數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題: 數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì) 姓 名: 學(xué) 院: 工 學(xué) 院 專 業(yè): 電子信息工程 班 級(jí): 06級(jí)（1）班 學(xué) 號(hào): 日 期 2008年 12月22日2009年1月3日 指導(dǎo)教師: 馬 德 貴 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院機(jī)電工程系目 錄1設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求12.方案論證與選擇13.單元電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇53.1 六進(jìn)制電路的設(shè)計(jì)6 3.2 十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)6 3.3 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)6 3.4雙六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)7 3.5時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)8 3.6 校正電路的設(shè)計(jì)8 3.7 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)8 3.8 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)93.9 主要元器件的選擇104.系

2、統(tǒng)電路總圖及原理105.經(jīng)驗(yàn)體會(huì)10參考文獻(xiàn)11附錄a：系統(tǒng)電路原理圖12附錄b：元器件清單13數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無(wú)機(jī)械裝置，具有更更長(zhǎng)的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。因此，我們此次設(shè)計(jì)數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會(huì)制作數(shù)字鐘。而且通過(guò)數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實(shí)用方法。且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時(shí)敘電路。通過(guò)它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序

3、電路的原理與使用方法。1.1設(shè)計(jì)指標(biāo) 1. 時(shí)間以12小時(shí)為一個(gè)周期；2. 顯示時(shí)、分、秒；3. 具有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；4. 計(jì)時(shí)過(guò)程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)；5. 為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。1.2 設(shè)計(jì)要求1. 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；2. 元器件及參數(shù)選擇；3. 編寫設(shè)計(jì)報(bào)告 寫出設(shè)計(jì)的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。2. 方案論證與選擇2.1 數(shù)字鐘的系統(tǒng)方案數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)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

4、要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1hz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)成數(shù)字鐘。2圖1 數(shù)字電子鐘方案框圖2.2 晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768hz的方波信號(hào)，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。一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用ttl門電路構(gòu)成；另一類是通過(guò)cmos非門構(gòu)成的電路，本次設(shè)計(jì)采用了后一種。如圖（b）所示，由cmos非門u1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，u2實(shí)現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋

5、電阻為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容c1、c2與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)180度相移，從而和非門構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。圖2 cmos 晶體振蕩器（仿真電路）2.3 時(shí)間計(jì)數(shù)電路一般采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器如74hc290、74hc390等來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。本次設(shè)計(jì)中選擇74hc390。由其內(nèi)部邏輯框圖(如圖3)可知，其為雙2-5-10異步計(jì)數(shù)器，并每一計(jì)數(shù)器均有一個(gè)異步清零端（高電平有效）。 圖3 74hc390

6、內(nèi)部功能圖秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將與（下降沿有效）相連即可。（下降沒(méi)效）與z秒輸入信號(hào)相連，可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法如圖4所示，其中可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的相連。 圖4 十進(jìn)制-六進(jìn)制轉(zhuǎn)換電路分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過(guò)分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的相連，分十位計(jì)數(shù)單元的作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的相連。時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)

7、計(jì)數(shù)單元應(yīng)為十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行十二進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用片74hc390實(shí)現(xiàn)十二進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖5所示。 圖5 十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路另外，圖5所示電路中，尚余個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)單元，正好可作為分頻器2z輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為1z信號(hào)之用。2.4 譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元電路選擇cd4511作為顯示譯碼電路；選擇led數(shù)碼管作為顯示單元電路。由cd4511把輸進(jìn)來(lái)的二進(jìn)制信號(hào)翻譯成十進(jìn)制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來(lái)。這里的led數(shù)碼管是采用共陰的方法連接的。計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)并以8421bcd碼的形式輸送到cd4511芯片，再由4511芯片把bcd碼轉(zhuǎn)變

8、為七段數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來(lái)。2.5 校時(shí)電路數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。即為用coms與或非門實(shí)現(xiàn)的時(shí)或分校時(shí)電路，in1端與低位的進(jìn)位信號(hào)相連；in2端與校正信號(hào)相連，校正信號(hào)可直接取自分頻器產(chǎn)生的1hz或2hz（不可太高或太低）信號(hào)；輸出端則與分或時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)輸入端相連。當(dāng)開(kāi)關(guān)打向下時(shí)，因?yàn)樾Ｕ盘?hào)和0相與的輸出為0，而開(kāi)關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號(hào)可以順利通過(guò)與或門，故校時(shí)電路處于正常計(jì)時(shí)狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)打向上時(shí)，情況正好與上述相反，這時(shí)校時(shí)電路處于校時(shí)狀態(tài)。實(shí)際使用時(shí)，因?yàn)殡娐烽_(kāi)關(guān)存

9、在抖動(dòng)問(wèn)題，所以一般會(huì)接一個(gè)rs觸發(fā)器構(gòu)成開(kāi)關(guān)消抖動(dòng)電路，所以整個(gè)較時(shí)電路就如圖6。圖6 帶有消抖電路的校正電路2.6 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開(kāi)始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計(jì)數(shù)器十位的q和q 、個(gè)位的q和q及秒計(jì)數(shù)器十位的q和q相與，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。報(bào)時(shí)電路可選74hc30來(lái)構(gòu)成。74hc30為8輸入與非門。圖7 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路3. 單元電路的設(shè)計(jì)與元器件選擇數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，可以由許多中小規(guī)模集成電路組

10、成，所以可以分成許多獨(dú)立的電路。3.1 六進(jìn)制電路的設(shè)計(jì)由74hc390、7400、數(shù)碼管與4511組成，電路如圖8。圖8 六進(jìn)制電路3.2 十進(jìn)制電路的設(shè)計(jì)由74hc390、7400、數(shù)碼管與4511組成，電路如圖9。圖9 十進(jìn)制電路3.3 六十進(jìn)制電路的設(shè)計(jì)由兩個(gè)數(shù)碼管、兩4511、一個(gè)74hc390與一個(gè)7400芯片組成，電路如圖10。圖10 六十進(jìn)制電路3.4 雙六十進(jìn)制電路的設(shè)計(jì)由2個(gè)六十進(jìn)制連接而成，把分個(gè)位的輸入信號(hào)與秒十位的qc相連，使其產(chǎn)生進(jìn)位，電路圖如圖11。圖11 雙六十進(jìn)制電路3.5 時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)由1個(gè)十二進(jìn)制電路、2個(gè)六十進(jìn)制電路組成，因上面已有一個(gè)雙六十電路，

11、只要把它與十二進(jìn)制電路相連即可，詳細(xì)電路見(jiàn)圖12。圖12 時(shí)間計(jì)數(shù)電路3.6 校正電路的設(shè)計(jì)由74ch51d、74hc00d與電阻組成，校正電路有分校正和時(shí)校正兩部分，電路如圖13。3.7 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)由晶體與2個(gè)30pf電容、1個(gè)4060、一個(gè)10兆的電阻組成，芯片3腳輸出2hz的方波信號(hào)，電路如圖14。圖13 校正電路圖14 時(shí)鐘電路3.8 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路由74hc30d和蜂鳴器組成，當(dāng)時(shí)間在59:50到59:59時(shí)，蜂鳴報(bào)時(shí)，電路如圖15。圖15 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路3.9主要元器件的選擇1共陰八段數(shù)碼管6個(gè)；2cd4511集成塊6塊；3cd4060集成塊1塊；474hc390集成塊3塊；574

12、hc51集成塊1塊；674hc00集成塊4塊；774hc30集成塊1塊； 4. 系統(tǒng)電路總圖及原理將設(shè)計(jì)的各個(gè)單元電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，得到數(shù)字電子鐘系統(tǒng)電路原理圖見(jiàn)附錄a。5經(jīng)驗(yàn)體會(huì)通過(guò)這次對(duì)數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)作，讓我了解了電路設(shè)計(jì)的基本步驟，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字鐘的原理與設(shè)計(jì)理念，要設(shè)計(jì)一個(gè)電路先進(jìn)行軟件模擬仿真再進(jìn)行實(shí)際的電路制作。但是最后的成品卻不一定與仿真時(shí)完全一樣，因?yàn)?，再?shí)際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無(wú)法成功的電路接法，在實(shí)際中因?yàn)樾酒旧淼奶匦远軌虺晒?。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)這次學(xué)習(xí)，讓我對(duì)各種電路都有了大概的了解，所以說(shuō)，坐

13、而言不如立而行，對(duì)于這些電路還是應(yīng)該自己動(dòng)手實(shí)際操作才會(huì)有深刻理解。參考文獻(xiàn)：1 趙建領(lǐng). 51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)寶典m. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.2 邊春元等. c51單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)及應(yīng)用m. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2008.3 彭 為等. 單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講m. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.4 徐愛(ài)鈞等. keil c51 v7.0單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程與vision2應(yīng)用實(shí)踐m.北京:電子工業(yè)出版社，2008.5 李朝青. 單片機(jī)&dsp外圍數(shù)字ic技術(shù)手冊(cè)(第2版)m. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.6 中國(guó)電子網(wǎng). .7 51單片機(jī)學(xué)習(xí)網(wǎng). http:/www.51bs51 .com.8 電子電路圖網(wǎng). .9 周志敏等. 集成穩(wěn)壓電源電路圖集m. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2008.10 樓然苗等.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)m.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，200711 高吉祥.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)系列教程數(shù)字系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)m.北京:電子工業(yè)出版社，2007.12 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽委員會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編（2005）m.北京:北京理工大學(xué)出版社，200713 黃智偉等.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)m.北京.北京航空航天大學(xué)出版社，2008.1