數(shù)字電子鐘課程設計報告 (2)

1、<p>　　數(shù)字電子鐘課程設計報告</p><p>　　題目：設計數(shù)字電子鐘</p><p><b>　　專業(yè)</b></p><p><b>　　姓名：</b></p><p><b>　　指導老師：</b></p><p><b>

2、;　　時間：</b></p><p><b>　　設計技術參數(shù)</b></p><p>　　1．時制式為24小時制。</p><p>　　2．采用LED數(shù)碼管顯示時、分，秒采用數(shù)字顯示。</p><p>　　3．具有方便的時間調校功能。</p><p>　　4．計時穩(wěn)定度優(yōu)于10-4

3、，可精確校正計時精度。</p><p>　　5．交流220V供電，但停電24小內要維持正常計時（停電可不顯示時間）。</p><p>　　6．其它附加功能（顯示星期、報時、停電查看時間）。</p><p><b>　　設計原理及其框圖</b></p><p><b>　　數(shù)字鐘的構成</b><

4、/p><p>　　附圖 SZZ-1數(shù)字鐘的構成框圖</p><p>　　數(shù)字鐘是一個將“ 時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒，另外應有校時功能和一些顯示星期、報時、停電查看時間等附加功能。因此，一個基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”，“分”，“秒”，“星期”計數(shù)器、校時電路、報時電路和振蕩器組成。干電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生

5、器、“時、分、秒、星期”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)。將標準秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖。“分計數(shù)器”也采用60進制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”。“時計數(shù)器”采用24進制計時器，

6、可實現(xiàn)對一天24小時的累計。每累計24小時，發(fā)出一個“星期脈沖”信號，該信號將被送到“星期計數(shù)器”，“星期計數(shù)器” 采用7進制計時器，可實現(xiàn)對一周7天的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”、“星期”計數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼</p><p><b>　　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)定準確的32768Hz的

7、方波信號，此外還有一校正電容可以對溫度進行補償，以提高頻率準確度和穩(wěn)定度，使穩(wěn)定度優(yōu)于10-4，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(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>　　分頻器電路</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的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器

8、實際上也就是計數(shù)器。</p><p><b>　　時間計數(shù)器電路</b></p><p>　　時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器、時個位和時十位計數(shù)器及星期計數(shù)器電路構成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，時個位和時十位計數(shù)器為24進制計數(shù)器，星期計數(shù)器為7進制計數(shù)器。</p><p><

9、;b>　　譯碼驅動電路</b></p><p>　　譯碼驅動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉換為數(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>　　數(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，本設計提供的為LED數(shù)碼管。<

10、;/p><p><b>　　直流穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。本設計采用的直流穩(wěn)壓電源，輸入為220V的交流電，輸出為5V左右的穩(wěn)定電壓。</p><p>　　2．數(shù)字鐘的工作原理</p><p><b>　

11、　晶體振蕩器電路</b></p><p>　　晶體振蕩器是構成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。附圖SZZ-2所示電路通過CMOS非門構成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構成晶體振蕩器電路，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

12、的反相放大器。電容C1、C2與晶體構成一個諧振型網(wǎng)絡，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構成一個正反饋網(wǎng)絡，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確</p><p>　　晶體XTAL的頻率選為32768Hz。該元件專為數(shù)字鐘電路而設計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。其中C1的值取5~20 pF，C2為30pF。C1作為校正電容可以對

13、溫度進行補償，以提高頻率準確度和穩(wěn)定度。</p><p>　　由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為1MΩ~10MΩ。</p><p>　　本設計中取10MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。</p><p>　　附圖SZZ-2晶體振蕩器電路</p><p><b>　　分頻器電路</b><

14、;/p><p>　　因為，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到１Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級2進制計數(shù)器來實現(xiàn)。將32768Hz的振蕩信號分頻為１Hz的分頻倍數(shù)為32768（215），即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當于15極2進制計數(shù)器。這里用一個14級2進制計數(shù)器和一個1級2進制計數(shù)器。</p><p>　　2進制計數(shù)器我們

15、采用CMOS管CD4013B。CD4013B其實是一個雙D型觸發(fā)器。它是由兩個相同的、獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器組成。每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)、置位、復位、時鐘輸入和Q和輸出。在時鐘脈沖正變化沿時預置在D輸入的邏輯電平轉換至Q輸出。時鐘置位和復位是獨立的，分別通過在置位或復位線上高電平完成。附圖SZZ-3是CD4013B的管腳圖。</p><p>　　附圖SZZ-3 CD4013B的管腳圖</p><p

16、>　　本設計中采用CD4060來構成14級分頻電路。附圖SZZ-4是CD406的 管腳圖。CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計數(shù)為14級2進制計數(shù)器，可以將32768Hz的信號分頻為2Hz，CD4060的時鐘輸入端兩個

17、串接的非門，因此可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。12號管腳R是復位清零端，高電平有效，（復位全部級）。在CP1（CP0）每個負變換計數(shù)器前進一個二進制數(shù)。從3號管腳出來的頻率就是2Hz，當然從2號管腳出來的頻率就是4Hz，依次類推。</p><p>　　附圖SZZ-4是CD406的管腳圖</p><p>　　有上面晶體振蕩器電路和分頻器電路的分析，我可以畫出它們之間的連接圖，即是我們所需要的

18、時鐘脈沖1Hz的產(chǎn)生電路。見附圖數(shù)字電子鐘整機圖。其中2Hz的信號我們可用于調校電路。</p><p><b>　　時間計數(shù)單元</b></p><p>　　時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)、秒計數(shù)和星期計數(shù)等幾個部分。時計數(shù)單元一般為24進制計數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計數(shù)和秒計數(shù)單元為60進制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼；星期計數(shù)單元為7進制計數(shù)

19、器，其輸出也為兩位8421BCD碼形式。</p><p>　　一般采用10進制計數(shù)器來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選CD4518，附圖SZZ-5為CD4518的管腳圖。</p><p>　　附圖SZZ-5為CD4518的管腳圖</p><p>　　CD4518是一只雙BCD10進制計數(shù)器，它內含兩個獨立的計數(shù)單元，有兩個計數(shù)脈沖輸入端，上升沿觸

20、發(fā)端CP和下降沿觸發(fā)端，若用CP來觸發(fā)，則接高電平；若用來觸發(fā)，則CP接高電平。有4個輸出端Q4~ Q1，一個清零端R，加高電平計數(shù)器清零，各輸出端為0。在本電路中，第一組計數(shù)器IC1-1用來作秒個位計數(shù)，輸出端為1Q4~ 1Q1，計數(shù)范圍為0000~1001循環(huán)。每當計數(shù)到1001（相當于10進制數(shù)的9）時，再輸入一個計數(shù)脈沖則會變?yōu)?000，這時IC1-1的1Q4由高電平變低電平輸出一個負跳變脈沖到2，作為進位脈沖使第二組計數(shù)器IC

21、1-2作一次秒十位的計數(shù)。同時IC1-1開始作下一個計數(shù)循環(huán)。秒十位計數(shù)為6進制（可以通過導線連接使10進制變?yōu)?進制。實現(xiàn)原理：輸出端2Q42Q32Q22Q1要從0101跳變到0000, 中間經(jīng)過一個瞬間狀態(tài)0110。 這時我們只須將2Q3、2Q2兩端經(jīng)過一個二輸入與門CC4081（管腳圖見附SZZ-6）輸出到1R和2R端。）輸出端為2Q4~ 2Q1，計數(shù)范圍為0000~0101循環(huán)。每當計數(shù)到</p><p>

22、;　　附圖SZZ-6 CC4081管腳圖</p><p>　　0101（相當于10進制數(shù)的5）時，再輸入一個計數(shù)脈沖則會變?yōu)?000，這時IC1-2的2Q32Q2兩端經(jīng)過一個二輸入與門CD4081B輸出端再送到IC2-1的1CP端，作為進位脈沖使IC2-1作一次分個位的計數(shù)。同時IC1-2開始作下一個計數(shù)循環(huán)。同理分計數(shù)的實現(xiàn)原理與秒計數(shù)的實現(xiàn)原理一樣，用第三組計數(shù)器IC2-1作分個位計數(shù)，用第四組計數(shù)器IC2-

23、2作分十位計數(shù)。第三片CD4518作為時計數(shù)器，但 </p><p>　　附圖SZZ-7 CC4073的管腳圖</p><p>　　要設置為24進制。由IC2-2的2Q32Q2兩端經(jīng)過一個二輸入與門CD4081B輸出端送到IC2-1的1CP端，作為進位脈沖使IC3-1作一次時個位的計數(shù)。計數(shù)范圍也是0000~1001循環(huán)，當計數(shù)由1001變?yōu)?000輸出

24、一個負跳變脈沖到2，作為進位脈沖使第六組計數(shù)器IC3-2作一次時十位的計數(shù)。因為我們要求時間由23：59：59能跳到00：00：00。所以當?shù)诙珻D4518向第三片CD4518再發(fā)一次脈沖時，第三片的輸出端2Q42Q32Q22Q11Q41Q31Q21Q1要從00100011跳變到00000000，中間經(jīng)過一個瞬間狀態(tài)00100100。這時我們只須將2Q21Q3兩端經(jīng)過一個二輸入與門CD4081B輸出到1R、 2R端和IC4-1的1CP

25、端，輸出到IC4-1的1CP端的信號作為進位脈沖使IC4-1作一次星期的計數(shù)。同時IC3-2開始作下一個計數(shù)循環(huán)。星期計數(shù)為7進制也要通過導線連接使10進制變?yōu)?進制。實現(xiàn)原理：輸出端1Q41Q31Q21Q1要從0110跳變到0000, 中間經(jīng)過一個瞬間狀態(tài)0111。這時我們只須將1Q31Q21Q1三端經(jīng)過一個三輸出與門CD4073B</p><p>　　附圖SZZ-8 CC4075的管腳圖</p>

26、<p><b>　　譯碼顯示</b></p><p>　　通過上面的分析，我只需要4片CD4518和1片二輸入與門CD4081B就可以實現(xiàn)時間的計數(shù)功能。但這也僅是計數(shù)，我們還要通過譯碼器譯碼送往數(shù)碼管才能顯示出來。</p><p>　　CD4511是將鎖存、譯碼、驅動三種功能集于一身的“三合一”電路。鎖存器的作用是避免在計數(shù)過程中出現(xiàn)跳數(shù)現(xiàn)象，便于觀察和

27、記錄。譯碼器將BCD碼轉換成7段碼，再經(jīng)過大電流反相器，驅動共陰極LED數(shù)碼管。譯碼器屬于非時序電路，其輸出狀態(tài)與時鐘無關，僅取決于輸入的BCD碼。CD4511的管腳圖如附圖SZZ-9所示, D～A為BCD碼輸入端, a～g是7筆段輸出端. 為燈測試端, 當＝1時正常顯示，當＝0時LED數(shù)碼管顯示全亮筆段“8”，可檢查數(shù)碼管的質量好壞，有無筆段殘缺現(xiàn)象。為強迫消隱控制端，當＝1是正常顯示，當＝0時強迫顯示器消隱。LE為鎖存控制端，當LE

28、＝0時選通，LE＝1時鎖存。從執(zhí)行邏輯功能的先后順序講，具有第一優(yōu)先權，無論其他輸入端為何種狀態(tài)，只要＝0，LED就顯示全亮筆段。具有第二優(yōu)先權，只要滿足＝1、＝0的條件，就強迫顯示器消隱。4個輸入端A、B、C、D分別與計數(shù)器CD4518的Q1~ Q4 端相連。7個筆段輸出端a~g分別與數(shù)碼管的7個輸入端相連。這樣我們就可以在數(shù)碼管上看到時間了。</p><p>　　數(shù)碼管是由八只發(fā)光二極管組成（其中一只顯示小數(shù)

29、點）。工作時，要求發(fā)光二極管的公共陰極接地。當某一發(fā)光二極管陽極加上高電平時，相應的發(fā)光二極管導通，這一段（或點）就會發(fā)光。若要顯示十進制數(shù)的十個數(shù)碼0~9，只要在相應的字段陽極上加上高電平即可。例如，要顯示5時，則應在a,c,d,f,g各段陽極上加上高電平。為限制個發(fā)光二極管的電流，可在它們的公共陰極上串聯(lián)一只300Ω左右的限流電阻。</p><p>　　附圖SZZ-9CD4511管腳圖</p>

30、<p><b>　　調校電路</b></p><p>　　調校電路我們用三個單刀開關就可以實現(xiàn)。當我們進行調校星期、時或分時，可以把2Hz的脈沖信號通過單刀開關引到星期、時或分的1CP端。具體電路見數(shù)字電子鐘整機電路圖。</p><p><b>　　電源電路</b></p><p>　　本電路要求用220V的交流

31、電供電。而我們的數(shù)字鐘電路需要的是3~18V的直流穩(wěn)定電壓，一般在5V左右。這就要求我們設計一個直流穩(wěn)壓電源，使輸入為220V的交流電，輸出為5V左右的直流穩(wěn)定電壓。其電路圖見附圖SZZ-10。</p><p>　　附圖SZZ-10 直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　220V的交流電網(wǎng)電壓u1經(jīng)過變壓器變成整流電路要求的交流電壓u2,其中整流電路是由四個二極管組成的橋式電路。u2經(jīng)過整流電

32、路輸出的恒定直流分量U=0.9U2,然后通過一個電容進行濾波。虛線框內是三端固定式集成穩(wěn)壓器7806輸出固定電壓的典型電路圖，電路中接入電容C2、C3用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，C4是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的高頻干擾。D為保護二極管，當輸入端短路時，給輸出電容器C4一個放電通路，防止C4兩端電壓作用于調整管的be結，造成調整管be結擊穿而損壞。經(jīng)過穩(wěn)壓后，可在1、2端我們可

33、得到5.3V的穩(wěn)定電壓，1端送到譯碼電路作為電源。2端送到其他電路作為電源。其中電容C5作為停電時用的備用電源，經(jīng)計算(室溫T=25℃時，記時部分工作總平均電流為IDD（Typ）= 0.24μA（CD4060為0.04μA，CD4013B為0.02μA，CD4518為4*0.04μA，CC4081 為0.01μA ，CC4073 為0.01μA），且各芯片最低工作電壓為3V，所以充電電容在沒電的時候充當電源，供記時部分工作，它的電壓&l

34、t;/p><p><b>　　整點報時電路</b></p><p>　　如果在將到整點時，我們要使在離整點差10秒時，每隔1秒鐘鳴一次，每次持續(xù)時間為1秒，共響5秒，前四次為低音512Hz，最后一聲為高音1024Hz。實現(xiàn)電路見整機圖。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　大二

35、時我們學習了數(shù)字電子電路和模擬電子電路，對電子技術有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設計，我們才把學到的東西與實踐相結合。從中對我們學的知識有了更進一步的理解。</p><p>　　在此次的數(shù)字鐘設計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關資料來解決問題的習慣。雖然這只是一次簡單的課程設計，但通過這次

36、課程設計我們了解了課程設計的一般步驟，和設計中應注意的問題。設計本身并不是有很重要的意義，而是同學們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。至于設計的成績無須看的太過于重要，而是設計的過程，設計的思想和設計電路中的每一個環(huán)節(jié)，電路中各個部分的功能是如何實現(xiàn)的。各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應該注意那些要點。同一個電路可以用那些芯片實現(xiàn)，各個芯片實現(xiàn)同一個功能的區(qū)別。另外，我們設計要從市場需求出發(fā)，既要有強大的功能，又要在價格方面比同

37、等檔次的便宜。雖然我們現(xiàn)在作的不可能到市場上去銷售，但我們要為以后作設計培養(yǎng)出好的習慣。</p><p>　　在這次設計過程中，我也對word、photoshop、畫圖板等軟件有了更進一步的了解，這使我在以后的工作中更加得心應手。</p><p><b>　　參考文獻及資料</b></p><p>　　康華光.電子技術基礎模擬部分（第四版）.高

38、等教育出版社，1999年</p><p>　　康華光.電子技術基礎數(shù)字部分（第四版）.高等教育出版社，2000年</p><p>　　李振聲.實驗電子技術.國防工業(yè)出版社，2001年</p><p>　　任為民.電子技術基礎課程設計.中央廣播電視大學出版社，1997年</p><p>　　李良光老師提供的光盤資料</p><