數(shù)字計(jì)時(shí)器課程設(shè)計(jì)

1、引言鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大的擴(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、定時(shí)啟閉路燈、定時(shí)開關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備，甚至各種定時(shí)電氣的自動(dòng)啟用等，所有這些都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。1 指標(biāo)要求 要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)有一個(gè)能自動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)的信號(hào)源。還需要有一個(gè)使高頻脈沖信號(hào)變成適合于計(jì)時(shí)的低頻脈沖信號(hào)的分頻器電路，即頻率為1HZ的“秒脈沖”信號(hào)。經(jīng)過分頻器輸出的秒脈沖信號(hào)到計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于計(jì)時(shí)的規(guī)律是：60秒=1分，60分=1小時(shí)，24小時(shí)=1天，這就需要分

2、別設(shè)計(jì)60進(jìn)制，24進(jìn)制，（或12進(jìn)制的計(jì)時(shí)器，并發(fā)出驅(qū)動(dòng)AM；PM的標(biāo)志信號(hào)）。各計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)經(jīng)譯碼器/驅(qū)動(dòng)器送到數(shù)字顯示器對(duì)應(yīng)的筆劃段，使得 “時(shí)”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示。值得注意的是：任何數(shù)字計(jì)時(shí)器都有誤，因此應(yīng)考慮校準(zhǔn)時(shí)間電路，校時(shí)電路一般采用自動(dòng)快調(diào)和手動(dòng)調(diào)整，“自動(dòng)快調(diào)”是利用分頻器輸出的不同頻率脈沖使得顯示時(shí)間自動(dòng)迅速的得到調(diào)整。 “手動(dòng)調(diào)整” 是利用手動(dòng)的節(jié)拍調(diào)整顯示時(shí)間。1.1 主要技術(shù)指標(biāo)和要求（1）顯示時(shí)、分、秒，采用24小時(shí)制。（2）具有校時(shí)功能，可以對(duì)小時(shí)和分單獨(dú)校時(shí)，對(duì)分校時(shí)的時(shí)候，停止分向小時(shí)進(jìn)位。校時(shí)時(shí)鐘源可以手動(dòng)輸入或借用電路中的時(shí)鐘。（3）為了保證

3、計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，由晶體振蕩器提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào)。 （4）24小時(shí)誤差不高于60秒。2 設(shè)計(jì)與計(jì)算2.1 設(shè)計(jì)方案介紹數(shù)字時(shí)鐘是用數(shù)字集成電路構(gòu)成，用數(shù)碼顯示的一種現(xiàn)代化計(jì)數(shù)器，由振蕩器、分頻器、校時(shí)電路、計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器6個(gè)部分組成。振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)發(fā)生器，不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器、譯碼器組成和顯示器組成計(jì)時(shí)系統(tǒng)，通過校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、分的校準(zhǔn)。由于采用純數(shù)字硬件設(shè)計(jì)制作，與傳統(tǒng)機(jī)械表相比，具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)裝置等特點(diǎn)?；驹淼倪壿嬁驁D如圖所示，由圖知：石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)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)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器顯

4、示時(shí)間。其中，石英晶體振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)發(fā)生器，由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計(jì)時(shí)系統(tǒng)。秒信號(hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，把累計(jì)的結(jié)果以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來，“時(shí)”顯示由二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成，“分”、“秒”顯示分別由六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成。 圖2.1 數(shù)字電子鐘的邏輯圖2.2 數(shù)字計(jì)時(shí)器單元電路的設(shè)計(jì)石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡單、頻率易調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng)，在晶體某一方向加一電場，則在與此垂直的方向產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，有了機(jī)械振動(dòng)就會(huì)在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場，從而使機(jī)械振動(dòng)和電場互為因果，這種循環(huán)過程一直持續(xù)到

5、晶體的機(jī)械強(qiáng)度限制時(shí)，才達(dá)到最后的穩(wěn)定，這種壓電諧振的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率。如圖所示：R1為反饋電阻，取10-100兆歐，其作用是為CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)，C1為頻率微調(diào)電容，取5-30pF，C2為溫度特性校正電容，一般取20-50pF，石英晶體采用32768HZ晶振，要得到1HZ的脈沖，則需要經(jīng)過15級(jí)二分頻器完成。 圖石英晶體振蕩電路分頻器由于石英振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到秒脈沖，需要用分頻器電路。石英晶體振蕩分頻電路如圖所示： 圖 石英晶體振蕩分頻電路 CD4060是14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它內(nèi)部有14級(jí)二分頻器，CIN(11腳)為輸入引腳，Q14（3腳）為輸出

6、引腳，由于CD4060只能實(shí)現(xiàn)14級(jí)分頻，所以在其后面再加上一級(jí)二分頻的雙D觸發(fā)器CD4013，從而得到1HZ的秒脈沖。校時(shí)電路當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)間不符時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間校正。校時(shí)電路如圖所示：該電路能對(duì)時(shí)、分、秒分別校準(zhǔn)。原理如下：其中CP0為秒計(jì)時(shí)脈沖，CP1為分計(jì)時(shí)脈沖，CP2為時(shí)計(jì)時(shí)脈沖。當(dāng)?！懊搿睍r(shí)，將開關(guān)S1閉合，此時(shí)門電路A9被封鎖，1HZ信號(hào)的脈沖不能進(jìn)入到“秒計(jì)數(shù)器”中，此時(shí)暫停秒計(jì)時(shí)，如果數(shù)字鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，斷開S1，數(shù)字鐘秒顯示與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒計(jì)時(shí)同步進(jìn)行，“秒”位校時(shí)完。當(dāng)?！胺帧睍r(shí)，將開關(guān)S2閉合，由于A7、A8輸出為高電平，秒十位的進(jìn)位就不能通過A6、A7向分計(jì)時(shí)器

7、CP1進(jìn)位，此時(shí)1HZ脈沖信號(hào)按秒節(jié)奏計(jì)數(shù)，如果分計(jì)數(shù)器的顯示與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，斷開S1，與非門A5被封鎖，此時(shí)秒十位的進(jìn)位信號(hào)通過A6、A7向CP1進(jìn)位，“分”位校時(shí)完。校“時(shí)”與?！胺帧蓖?。圖 校時(shí)電路圖計(jì)數(shù)器顯示“時(shí)”、“分”、“秒”需要6片中規(guī)模計(jì)數(shù)器。其中，“秒”、“分”計(jì)時(shí)各為六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，“時(shí)”計(jì)時(shí)為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，六十進(jìn)制和二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器都選用74LS90集成塊來實(shí)現(xiàn)。（1） 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 “秒”計(jì)數(shù)器電路與“分”計(jì)數(shù)器電路都是六十進(jìn)制，它由一級(jí)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級(jí)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器連接構(gòu)成。原理圖如圖所示：采用兩片中規(guī)模集成電路74LS90串接起來構(gòu)成“秒”、“分”計(jì)數(shù)器。U

8、2是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，U2的Q4作為十進(jìn)制的進(jìn)位信號(hào)，74LS90計(jì)數(shù)器是十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，用反饋歸零方法實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)，U1和與非門組成六進(jìn)制計(jì)數(shù)。74LS90是在CP信號(hào)的下降沿翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，U1的Q0和Q3與0101的下降沿，作為“分（時(shí)）”計(jì)數(shù)器的輸入信號(hào)，U1的輸出0110高電平1分別送到計(jì)數(shù)器的MR1、MR2端清零，74LS90內(nèi)部的MR1和MR2與非后清零而使計(jì)數(shù)器歸零，完成六進(jìn)制計(jì)數(shù)。由此可見，U1和U2串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了六十進(jìn)制計(jì)數(shù)。圖.1 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路（2） 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器 時(shí)計(jì)數(shù)電路是由U4和U3組成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)電路。原理圖如圖所示：當(dāng)“時(shí)”個(gè)位U4計(jì)數(shù)輸入端到第10個(gè)觸發(fā)信

9、號(hào)時(shí)，U4計(jì)數(shù)器復(fù)位零，進(jìn)位端Q4向U3“時(shí)”十位計(jì)數(shù)器輸出進(jìn)位信號(hào)，當(dāng)?shù)?4個(gè)“時(shí)”（來自“分”計(jì)數(shù)器輸出的進(jìn)位信號(hào)）脈沖到達(dá)時(shí)，U4計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為“0100”，U3計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為“0010”，此時(shí)“時(shí)”個(gè)位計(jì)數(shù)器的Q3和“時(shí)”十位計(jì)數(shù)器的Q2輸出為“1”。把它們分別送到U2和U1計(jì)數(shù)器的清零端MR1和MR1，通過74LS90內(nèi)部的MR1和MR2與非后清零，計(jì)數(shù)器復(fù)零，完成二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)。圖.2 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路譯碼器譯碼是將給定的代碼進(jìn)行翻譯。計(jì)數(shù)器采用的碼制不同，譯碼電路也不同。74LS48驅(qū)動(dòng)器是與8421BCD編碼計(jì)數(shù)器配合用的七段譯碼驅(qū)動(dòng)器。74LS48配有燈測試LT、動(dòng)態(tài)滅燈

10、輸入RBI、滅燈輸入/動(dòng)態(tài)滅燈輸出BI/RBO，當(dāng)LT=“0”時(shí)，74LS48輸出全為“1”。74LS48的使用方法參照TTL手冊(cè)。74LS48的輸入端和計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的輸出端相連，74LS48的輸出端與七段顯示器對(duì)應(yīng)的輸入相連。 表 譯碼器74LS48的功能表顯示器本系統(tǒng)用七段發(fā)光二極管來顯示譯碼器輸出的數(shù)字，顯示器有兩種：共陽極或共陰極顯示器。74LS48譯碼器對(duì)應(yīng)的顯示器是共陰極（接地）顯示器。在本設(shè)計(jì)中采用的是解碼七段排列顯示器。 LED數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示器，圖(a)、(b)為共陰管和共陽管的電路，(c)為兩種不同出線形式的引出腳功能圖。一個(gè)LED數(shù)碼管可用來顯示一位09十進(jìn)制數(shù)

11、和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。小型數(shù)碼管（0.5寸和0.36寸）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為22.5V，每個(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流在510mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字就需要有一個(gè)專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力。 (a) 共陰連接（“1”電平驅(qū)動(dòng)） (b) 共陽連接（“0”電平驅(qū)動(dòng)）(c) 符號(hào)及引腳功能圖 LED數(shù)碼管3 元件的安裝與調(diào)試安裝過程中，剛開始階段，由于對(duì)圖紙以及個(gè)元件的不了解。秒的個(gè)位及十位在調(diào)試過程中出現(xiàn)了數(shù)字顯示不全的現(xiàn)象，不過在同組同學(xué)配合以及仔細(xì)檢查后，克服了困難找到了問題的所

12、在，在連接六進(jìn)制的過程中，發(fā)現(xiàn)電路只能4、5的跳動(dòng)，后經(jīng)發(fā)現(xiàn)是由于接到與非門的引腳接錯(cuò)一根所至，經(jīng)糾正后能正常顯示。在連接六進(jìn)制、十進(jìn)制、六十進(jìn)制的進(jìn)位及十二進(jìn)制的接法中，要熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了。本次實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)一塊壞的LED數(shù)碼管，經(jīng)更換后均能正常顯示。通過安裝以及調(diào)試過程，最后連接出了可正常顯示“秒”、“分”、“時(shí)”的電子鐘。4 軟件仿真4.1 仿真軟件環(huán)境：Multisim10軟件 學(xué)習(xí)使用Multisim10軟件，學(xué)會(huì)從該軟件上找到所需的芯片及元器件，由秒向時(shí)部分依次進(jìn)行設(shè)計(jì)并逐步仿真，從而發(fā)現(xiàn)問題能及時(shí)解決。4.2 校時(shí)

13、電路仿真 仿真只對(duì)時(shí)校時(shí)電路進(jìn)行了仿真，其它一樣，仿真如圖所示： 圖4.2 校時(shí)電路仿真4.3 計(jì)數(shù)器電路仿真六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路仿真 圖 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路仿真二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路仿真 圖 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路仿真 4.4 數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)電路仿真 現(xiàn)在對(duì)數(shù)字計(jì)數(shù)器總電路仿真 圖4.4 數(shù)字計(jì)時(shí)器總電路仿真4.5 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳圖74LS00是一種典型的與非門器件，內(nèi)含有4個(gè)2輸入與非門，共14個(gè)引腳，引腳排列圖如下：1A4A，1B4B 輸入端1Y4Y 輸出端74LS90為中規(guī)模TTL集成計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)二分頻、五分頻和十分頻等功能，它由一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成。其引腳排列圖和功

14、能表如下所示：74LS90的引腳排列圖 ABYLLHLHHHLHHHL74HC00的引角圖：1A-4A,1B-4B輸入；1Y-4Y輸出 引角圖：A1-A6輸入，Y1-Y6輸出 5 結(jié)論學(xué)貴以致用，我們剛學(xué)完模電和數(shù)點(diǎn)的知識(shí)，對(duì)兩種電路有了一定的理論認(rèn)識(shí)，但是還欠缺實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)，通過幾天的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程，將從書本上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，學(xué)會(huì)了初步的電子電路仿真設(shè)計(jì)，雖然過程中遇到了一些困難，但是在解決這些問題的過程無疑也是對(duì)自己自身專業(yè)素質(zhì)的一種提高。當(dāng)最終調(diào)試成功的時(shí)候也是對(duì)自己的一種肯定。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程中，更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法，也

15、鍛煉了自己獨(dú)立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計(jì)，但通過這次課程設(shè)計(jì)我們了解了課程設(shè)計(jì)的一般步驟，和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。雖然設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)了很多的問題的，但是通過請(qǐng)教同學(xué)、老師并且查找網(wǎng)上相關(guān)資料都得到了解決，這也是對(duì)自己處理問題能力的鍛煉。設(shè)計(jì)本身并不是有很重要的意義，而是我們對(duì)待問題時(shí)的態(tài)度和處理事情的能力。至于設(shè)計(jì)的成績無須看的太過于重要，而是設(shè)計(jì)的過程，設(shè)計(jì)的思想和設(shè)計(jì)電路中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，電路中各個(gè)部分的功能是如何實(shí)現(xiàn)的。各個(gè)芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時(shí)應(yīng)該注意那些要點(diǎn)。同一個(gè)電路可以用那些芯片實(shí)現(xiàn)，各個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能的區(qū)別。另外

16、，我們?cè)O(shè)計(jì)要從市場需求出發(fā)，既要有強(qiáng)大的功能，又要在價(jià)格方面比同等檔次的便宜。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(shè)計(jì)培養(yǎng)出好的習(xí)慣。 在這次設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)一步提高了我對(duì)Protel, Multisim10的操作能力，而且使自己在查找資料方面能力有了提高。參考文獻(xiàn)1 黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析M.北京： 電子工業(yè)出版社， 2008：2682722 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M.北京： 高等教育出版社，19973 .（備注：査找集成芯片的網(wǎng)站）4 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分M.北京： 高等教育出版社，2005:1271925 畢滿清. 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19956 陳明義. 電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M. 長沙：中南大學(xué)出版社，20027 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分M.北京： 高等教育出版社，20058 呂思忠、施齊云，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M.哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社，20019 盧結(jié)成、高世忻、陳力生等，電子電路實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用課題設(shè)計(jì)M.北京： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出 版社，2002 10