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摘要 數字鐘是一個對 1Hz 頻率進行計數的電路 振蕩器產生的時鐘信號經過分頻器形 成秒脈沖信號 秒脈沖信號輸入計數器進行計數 顯示出時間 秒計數器電路計滿 60 后觸發(fā)分計數器電路 分計數器電路計滿 60 后觸發(fā)時計數器電路 當計滿 24 小時后 重零開始計數 一般由振蕩器 分頻器 計數器 譯碼器 數碼顯示器等幾部分組成 振蕩電路 主要用來產生時間標準信號 石英晶體振蕩器可以提高時間信號的穩(wěn) 定度 分頻器 振蕩器產生的標準信號頻率很高 要得到 秒 信號 需一定級數的分 頻器進行分頻 計數器 有了 秒 信號 則可以根據 60 秒為 1 分 24 小時為 1 天的進制 分別 設定 時 分 秒 的計數器 分別為 60 進制 60 進制 24 進制計數器 并輸出 一分 一小時 一天的進位信號 譯碼顯示 將 時 分 秒 顯示出來 將計數器輸入狀態(tài) 輸入到譯碼器 產生驅動數碼顯示器信號 呈現出對應的進位數字字型 關鍵詞 數字鐘 振蕩 計數 校正 目錄 1 前言 2 2 系統(tǒng)總體方案設計 3 2 1 方案比較 4 2 2 方案選擇 6 3 單元模塊設計 7 3 1 時間計數電路的設計 7 3 2 譯碼顯示電路 9 3 3 三個按鍵的電路 11 3 3 1 按鍵一 光標的移位與閃爍 12 3 3 2 按鍵二 時間的上翻讓時間得到修改 14 3 3 3 按鍵三 確定 15 4 系統(tǒng)調試 15 5 系統(tǒng)功能和指標參數 15 5 1 系統(tǒng)功能 16 5 2 系統(tǒng)指標參數 16 6 設計總結和體會 17 6 1 設計總結 17 6 2 設計的收獲體會 17 致 謝 18 參考文獻 18 附錄 數字電子鐘電路總圖 19 1 前言 數字電子鐘是一個用數字電路實現的時 分 秒計時的裝置 與機械式時鐘相比 具有更高的準確性 本次的數字電子鐘的設計原理就是一種典型的數字電路 其中還 包括了一些組合邏輯電路和時序電路 本次的數字電子鐘的設計主要目的是為了讓我們更好的掌握數字電子鐘的原理 從而掌握邏輯電路的一些典型運用 學會自己制作電子鐘 通過對數字電子鐘得設計 進一步的了解各種中小規(guī)模集成電路的作用和實用方法 我們這次設計的數字電子鐘 是以 24 小時為一個時間周期 顯示的滿刻度是 23 時 59 分 59 秒 在六位 7 段共陰極 的數碼管上準確顯示其相應的時 分 秒 并設置了三個時間的按鍵 分別控制時間 的移位閃爍 時間的上翻修改 時間的確認 方便認為控制和設置時間 同時為了保 證計時的穩(wěn)定性和計時的準確性我們采用了用 32 768K 的晶體振蕩器來產生時鐘信號 來提供表針時間的基準信號 時 十 位 2 系統(tǒng)總體方案設計 數字電子鐘的整體設計原理框圖如圖一所示 圖 2 1 數 字 電 子 鐘 的 原 理 框 圖 整 個 設 計 的 計 時 周 期 為 24小 時 顯 示 的 滿 刻 度 是 23時 59分 59秒 然 后 自 動 清 零 從 00時 00分 00秒 開 始 重 新 計 時 另 外 還 加 進 了 按 鍵 部 分 的 操 作 方 便 人 們 對 時 間 時 個 位 秒 個 位 秒 十 位 分 個 位 分 十 位 譯碼驅動 譯碼驅動 譯碼驅動 譯碼驅動 譯碼驅動 譯碼驅動 時計數 時計數 分計數 分計數 秒計數 秒計數 分頻器 CD4060 二分頻器晶體振蕩電路 32768HZ 2HZ 1HZ 按鍵一 按鍵三按鍵二 的 控 制 設 置 調 整 秒 信 號 產 生 器 是 整 個 系 統(tǒng) 的 時 基 信 號 它 直 接 決 定 了 計 時 系 統(tǒng) 的 精 度 在 這 次 設 計 中 采 用 的 是 石 英 晶 體 振 蕩 器 加 分 頻 器 來 實 現 將 得 到 的 標 準 信 號 1HZ送 入 秒 計 數 器 中 秒 計 數 器 采 用 的 是 60進 制 的 計 數 器 每 累 計 都 60秒 得 時 候 就 會 發(fā) 出 一 個 分 脈 沖 信 號 該 信 號 將 作 為 分 計 數 器 的 時 鐘 脈 沖 分 計 數 器 也 是 采 用 的 60進 制 的 計 數 器 每 累 計 到 60分 鐘 發(fā) 出 一 個 時 脈 沖 信 號 該 信 號 將 被 作 為 時 脈 沖 時 鐘 脈 沖 式 計 數 器 采 用 的 24進 制 的 計 數 器 這 樣 就 可 以 實 現 一 天 24小 時 的 累 計 2 1 方案比較 方案一 555 構成的多謝振蕩器 如圖二 由于 f 1 43 R1 2R2 C1 我們可以通過調整 R1 R2 C1 的值 改變其輸出的頻率 圖 2 2 方案二 晶體振蕩器分頻電路石英晶體振蕩電路 1 采用頻率 fs 32768HZ 的石英晶體 圖三 D1 D2 是反向器 D1 用于振蕩 D2 用于緩沖整形 Rf 為反饋電電阻 10 100M 反饋電阻的作用為 COMS 反相器提供偏置 使其工作在放大狀態(tài) 電容 C1 C2 與晶體共同構成 pi 型網絡 完成對振蕩器頻率的控制 并提供必要的 180 度相移 最后輸出 fs 32768HZ 圖三 2 多級分頻電路 將 32768HZ 脈沖信號輸入到 CD4060 如圖四 CD4060 的引腳圖介紹 組成 的脈沖振蕩的 14 位二進制計數器 所以從最后一級 Q14 輸出的脈沖信號頻率為 32768 16384 2HZ 再經過二次分頻 得到最后的 1HZ 的標準信號脈沖 即秒脈 沖 如圖五 就是所得到最后的脈沖信號 圖四 CD4060 引腳圖 圖五 1HZ 的信號產生的波形 2 2 方案選擇 1 采用 555 多謝振蕩器 優(yōu)點 555 內部的比較器靈敏度較高 而且采用差分電路形式 它的振蕩頻率受電 源電壓和溫度變化的影響很小 缺點 要精確的輸出 1HZ 的脈沖 對電容和電阻的數值精度要求很高 所以輸出 脈沖既不夠準確也不夠穩(wěn)定 2 采用晶體振蕩分頻電路 優(yōu)點 由于晶體的阻抗頻率響應可知 它的選頻特性非常好 有一個極為穩(wěn)定 的串聯諧振頻率 fs 且等效品質因數 Q 很高 只有頻率為 fs 的信號最容易通過 且其他頻率的信號均會被晶體所衰減 3 比較的結果 由于振蕩器是數字鐘的核心 振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數字鐘計時的準 確程度 為了達到設計要求 獲得更高的計時精度 我們在設計中選用了方案二即用晶體振蕩 器構成振蕩電路 一般來說振蕩器的頻率越高 計時精度就越高 如圖六 圖六 3 單元模塊設計 3 1 時間計數電路的設計 將分頻器產生的標準基信號即秒信號經過秒計數器 分計數器 時計數器 分別 得到 秒 個位 十位 分 個位 十位以及 時 個位 十位的計時輸出信號 然 后送至譯碼顯示電路 以便實現用數碼管顯示時 分 秒的要求 在設計中 秒 和 分 的計數器應該為六十進制的計數器 而 時 計數器應該為二十四進制的計數 器 在設計中采用的 10 進制的計數器 74LS160 來實現時間的計數單元的計數功能 74LS160 的芯片引腳圖如圖七所示 圖七 74LS160 引腳圖 P0 P1 P2 P3 計數器的輸入端 QO Q1 Q2 Q3 計數器的輸出端 CEP CET 計數器的計數端 CP 計數器的觸發(fā)端 TC 計數器的進位端 R 計數器的清零端 PE 計數器的置數端 74LS160 計數器是同步計數 異步清零 表 1 是 74LS160 的邏輯表 計數器部分計數的原理圖八 圖八 計數器的原理圖 此圖為 秒 計數器部分 用兩片 74LS160 來構成 60 進制的計數器 由于 160 本 身就是 10 進制的計數器 故在 秒 個位當自動的加到 10 時就會自動清零 同時向 秒 十位的計數器的進位 在這片 160 當 秒 十位和個位分別顯示到 5 和 9 時向下一級的 分 計數器進位 同理當 分 的十位和個位分別顯示 5 和 9 時向 時 計數器進位 當 時 計數器的十位和個位分別顯示 2 和 4 時 用反饋清零的方法將其清零 其 分 計數器 時 計數器的原理圖同 秒 計數器 的原理圖大致相同 3 2 譯碼顯示電路 設計中 時 分 秒 的顯示是選擇共陰極的七段數碼管顯示的 共陰極七 段數碼管譯碼顯示電路是將計數器輸出的 8421BCD 碼譯成數碼顯示所需要的高低電平 其引腳如圖九 在譯碼顯示電路中采用的是 CD4511 7 段譯碼驅動器 其芯片的引腳如 圖十 譯碼器的 A B C D 分別與十進制的計數器的四個輸出端相連接 a b c d e f g 即為驅動七段數碼管的信號 其根據 A B C D 所得的計數信號 數碼管就顯示出相對 應的字型 圖九 共陰極七段數碼管的引腳圖 圖十 CD4511 的引腳圖 其中 A B C D BCD 碼得輸入端 a b c d e f g 譯碼的輸出端 輸出為 1 有效 用來驅動共陰極 LED 數碼管 LT 測試輸入端 LT 0 時 譯碼輸出全為 1 BI 消隱輸入端 BI 0 時 譯碼輸出全為 0 LE 鎖定器 LE 1 時譯碼器處于鎖定 保持 狀態(tài) 譯碼器輸出保持在 LE 0 時的數值 LE 0 為正常譯碼 其譯碼的顯示電路如圖十一所示 圖十一 譯碼器的驅動顯示電路 3 3 三個按鍵的電路 本次設計還用到了按鍵部分 設計中用到了三個按鍵 其功能分別是移位并閃爍 時間的上翻 時間的確定 設置這三個按鍵的目的其主要是為了人們能很好的控制和 調整時間 方便人們對時間的調整 按鍵部分主要是采用各種邏輯門與計數芯片 譯 碼芯片的有理結合來實現各個按鍵的功能的 如圖十二 圖十二 三個按鍵 3 3 1 按鍵一 光標的移位與閃爍 以為部分 下之后計數器停止計數即在這里給 秒 計數器輸入的無效的信號脈 沖 此時數碼管保持先前記下的時間不在走動 采用計數器 160 和譯碼器 138 的結合 給計數器 160 送一個初始數 1 即此時 D3D2D1D0 0001 將計數器的 Q2Q1Q0 分別與 138 的輸入端 CBA 相連接 且在 138 輸出端的 Y0 接一個反相器保證在正常的情況下計數器 能正常的計數 將輸出端得 Y0 Y1 Y2 Y3 進行與運算 并將輸出的值與產生的信號 脈沖進行與運算 在未按下按鍵的時候則不會影響到脈沖的正常輸入 計數器的正常 計數 其中 74LS138 的引腳圖如圖十三 圖十三 74LS138 引腳圖 A2 A1 A0 譯碼器的 3 位二進制輸入端 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 譯碼器的 8 個輸出信號 并且輸出的均為低 電平有效 S3 S2 S1 譯碼器的三個使能端 當 S1 1 且 S2 0 S3 0 時 譯碼器處于正常 的工作狀態(tài) 閃爍部分 由于要使光標移位 需要判斷以為在了那只數碼管上 所以想到使數 碼管閃爍的方法 產生明顯的視覺效果從而準確的判斷需要改變那只數碼管的時間值 考慮到譯碼器 CD4511 的一個使能端 BI 當 BI 為高電平的時候會產生消隱的現象 故 在使數碼管閃爍的這一功能 選擇從譯碼器尋找方法 數碼管的閃爍與高低脈沖相連 當按鍵一被按下之后 譯碼器 138 的輸出端 Y1 Y2 Y3 的值不斷的變化且有且只有一個為有效的點平 0 當它們分別與信號脈沖 進行或運算后輸出的的結果取決與信號脈沖 當脈沖為高點平的時候則數碼管就熄滅 當脈沖輸出的是低電平的時候數碼管就點亮 如此的亮滅亮滅 從而達到視覺上的 數碼管的閃爍功能 按鍵一電路如圖十四 十五 十六 圖十四 計數器與 138 的結合 圖十五 與運算產生 kk 控制信號脈沖 圖十六 光標的閃爍 3 3 2 按鍵二 時間的上翻讓時間得到修改 按鍵二的功能主要是修改時間 在這里讓時間上翻改變即當按鍵二被按下一次對 應閃爍的數碼管的值就加一次 一直到所得的值是我們自己想要的值為止 按鍵二必 須在按鍵一被按下之后才有效 故當按鍵一被按下后譯碼器 Y1 Y2 Y3 有且有一個 輸出的是有效的低電平 按鍵二被按下后也會得到一個有效的低電平 將 Y1 Y2 Y3 分別與按鍵二得到的低電平進行或運算 并在得到的結果后面加一個反 相器 這樣就只有當輸出的值均為 0 時才能得到 1 這樣就可以得到三個信號 clk1 clk2 clk3 同時要使計數器加數 只要給相應的計數器輸入有效的正脈沖就可 以了 故在設計中將得到的三個信號對應的與計數器的脈沖輸入相連接 如圖十七 圖十七 產生有效的信 3 3 3 按鍵三 確定 按鍵三的功能就是確定鍵即恢復正常有效的脈沖信號 讓計數器正常的計數 譯碼器正常的譯碼 數碼管正常的顯示時間 使按鍵部分的那些功能都消失 當按鍵 三被按下后即馬上得到一個低電平的信號 將按鍵三得到的信號與計數器的清零端相 連接 即可控制其的能否正常工作 從而讓輸出的 kk 為高電平 這樣在 kk 與產生的 信號脈沖進行與運算的時候就取決于產生的脈沖信號 這樣產生的脈沖信號又恢復成 為有效的脈沖信號 使計數器正常的計數工作 4 系統(tǒng)調試 單個元件的調試 數碼管共陰 共陽的檢測 在 proteus 的仿真軟件中將數碼管的的 a b c d e f g 的任意一段或者幾段置于高電平 數 碼管剩下的另一管腳置于低電平 如果數碼管發(fā)亮且輸出的字符是對應輸入的字符的 那么此數碼管為共陰數碼管 如果數碼管不亮 沒有反應則說明數碼管是共陽的數碼 管 時鐘電路的調試 將晶體振蕩器電路產生的信號脈沖通過 proteus 軟件進行仿真 1 將仿真的示波器記到晶體振蕩電路的波形的輸出端 在示波器上顯示出波 形信號的頻率為 32768HZ 2 再將仿真的示波器接到經過 CD4060 分頻器后的輸出端 得到的輸出波形信 號的頻率為 2HZ 3 最后將仿真里面的示波器接到二分頻器后的輸出端得到的信號波形的頻率 為 1HZ 即為整個設計需要的標準基信號 計數電路的調試 在秒計數器上加入一個標準的 1HZ 脈沖信號 在 proteus 仿真軟件上進行計數器的準 確計數的調試 這部分主要調試的是 秒 計數器 分 計數器的 60 進制得到調試 當 秒 或 分 的計數達到 59 時 秒 或者 分 能夠正確的清零并向前一 計數器進位 其數碼管的顯示如圖十八 圖十八 時間的準確顯示 5 系統(tǒng)功能和指標參數 5 1 系統(tǒng)功能 該電路主要實現了時間的準確計數 在設計中將計數器 74LS160 與譯碼器 CD4511 計數器 74LS160 和譯碼器 74LS138 分頻器與晶體振蕩電路有效的集中在了一起 得到 比較準確的時間顯示 此外 加上三個按鍵的設置 方便了人們隨時對時間的調整 從而更好的控制時間 5 2 系統(tǒng)指標參數 1 基信號的頻率 1HZ 2 電路供電 5v 3 工作溫度范圍 co0o7 6 設計總結和體會 6 1 設計總結 本次課程設計經過為期 2 周的不懈努力 目前基本達到了預期的要求 能夠準確 的以一秒為周期的在數碼管上顯示時間 并且三個按鍵也能準確的實現它們各自的功 能 讓人們能很好的調節(jié)時間 在設計中所采用的各個芯片都在運行很好的實現了它 們各自在設計中的功能作用 整個設計的原理簡單 可靠性能高 成本低 功能很容 易實現 并且實現的效果也非常的良好 6 2 設計的收獲體會 由于這次設計是在放假期間獨立完成的 所以在各模塊之間的銜接上 以及某些 參數的確定上可能還存在一定的問題 但通過這次設計 收獲也頗多 總體上來說這次設計電路原理其實不難 但是在設計過程雖然很多東西自己明白 該那么做 但是在真正的運用中卻是實在是無從下手 遇到的很多小問題比自己想象 中的要復雜得很多 讓自己懷疑是不是考慮錯了或者是走錯了方向 在設計中 很多 芯片的功能是自己不是很熟悉的 不同芯片之間的銜接更是讓自己感到陌生 比如 在晶體振蕩電路中產生的 32768HZ 的信號與分頻器 CD4511 的鏈接 分頻的原理對當時 設計自己來說是很模糊的 但是通過詢問同學和老師后讓自己對分頻的原理有了了解 并且還從很多的方法中選擇了 32768HZ 的晶體振蕩器和 CD4511 分頻器來產生標準的基 信號 在計數器的選擇上 雖然自己對這部分比較熟悉 但是當真正的接觸它時 才 知道很多的東西不是自己想象中的那樣容易 很多的小錯誤就讓自己感到寸步難行 通過不斷的查閱資料了解選擇了十進制的 74LS160 實現了準確的計數功能 在按鍵部 分 這是整個設計讓我受益最多的部分 按鍵部分是自己在設計最后才做的部分 剛 開始真的是無從下手 感覺考慮的東西很多 而且很多的東西自己又不會 在老師和 同學的幫助下才讓自己有了一個比較清晰的思路 在設計中將計數器 74LS160 和譯碼 器 74LS138 有機的結合來實現了三個按鍵的基本功能 通過這次的設計讓自己熟悉了很多東西 學會了很多東西 學習了自己已經學過 的東西 也學習了自己沒有接觸過的東西 對計數器 74LS160 譯碼器 74LS138 CD4511 分頻器 CD4060 都有了一個很清楚的認識 同時不但對這次設計中使 用到的芯片自己有了了解 對其他得芯片如 74LS190 74LS161 觸發(fā)器等也有了解 和認識 對設計中的芯片的其他功能也有所了解 如 計數器在一定的時候也可以做 為分頻器使用等 這次為期兩周的課程設計 讓我對各種電路有所了解 也讓我了解了關于數字時 鐘的原理和設計理念 通過自己的親手實踐 才讓我認識到自己的不足 所以說 坐 而言不如立而行 對于這些電路和連接還是需要自己親手的實際操作才會真正的了解 和掌握 才會有深刻的印象 致 謝 在這里我首先要感謝我們這組的指導老師林竟力老師對我們的設計過程中的細心 指導 在設計和論文寫作過程中 得到了老師的指點和點撥 使得我的理論和實踐操 作能力都得到了提高 同時也要感謝我們這和我一起合作的組員以及在我設計過程中 遇到問題請教的同學 他們的虛心幫助和提醒也是讓我的設計能順利的完成的重要原 因之一 參考文獻 1 康華光 電子技術基礎 模擬部分 第五版 北京 高等教育出版社 2006 1 2 康華光 電子技術基礎 數字部分 第五版 北京 高等教育出版社 2006 1 3 徐學彬 電子技術實驗指導書 四川成都 西華大學電工電子實驗中心 2010 10 4 謝自美 電子線路設計 實驗 測試 第三版 華中科技大學出版社 2006 8 附錄 數字電子鐘電路總圖 數字電子鐘的總電路圖