數(shù)電課程設(shè)計(jì)---數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

1、<p>　　數(shù)電課程設(shè)計(jì)---數(shù)字鐘設(shè)計(jì)</p><p>　　[摘要]數(shù)字鐘原理是由晶體管振蕩器電路產(chǎn)生多諧震蕩，經(jīng)過分頻器分頻后輸出穩(wěn)定的秒脈沖，作為時(shí)間基準(zhǔn)。秒計(jì)數(shù)器滿60向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器滿60向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器以24為一個周期，并實(shí)現(xiàn)了小時(shí)高位具有零熄滅的功能。計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送到顯示器，可在相應(yīng)位置正確顯示時(shí)、分、秒。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差或者調(diào)整時(shí)間時(shí)可以用校時(shí)電路進(jìn)行時(shí)、分的調(diào)整

2、，并實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的使用，使得數(shù)字鐘的精度、穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)械鐘表</p><p>　　[關(guān)鍵詞]數(shù)字時(shí)鐘、分頻器、譯碼器、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)</p><p><b>　　一.設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　掌握數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)原理</p&

3、gt;<p>　　熟悉集成電路的引腳安排，及掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。</p><p>　　了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。</p><p>　　掌握組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路及數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、測試方法。</p><p>　　進(jìn)一步鞏固所學(xué)的理論知識，提高運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決實(shí)際問題的能力。</p><p>　

4、　提高電路布局﹑布線及檢查和排除故障的能力。</p><p>　　二．設(shè)計(jì)要求1.基本要求如下：</p><p>　　時(shí)鐘顯示功能，能夠十進(jìn)制顯示“時(shí)”、“分”、“秒”。</p><p>　　小時(shí)高位具有零熄滅功能。</p><p><b>　　具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。</b></p><p>　　具

5、有快速校準(zhǔn)時(shí)間的功能。</p><p><b>　　2. 提高要求</b></p><p><b>　　校時(shí)時(shí)相應(yīng)位閃爍。</b></p><p>　　能夠設(shè)置多個起鬧點(diǎn)。</p><p><b>　　3.設(shè)計(jì)指標(biāo)</b></p><p>　　畫出電路原

6、理圖(或仿真電路圖); </p><p>　　元器件及參數(shù)選擇; </p><p><b>　　電路仿真與調(diào)試; </b></p><p>　　PCB文件生成與打印輸出. </p><p>　　4.制作要求 自行裝配和調(diào)試,并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題.</p><p>　　計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度，每天計(jì)時(shí)誤差不超

7、過1s。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)24小時(shí)計(jì)時(shí)功能。</p><p>　　蜂鳴器在59分50秒開始報(bào)時(shí)，并持續(xù)響10秒</p><p>　　快速校準(zhǔn)時(shí)間的功能。</p><p><b>　　三．設(shè)計(jì)原理</b></p><p><b>　　總體框圖設(shè)計(jì)</b></p&

8、gt;<p><b>　　1.總體原理說明</b></p><p>　　數(shù)字鐘實(shí)際上是一個對標(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校時(shí)電路,同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定.通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘.上圖所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖. </p><p>　　數(shù)字電

9、子鐘的邏輯框圖如圖所示。它由頻率為32.768khz的晶體振蕩器構(gòu)成的振蕩電路、分頻器、計(jì)數(shù)器、顯示器和校時(shí)電路組成。晶體振蕩器構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生的信號經(jīng)過分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果通過“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器顯示時(shí)間。</p><p>　　2.各個部分電路原理</p><p>　?、啪w振蕩器電路　　</p><p>　　晶體振蕩器電路給數(shù)字

10、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(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振蕩器電路。</p><p><b>　?、品诸l器電路</b></p><p>　　分頻器電路將32768Ｈz的高頻方波信號經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。</p>

11、<p>　?、菚r(shí)間計(jì)數(shù)器電路　　</p><p>　　時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。</p><p><b>　?、茸g碼驅(qū)動電路　　</b></p><p>　

12、　譯碼驅(qū)動電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。</p><p><b>　?、蓴?shù)碼管　　</b></p><p>　　數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)提供的為LED數(shù)碼管。</p><p><b>　　四．功能模塊設(shè)計(jì)</b

13、></p><p><b>　　1.校時(shí)模塊</b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　采用開關(guān)實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能。</p><p>　　如上圖所示，通過開關(guān)的閉、合產(chǎn)生的高低電平，給計(jì)數(shù)器一個上升沿，調(diào)整時(shí)間的顯示，實(shí)現(xiàn)校時(shí)的功能。</p><p

14、><b>　　方案二：</b></p><p>　　下一級的進(jìn)位信號不直接加到上一級的脈沖輸入端，而是通過一個三態(tài)門來控制其是否接入到上一級的脈沖輸入端。校時(shí)信號也是通過一個三態(tài)門然后再接到計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端。然后通過譯碼器構(gòu)成的數(shù)據(jù)選擇器選擇對哪一個進(jìn)行校時(shí)。這樣可以避免將兩線直接接到計(jì)數(shù)器脈沖輸入端對下一級的產(chǎn)生強(qiáng)行置數(shù)的現(xiàn)象。</p><p><b&

15、gt;　　方案論證</b></p><p>　　方案一結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本。但是只能從低位向高位逐步調(diào)整，以避免低位調(diào)整對高位的影響，靈活性差。方案二結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。但是可以方便地對任意位校準(zhǔn)時(shí)間，靈活性高。</p><p>　　考慮到實(shí)際生活中，時(shí)鐘一旦調(diào)整之后就很少會再次調(diào)整，為了降低成本，降低電路復(fù)雜度，采用方案一。</p><p><b&g

16、t;　　2.計(jì)時(shí)模塊</b></p><p><b>　　時(shí)間計(jì)數(shù)單元</b></p><p>　　時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個部分。</p><p>　　時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為１２進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，其輸出為兩位８４２１ＢＣＤ碼形式；分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為６０進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為８４２１ＢＣＤ碼。</p>&l

17、t;p><b>　　1）分秒產(chǎn)生電路</b></p><p><b>　　圖</b></p><p>　　a. 上圖部分是秒個位的進(jìn)位與清零電路。</p><p>　　b.分個位、分十位的進(jìn)位與清零電路與秒個位、秒十位的電路原理類似。</p><p>　　3. LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)<

18、/p><p>　　LED數(shù)碼顯示器是1種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點(diǎn)。LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：</p><p>　?。?）共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時(shí)公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陰極端輸入低電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平時(shí)則不

19、點(diǎn)亮。</p><p>　?。?）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時(shí)公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陽極端輸入高電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平時(shí)則不點(diǎn)亮。</p><p>　　4.時(shí)高位零熄滅功能實(shí)現(xiàn)</p><p>　　如下圖所示，當(dāng)時(shí)十位輸出0（即0000）時(shí)，當(dāng)時(shí)十位輸出大于0時(shí)，通過或門輸出高電

20、平，使其正常工作，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)高位零熄滅功能。</p><p><b>　　5.報(bào)時(shí)模塊</b></p><p><b>　　譯碼顯示模塊</b></p><p>　　如下圖，將分頻器產(chǎn)生的輸出信號通過74LS48譯碼器，驅(qū)動共陰極數(shù)碼管，顯示數(shù)字。</p><p>　　圖3-13 譯碼器與數(shù)碼管&l

21、t;/p><p><b>　　第四部分</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　開始時(shí)候我打算用555來產(chǎn)生時(shí)鐘信號，原因是方便且用的芯片較少，但后來拿到原件后換成晶振了。雖然有些麻煩，但還是在面包板上把振蕩電路搭出來了。在開始調(diào)試工程中也出現(xiàn)了一些問題，比如秒和分鐘的個位進(jìn)位變成了逢8進(jìn)1而不

22、是十進(jìn)一，后來發(fā)現(xiàn)這個問題在EWB仿真過程中竟然就已存在了，而由于疏忽在仿真初期并沒有發(fā)現(xiàn)這一問題。而經(jīng)過研究元件原理后，問題的原因在于90和160的時(shí)鐘信號一個是上升沿有效，而另一個是下降沿有效。最終的解決方案是把輸入的信號經(jīng)過一個與非門再輸出，從而有效的將脈沖信號取反，從而解決問題。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，我經(jīng)歷了一個實(shí)用的電路從設(shè)計(jì)，到EWB仿真，到選擇元件，安裝，調(diào)試等一系列過程。感覺自己

23、進(jìn)步了不少，知道了很多書本上學(xué)不到的知識，比如說對于不知道的芯片，可以去網(wǎng)上下載它的datasheet，了解它的功能。</p><p>　　我覺得布線是我們這個作品的一個缺陷之一，由于之前發(fā)的導(dǎo)線用完了，而臨時(shí)借不到同樣的導(dǎo)線，我們就用了細(xì)導(dǎo)線，其缺陷是這種線軟不容易固定，也就導(dǎo)致了后來的排線有些混亂，有礙了美觀，但不影響電路正常工作。</p><p>　　另外仿真軟件的選擇也存在問題。開

24、始我是使用Multisim 11.0 進(jìn)行仿真，但發(fā)現(xiàn)在74LS48與8端口數(shù)碼管連接時(shí)候，不管怎么設(shè)置數(shù)碼管就是不工作，但同樣的圖在EWB中卻可以正常使用。而EWB在我操作系統(tǒng)VISTA中存在兼容性問題，如打不開元件介紹、元件庫缺乏部分芯片資料等等，但這次卻只能使用EWB，也是無奈之舉。</p><p>　　對于對課程設(shè)計(jì)的建議，使用面包板進(jìn)行電路設(shè)計(jì)有利也有弊，連接電路時(shí)候可能比焊接電路板方便一些，并且連錯的

25、電路修改起來也很方便，但實(shí)際生產(chǎn)中都是做電路板然后焊接的，面包板連接電路跟實(shí)際還是有點(diǎn)差距的。用面包板較焊接電路板來說節(jié)約了一些時(shí)間，但其實(shí)焊接板用途更廣，更方便，比如面包板在設(shè)計(jì)二維復(fù)雜電路時(shí)候會非常麻煩，很浪費(fèi)空間，但焊接的電路板不存在這個問題，設(shè)計(jì)更為自由。我們經(jīng)過了電工實(shí)習(xí)，對焊接電路也有了一定的心得，如果能再鍛煉一下效果會更好。</p><p>　　最后感謝老師的耐心指導(dǎo)，學(xué)長學(xué)姐的熱心幫助。</

26、p><p><b>　　元器件清單</b></p><p>　　74LS00集成塊2塊。</p><p>　　74LS30集成塊1塊。</p><p>　　74LS32集成塊1塊。</p><p>　　74LS48集成塊6塊。</p><p>　　74LS90集成塊2塊。<

27、;/p><p>　　74LS160集成塊4塊。</p><p>　　CD4060集成塊1塊。</p><p>　　74HC74 集成塊1塊。</p><p><b>　　22MΩ電阻5個。</b></p><p><b>　　22p電容2個。</b></p><

28、;p>　　32.768k時(shí)鐘晶體1個。</p><p>　　共陰八段數(shù)碼管6個。</p><p><b>　　蜂鳴器1個。</b></p><p><b>　　開關(guān)4個</b></p><p><b>　　面包板1塊。</b></p><p>&l

29、t;b>　　導(dǎo)線若干。</b></p><p><b>　　使用的儀器、工具</b></p><p><b>　　示波器。</b></p><p><b>　　萬用表。</b></p><p><b>　　5V電源。</b></p&