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，再由分頻器分成秒時(shí)鐘信號(hào)。振蕩器震蕩頻率的精度和穩(wěn)定度基本上決定了時(shí)鐘的準(zhǔn)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(huì)使放大器偏置不穩(wěn)甚至不能正常工作，Rf值太小又會(huì)使反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)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(luò)，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(shí)器總成的施密特脈沖信號(hào)發(fā)生器。能產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測(cè)試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，或用作模擬信號(hào)來測(cè)試?yán)走_(dá)、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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻后可得到1Hz的秒脈沖，也可采用單片CMOS集成電路實(shí)現(xiàn)。本題的晶體振蕩器可不用設(shè)計(jì)，秒脈沖信號(hào)可由連續(xù)可調(diào)的脈沖源直接提供。 2、計(jì)數(shù)器（1）六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 “秒”計(jì)數(shù)器的電路形式很多，但都是由一級(jí)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級(jí)六進(jìn)制計(jì)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(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，輸出脈沖除用作自身清零外，同

7、時(shí)還作為“分”計(jì)數(shù)器的輸入信號(hào)。本圖則是由74LS163和74LS90門構(gòu)成“秒”計(jì)數(shù)器電路。,,“分”計(jì)數(shù)器電路與“秒”計(jì)數(shù)器相同。,,,圖3 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,（2）二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器 圖所示二十四進(jìn)制小時(shí)計(jì)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(jìn)制計(jì)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(jìn)行翻譯，變

8、成相應(yīng)的狀態(tài)，用于驅(qū)動(dòng)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(jìn)制數(shù)字。 4、校時(shí)電路 校時(shí)電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(shí)，與非門的一個(gè)輸入端接地，基本觸發(fā)器處于1狀態(tài)，即。再看圖，這時(shí)數(shù)字鐘正常工作，分脈沖能進(jìn)入分計(jì)數(shù)器，時(shí)脈沖能進(jìn)入時(shí)計(jì)數(shù)器。按下按鈕SB時(shí)，與非門的一個(gè)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(shí)，則秒脈沖可以直接進(jìn)入分計(jì)數(shù)器而分脈沖被阻止進(jìn)入，因而便能較快的校時(shí)分計(jì)數(shù)器的值。若所按的是校時(shí)的按鈕SB2時(shí)，則秒脈沖可以直接進(jìn)入計(jì)數(shù)器而時(shí)脈沖被封鎖，于是就能較快的對(duì)時(shí)計(jì)數(shù)器的數(shù)值進(jìn)行校時(shí)。校時(shí)后，將校正按鈕釋放，使其恢復(fù)原位，數(shù)字鐘繼續(xù)進(jìn)行正常的計(jì)時(shí)工作。,,5、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路如圖6所示。圖中QD1~QA1代表秒計(jì)數(shù)器個(gè)位BCD碼，QD2~QA2代表秒計(jì)數(shù)器BCD碼，QD3~QA3代表分

10、計(jì)數(shù)器個(gè)位BCD碼，QD4~QA4代表分計(jì)數(shù)器十位BCD碼。每當(dāng)分計(jì)數(shù)器累計(jì)計(jì)數(shù)到59min，與非門M2的輸出為“1”即QA3QD3QA4QC4=“1”，持續(xù)時(shí)間是一分鐘，到了59min50s時(shí)，與非門M4輸出為“1”，持續(xù)時(shí)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(hào)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(shí)輸出500Hz音頻信號(hào)。在

11、59min50s時(shí)輸出1000的信號(hào)，音響持續(xù)1s鐘，在1000Hz音響結(jié)束時(shí)刻為整點(diǎn)，即該計(jì)數(shù)器每運(yùn)行到整點(diǎn)差10s時(shí)便自動(dòng)發(fā)出嗚叫聲。,,,,圖 6 整點(diǎn)報(bào)時(shí)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(shí)器分別組成多諧振蕩器。,3 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備,,4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟,1、設(shè)計(jì)題目：數(shù)字電子鐘2、技術(shù)要求：（1）具有“時(shí)”、“分“、“秒”的十進(jìn)制數(shù)字顯示；（2）具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，在離整點(diǎn)10S時(shí)，便自

12、動(dòng)發(fā)出鳴叫聲，聲長(zhǎng)1S，每隔1S鳴叫一聲，最后一次結(jié)束時(shí)正好是整點(diǎn)。（3）具有穩(wěn)定可靠的校時(shí)功能（時(shí)、分）。,,4.1 閱讀設(shè)計(jì)任務(wù)書、明確設(shè)計(jì)內(nèi)容,4.2 課題分析,數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率(1 Hz)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1 Hz時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定，通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成。一個(gè)用來計(jì)“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字鐘，主要由六

13、個(gè)部分組：振蕩器、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路，下圖是一個(gè)框圖例子，同學(xué)們可以作為參考。,,,4.3 方案的認(rèn)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(hào)的流向分級(jí)安裝，逐級(jí)進(jìn)行級(jí)聯(lián)。(2) 先測(cè)試主體電路的邏輯功能。級(jí)聯(lián)時(shí)，如果出現(xiàn)時(shí)序配合不同步或尖峰脈沖干擾，引起邏輯功能不正常時(shí)

14、，可以通過增加邏輯門進(jìn)行延時(shí)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(jí)調(diào)試并糾正出現(xiàn)的錯(cuò)誤和不足，再測(cè)試電路的邏輯電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計(jì)需要，最后畫出數(shù)字電子鐘的邏輯電路圖,,5 實(shí)驗(yàn)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(yīng)按怎樣的順序查找原因？（ 3 ）電源出現(xiàn)波動(dòng)，是否會(huì)對(duì)時(shí)鐘

15、的準(zhǔn)確性有影響？（ 4 ）如顯示亮度不足，如何調(diào)整？,,6 注意事項(xiàng),(1) 顯示器有多種型號(hào)規(guī)格，特別是有共陰極和共陽(yáng)極應(yīng)加以區(qū)分。(2) 對(duì)譯碼器也有是否帶緩沖的，應(yīng)注意選擇哪一種，帶緩沖的有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。(3) 在繪制印刷電路圖時(shí)，應(yīng)充分利用有效面積。,,7 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求,實(shí)驗(yàn)報(bào)告要包含以下內(nèi)容實(shí)驗(yàn)名稱：數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫?qǐng)結(jié)合19.1簡(jiǎn)述；實(shí)驗(yàn)原理：簡(jiǎn)單說明原理，并附上實(shí)驗(yàn)電路圖。實(shí)驗(yàn)儀器、