數(shù)字鐘的設(shè)計

1、首頁目標與要求：（1） 掌握數(shù)字鐘的工作原理。（2） 理解數(shù)字電路的設(shè)計方法；（3） 掌握典型集成芯片的功能的使用。（4） 能按課題需要查閱書籍、手冊、圖表和文獻資料；（5）能通過實際電路方案的分析比較、設(shè)計計算、元器件選取和安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計方法。（6）按課程設(shè)計任務(wù)書的要求，自選實踐項目或內(nèi)容，自行設(shè)計方案并完成相關(guān)準備，自助式發(fā)現(xiàn)、分析和解決實踐過程中的問題，自檢實踐結(jié)果；編寫說明書、設(shè)計報告書，能正確繪制電路圖。（7）掌握數(shù)字鐘的組成原理，能設(shè)計出振蕩電路、分頻電路、計數(shù)電路、譯碼顯示電路；并根據(jù)提供的模塊能自行設(shè)計出相應(yīng)的電路；（8）掌握調(diào)試過程

2、和方法：檢查電路、分塊調(diào)試、靜態(tài)調(diào)試、/動態(tài)調(diào)試、整機聯(lián)調(diào)和指標測試。（9）能獨立解決自行設(shè)計過程中遇到的問題。 數(shù)字鐘的設(shè)計設(shè)計任務(wù)書一、題目數(shù)字鐘的設(shè)計二、設(shè)計要求1用中小規(guī)模集成電路設(shè)計一個具有“時”、“分”、“秒”十進制數(shù)字顯示的計時器,并在實驗箱上安裝、調(diào)試.根據(jù)要求自行設(shè)計相應(yīng)的出電路。2具有校時,整點報時功能.3畫出邏輯電路,寫出設(shè)計總結(jié)報告.三、給定條件1直流電源電壓為+5v2晶振頻率為32768hz四、儀器與設(shè)備1脈沖信號發(fā)生器2sr-8型二蹤示波器3數(shù)字邏輯實驗箱4數(shù)字頻率計e312a5萬用表及工具五、元器件及材料1ttl集成電路可供: 74ls00,74ls20,74ls

3、04,74ls74,74ls153,74ls160,74ls190,74ls248,74ls390,74ls393等2cmos集成電路可供:cc4011,cc4012,cc4013,cc4020,cc4511,cc4518,cc4520,cc4543等3顯示器:lc5011,lc5012等。4電阻,電容,導(dǎo)線若干.數(shù)字鐘的理論設(shè)計一、理論設(shè)計的步驟與方法數(shù)字電路裝置是運用數(shù)字電子技術(shù)實現(xiàn)某種功能的電路系統(tǒng).本課程設(shè)計包括:數(shù)字電路的理論設(shè)計即邏輯設(shè)計,安裝調(diào)試,并最后做出符合指標要求的數(shù)字電路裝置.有關(guān)安裝調(diào)試的內(nèi)容在后面介紹. 電路的邏輯設(shè)計,通常稱為電路的預(yù)設(shè)計.1總體設(shè)計 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書

4、的技術(shù)指標要求和給定的條件，選擇總體電路方案。并根據(jù)整機的功能要求，將復(fù)雜的電路分解成若干個較簡單的單元電路，明確各個單元的作用和任務(wù)，畫出整機的原理方框圖。2單元電路的設(shè)計 選擇集成電路的類型，確定單元電路的形式。由于器件的類型和性能各不相同，需用器件的數(shù)量和連接形式也就不一樣，所以應(yīng)將不同的方案進行比較，選擇使用器件少，成本低廉，性能可靠，易于實現(xiàn)的方案，中大規(guī)模專用集成電路不斷涌現(xiàn)。在設(shè)計時，應(yīng)盡量選用新型中大規(guī)模集成電路。關(guān)于數(shù)字邏輯電路的設(shè)計的各種元器件的結(jié)構(gòu)、性能請參考附錄及其它書籍和文獻。3各單元電路之間的連接根據(jù)提供的模塊選定電路后，要認真地解決他們之間的連接，以保證單元電路在

5、電平上、時序上協(xié)調(diào)一致，在電氣性能上應(yīng)該相互匹配，保證各部分邏輯功能得以實現(xiàn)并穩(wěn)定工作。4畫出邏輯電路圖根據(jù)自行設(shè)計的電路，可以繪出整機的邏輯電路圖，圖紙應(yīng)清晰、工整，符合電路圖紙制圖原則：（1）要標明輸入端和輸出端及信號流動的方向。（2）通路盡量用線連接，不便連接的，應(yīng)在斷口兩端標出。互相連通的交叉線應(yīng)打點標出。（3）所使用的元器件符號應(yīng)盡量符合國家標準。5列出元器件清單二、數(shù)字鐘的組成和原理數(shù)字鐘一般由石英振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器/驅(qū)動器、顯示器以及校時和報時等幾部分組成。這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣泛的基本電路。邏輯框圖如圖3-1-1所示，石英晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號送到分頻器，分頻

6、器將振蕩器輸出的脈沖信號分成每秒一次（1hz）的方波作為秒脈沖，秒脈沖信號送入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計的結(jié)果通過譯碼以“時”、“分”、“秒”的十進制數(shù)字顯示出來。 “秒”、“分”計數(shù)均由兩級計數(shù)器組成的六十進制計數(shù)電路實現(xiàn)?！皶r”計數(shù)由兩級計數(shù)器組成的十二或二十四進制計數(shù)電路來實現(xiàn)。所有計數(shù)結(jié)果由對應(yīng)的譯碼器和led（或lcd）數(shù)碼管顯示出來。數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)對“時”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計時裝置。由于采用石英技術(shù)，使其走時精度高，穩(wěn)定性能好。如果采用cmos集成電路，可使電路的耦電極低。 圖3-1-1數(shù)字鐘電原理框圖方案一：1石英晶體振蕩器振蕩器是計時器的重要組成部分。它主要用來

7、產(chǎn)生時間標準信號，經(jīng)分頻后得到秒時間脈沖。因此數(shù)字鐘的精度取決于石英晶體振蕩器。從數(shù)字鐘的精度考慮，晶振頻率越高，鐘的計時準確度就愈高，但這將使振蕩器的耦電量增大，分頻電路的級數(shù)也要增加，因此一般選取石英晶體頻率為32678hz（或100khz），這樣也便于分頻得到1hz的信號。振蕩電路如圖3-1-2所示。由石英晶體、微調(diào)電容與集成門電路等元器件構(gòu)成。圖中門1用于振蕩，門2用于整形。rf為反饋電阻（10-100m），其作用是為反相器提供偏置,使其工作于放大狀態(tài),c1是溫度特性校正電容,一般取20-40pf, 電容c2中頻微調(diào)電容,取5/35pf, 電容c1、c2與晶體共構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，完成正反饋選頻

8、.門1輸出的波形為近似正弦波,經(jīng)門2緩沖整形后輸出矩形脈沖. 圖3-1-2晶體振蕩器（32768hz） 圖3-1-3晶體振蕩器圖3-1-3所示是石英晶體振蕩器的另一種接法.圖中采用100khz石英晶體串接在門2的輸出到門1的輸入端的反饋線上和門1、門2等形成正反饋振蕩電路，得到的正弦波經(jīng)門3緩沖整形后輸出矩形波。g1是與石英晶體串聯(lián)的微調(diào)電容，可以對振蕩頻率作微量調(diào)整。2分頻電路石英晶體振蕩器產(chǎn)生的32768hz的時間標準信號，并不能用來直接計時，要把它分成頻率為1hz的秒信號，因此需對它進行215次分頻。分頻電路如果采用ttl集成電路，可選用74ls393（或293），如果采用cmos集成電

9、路，可選用cc4520（或cc4060），它們的大概框圖見圖3-1-4和圖3-1-5。 圖3-1-4用兩只74ls393實現(xiàn)215次分頻 圖3-1-5用兩只cc4520實現(xiàn)215次分頻3計數(shù)電路經(jīng)過分頻器得到的1hz的秒脈沖信號被送到計時電路，計時電路由六級計數(shù)器構(gòu)成。完成“時”、“分”、“秒”計數(shù)。其中 “秒”、“分”計數(shù)均為六十進制，“時”為十二或二十四進制。由于集成電路的發(fā)展，人們不再用觸發(fā)器去設(shè)計這些計數(shù)電路，而是使用中規(guī)模計數(shù)器，采用反饋歸零的方法去實現(xiàn)，即當(dāng)計數(shù)狀態(tài)達到所需模值后，經(jīng)門電路或觸發(fā)器譯碼，反饋產(chǎn)生“復(fù)位”脈沖，使計數(shù)器清零，然后重新進行下一個循環(huán)。“分”、“秒”計數(shù)電

10、路是六十進制計數(shù)器，一般采用兩只十進制計數(shù)器，其中一只用反饋歸零法實現(xiàn)六進制計數(shù)器，即當(dāng)cp端第六觸發(fā)脈沖輸入時它的四級觸發(fā)器狀態(tài)為“0110”，這時qb、qc均呈高電平，將它們?nèi)〕觯儞Q為適當(dāng)?shù)碾娖剑ɑ蛎}沖邊沿）送到計數(shù)器的清零端，使計數(shù)器歸零，圖3-1-6、3-1-7、圖3-1-8為幾種集成電路構(gòu)成的六十進制計數(shù)器。 圖3-1-6 cc4518實現(xiàn)六十進制計數(shù) 圖3-1-7 74ls190實現(xiàn)六十進制計數(shù) 圖3-1-8 74ls160（或cc40160）實現(xiàn)六十進制計數(shù)小時計數(shù)電路可以是十二進制也可以是二十四進制。圖3-1-9所示為二十四進制計數(shù)，圖3-1-10所示為十二進制計數(shù)器，在日常

11、生活中，人們習(xí)慣于這樣的計時，即10-11-12-1-2這就需要特殊的十二進制計數(shù)器，圖3-1-11給出滿足這一要求的電路。 圖3-1-9 cc4518實現(xiàn)二十四進制計數(shù) 圖3-1-10 cc4518實現(xiàn)十二進制計數(shù) 圖3-1-11特殊的十二進制計數(shù)以上介紹了幾種“時”計數(shù)電路。實際上能實現(xiàn)十二或二十四進制計數(shù)的集成電路種類很多，如74ls160、74ls290、74ls390、cc4510、cc4192等。同學(xué)們可根據(jù)實際需要選用。4譯碼、顯示電路譯碼電路采用專用譯碼器。其功能是將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器中計數(shù)的輸出狀態(tài)（8421bcd）翻譯成七段數(shù)碼管能顯示十進制數(shù)所要求的電信號，然后

12、經(jīng)數(shù)碼顯示器，把數(shù)字顯示出來。課程設(shè)計選用譯碼器是ttl：74ls48/248和cmos：cc4511/4543。顯示器采用七段led數(shù)碼管lg5011/5012。電路的連接框圖如下： 圖3-1-12 譯碼顯示電路的連接5校時電路當(dāng)數(shù)字鐘剛接通電源或走時出現(xiàn)誤差時，需要對其進行時間的校準，實用校時電路很多，圖3-1-13為其中一種，由門電路和開關(guān)等組成。該校準電路可以用來實現(xiàn)校時、校分、校秒，正常工作時開關(guān)撥向右邊，門5輸出高電平，門4輸出低電平，正常輸入信號通過門3和門1輸出，加到個位計數(shù)器的cp脈沖端。作為?！皶r”電路時正常輸入信號時“分”進位信號，校準信號可以用秒脈沖信號，需要校準時將開

13、關(guān)撥向左邊，校準信號（秒脈沖）就可以通過門2和門1送到時個位計數(shù)器的計數(shù)輸入端?！胺帧毙屎汀懊搿毙实牡览砼c“時”校準是相同的，只是輸入信號不同?！胺帧毙孰娐返恼］斎胧恰懊搿边M位信號，校準輸入也是秒脈沖，“秒”校準電路的正常輸入是秒脈沖，而校準輸入可以是2hz的脈沖信號。從送入的信號看，校準時的信號的頻率高于正常信號頻率，計數(shù)速度加快。當(dāng)調(diào)到需要的數(shù)字后，撥動開關(guān)，計數(shù)器能繼續(xù)正常工作。 圖3-1-13校準電路圖3-1-14是用中規(guī)模集成電路74ls153實現(xiàn)的標準網(wǎng)絡(luò)，它包括?！皶r”和校“分”電路。當(dāng)aa=00時，正常計數(shù)；當(dāng)aa=01時，實現(xiàn)?！皶r”；當(dāng)aa=10時，實現(xiàn)?！胺帧保划?dāng)

14、aa=11時，計數(shù)電路無信號輸入，處于保持狀態(tài)。在課程設(shè)計中可以省去校秒電路，對秒位不作要求。但要求在?！皶r”的同時，“分”計數(shù)電路正常工作；而在?！胺帧睍r，“秒”計數(shù)電路處于置“0”狀態(tài)。 圖3-1-14 校準網(wǎng)絡(luò)6整點報時電路要求仿真合作整點報時，即在差10秒時為整點時開始產(chǎn)生每隔一秒鳴叫一次的響聲，聲音共6次，每次持續(xù)1秒。前五聲為低音500hz左右，后一聲為高音1khz左右。電路如圖3-1-15所示，其中包括控制部分和音頻部分。當(dāng)分和秒計數(shù)器計到59分50秒時，“分”十位qdqcqbqa=0101，“分”個位qdqcqbqa=1001，“秒”十位qdqcqbqa=0101，“秒”個位q

15、dqcqbqa=0000，從59分50秒到60分0秒（0分0秒），只有“秒”個位在計數(shù)，最后到整點時全部置“0”，從圖中可以看出在59分50秒到59分59秒，門2的輸入全為高電平，門3輸入除“秒”個位qa外也是高電平，那么當(dāng)秒個位qa=1（qa=0）時門3輸出高電平，這個時間正對應(yīng)是50秒、52秒、54秒、56秒、58秒。在這幾個時間上，500hz的振蕩信號可以通過門1，再經(jīng)過門4送出音響電路，發(fā)出五次音響。而當(dāng)時間達到整點時，門3輸出為0，500hz的信號不能通過門1。此刻在分十位有一個反饋歸零信號qcqb，把它引來觸發(fā)由門6、門7構(gòu)成的基本rs觸發(fā)器并使門6的輸出為高電平“1”，這時1kh

16、z振蕩信號可以通過門5，再經(jīng)門4，送入音響電路，在整點時，報出最后一響。觸發(fā)器的狀態(tài)保持1s時間后被“秒”個位qa作用回到零，整個電路結(jié)束報時。報時所需的500hz和1khz信號可以從分頻電路中取出，頻率分別為512hz和1024hz。 圖3-1-15整點報時電路整機電路由同學(xué)根據(jù)以上原理自行設(shè)計，和預(yù)設(shè)計報告及元件清單一起交老師審閱后才能領(lǐng)料安裝調(diào)試。方案二：21時鐘源電路用555定時器組成的多諧振蕩器的原理圖如圖所示。r1、r2、c是外接元件。當(dāng)uc因電源接通對c充電而上升到時，比較器a1輸出為低電平，使r-s觸發(fā)器輸出置0，t導(dǎo)通，電容c通過t放電；當(dāng)uc因電容放電而減小到略低于時，比較

17、器a2輸出為低電平，使r-s觸發(fā)器輸出置1，t截止，電容c繼續(xù)充電直到uc略高于時，觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)到0，從而完成一個周期振蕩。其振蕩周期可用下式計算： t=0.7（r1+2r2）c表1 集成定時器功能表rthtrqn+1t功能0o導(dǎo)通直接復(fù)位l 2/3vdd1/3vdd0導(dǎo)通置ol2/3vdd1/3vddl截止置111/3vddqn不變保持 22計數(shù)電路 可選用ttl系列計數(shù)器或cmos系計數(shù)器，可選單計數(shù)器或雙計數(shù)器，可選用清零法或置數(shù)法來實現(xiàn)兩個60進制計數(shù)電路、一個24(或12)進制計數(shù)電路。本設(shè)計推薦采用cd4518雙十進制計數(shù)器實現(xiàn)所需。221 cd4518基本功能 cd451 8計數(shù)

18、器為d型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換cp和en線，州丁在對鐘上升沿域卜-降沿加計數(shù)。其引出端排列和功能表分別見圖5和表2所示。圖 cd451 8引出端排列 表2 cd4518功能表其中，cr線為高電平時,計數(shù)器清零。顯然，在單個單元運算中，en輸入保持高電平，在cp上升沿進位。222 cd4518的級聯(lián) cd4518雖無專剛的進位信號，但在脈動模式可將q3連接至下一計數(shù)器的en輸入端實現(xiàn)級聯(lián)，同時后者的cp輸入保持低電平。 cd4518的波形圖如圖6所示圖 cd4518的波形圖 由圖可見，由丁單個單元運算是在cp上升沿觸發(fā)，如將低位的q，作為進位信號直接送至高位計數(shù)器的cp輸入端，將在低位逢8時就提

19、供進位信號，如要實現(xiàn)“逢十進一”，需將q3經(jīng)過非門送至高位計數(shù)器的cp輸入端，顯然煩瑣、浪費。經(jīng)濟、簡捷、正確的方案應(yīng)是保持高位計數(shù)器的cp輸入端為低電平，將低位的q3作為進位信號直接送至高位計數(shù)器的en輸入端，方式如圖7所示。 圖 cd4518的級聯(lián) 用q3級聯(lián)有利于取得較大滿值，計數(shù)到滿值后隨著時鐘上跳q3產(chǎn)生下跳就可引起高位計數(shù)器計數(shù)。223計數(shù)器的實現(xiàn) 利用條件反饋清零的方法可分別實現(xiàn)60進制和24進制計數(shù)器。圖 cd4518構(gòu)成的60進制計數(shù)器 圖 cd4518構(gòu)成的24進制計數(shù)器其中的與非門建議選用cd4011。223計數(shù)器的實現(xiàn) 利用條件反饋清零的方法可分別實現(xiàn)60進制和24進制

20、計數(shù)器。圖 cd4518構(gòu)成的60進制計數(shù)器 圖 cd4518構(gòu)成的24進制計數(shù)器其中的與非門建議選用cd4011。23譯碼顯示電路 顯示器件選用發(fā)光二極管數(shù)碼管，可選用共陽或共陰數(shù)碼管；譯碼器件可選用ttl系列或cmos系列；如選用的數(shù)碼管功耗低，可直接用譯碼器驅(qū)動；需要遵循一個原則：高電平輸出譯碼器驅(qū)動共陰數(shù)碼管，低電平輸出譯碼器驅(qū)動共陽數(shù)碼管。本設(shè)計推薦采用cd45l1(高電平輸出)驅(qū)動lg501l(共陰數(shù)碼管)實現(xiàn)譯碼顯示。cd451l引腳排列見圖10，功能見表3；lg5011圖形符號和內(nèi)部電路見圖11。2.4校時電路包括校準小時電路和校準分鐘電路（也可包括校準秒電路，但校準信號頻率必

21、須大于1hz），可手動較時或脈沖校時，可用普通機械開關(guān)或由機械開關(guān)與門電路構(gòu)成無抖動開關(guān)來實現(xiàn)校時。本設(shè)計推薦采用cd4011與帶鎖小開關(guān)實現(xiàn)。校時電路見圖13，cd4011引腳排列見圖14。圖 校時電路當(dāng)數(shù)字鐘剛接通電源或走時出現(xiàn)誤差時，需要對其進行時間的校準，實用校時電路很多，由門電路和開關(guān)等組成。該校準電路可以用來實現(xiàn)校時、校分、校秒，正常工作時開關(guān)撥向右邊，門5輸出高電平，門4輸出低電平，正常輸入信號通過門3和門1輸出，加到個位計數(shù)器的cp脈沖端。作為校“時”電路時正常輸入信號時“分”進位信號，校準信號可以用秒脈沖信號，需要校準時將開關(guān)撥向左邊，校準信號（秒脈沖）就可以通過門2和門1送

22、到時個位計數(shù)器的計數(shù)輸入端?！胺帧毙屎汀懊搿毙实牡览砼c“時”校準是相同的，只是輸入信號不同。“分”校準電路的正常輸入是“秒”進位信號，校準輸入也是秒脈沖，“秒”校準電路的正常輸入是秒脈沖，而校準輸入可以是2hz的脈沖信號。從送入的信號看，校準時的信號的頻率高于正常信號頻率，計數(shù)速度加快。當(dāng)調(diào)到需要的數(shù)字后，撥動開關(guān)，計數(shù)器能繼續(xù)正常工作。25報時電路 可采用5聲低音、一聲高音的整點報時，或采用音樂整點報時。本設(shè)計推薦采用音樂整點報時電路。圖 音樂整點報時電路3功能部件之間的連接31時鐘源與計數(shù)器及校時電路之間的連接 時鐘源提供的信號送至秒個位計數(shù)器的cp輸入端；時鐘源提供的信號同時送至校分電路和校時電路的校準輸入端a32計數(shù)器與計數(shù)器之間的連接 將秒計數(shù)器的清零信號送至校分電路的正常輸入端作為向分計數(shù)器的進位信號；分計數(shù)器的清零信號送至校時電路的正常輸