數字電子時鐘設計與研究

1、畢 業(yè) 設 計（論文）題 目：數字電子時鐘設計與研究摘 要數字鐘實際上是一個對標準頻率（1Hz）進行計數的計數電路。振蕩器產生的時鐘信號經過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數器進行計數，并把累計結果以“時”、“分”、“秒”的數字顯示出來。秒計數器電路計滿60后觸發(fā)分計數器電路，分計數器電路計滿60后觸發(fā)時計數器電路，當計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數。一般由振蕩器、分頻器、計數器、譯碼器、數碼顯示器等幾部分組成。振蕩電路：主要用來產生時間標準信號，因為時鐘的精度主要取決于時間標準信號的頻率及穩(wěn)定度，所以采用石英晶體振蕩器。分頻器：因為振蕩器產生的標準信號頻率很高，要是要得到“秒”信號

2、，需一定級數的分頻器進行分頻。計數器：有了“秒”信號，則可以根據60秒為1分，24小時為1天的進制，分別設定“時”、“分”、“秒”的計數器，分別為60進制，60進制,24進制計數器，并輸出一分，一小時，一天的進位信號。譯碼顯示：將“時”“分”“秒”顯示出來。將計數器輸入狀態(tài)，輸入到譯碼器，產生驅動數碼顯示器信號，呈現(xiàn)出對應的進位數字字型。由于計數的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路可以對分和時進行校時。另外，計時過程要具有報時功能，當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。為了使數字鐘使用方便，在設計上使用了一個變壓器和一個整流橋來實現(xiàn)數字鐘

3、電能的輸入，使得可以方便地直接插入220V的交流電就可以正常地使用了。關鍵詞：數字鐘；振蕩；計數；校正；報時ABSTRACTA digital clock is actually a standard frequency (1Hz) to count count circuit. Produced by the clock signal oscillator is forming second pulse separate frequency signal, second pulse signal input counter, and the total count the, "&q

4、uot; to" division "and" second "digital display. Seconds after counter circuit plan trigger points with 60 counter circuit, points counter circuit plan trigger after full 60 when, when the program counter circuit after 24 hours and start the next round of cycle count. Generally b

5、y oscillator, points, counters, the frequency of an decoder, digital display to wait for a few parts.Oscillating circuit: mainly used to produce the time standards of accuracy signal, because the clock mainly depends on the signal frequency and time standards, so stability using quartz crystal oscil

6、lator.Editor: because oscillator separate frequency produce standard signal frequency is very high, if only to get the "second" signal, need certain series can separate frequency separate frequency.Counter: there were "seconds" signal, can according to 60 seconds for 1 minute, 24

7、 hours a day for 1 day into the system, set up separately ", "" points", "seconds" counter, respectively is 60 disables, 60 disables, 24 disables the counters and output a points, an hour, a day of binary signals.Decode display: "" "points "" se

8、conds" displayed. Will counter input states, input to decoder, produce drive digital display signal, presents the corresponding carry digit fonts.Because the start time of counting impossible and standard time (such as Beijing time), so it needs to agree on a school in the electrical circuit ca

9、n add when to points and in school. In addition, timer process will have to strike the function, when time before the hour, 10 seconds began buzzer 1 second ring 1 second stop the 5 times.In order to make a digital clock use convenient, go up in the design USES a transformer and a rectifier bridge t

10、o achieve a digital clock power input, make easily plugged directly into 220V alternating currents can normally use.Key words: to strike the digital clock; oscillation ;counting; correction目 錄第一章 緒論11 課題來源：12 研究現(xiàn)狀：1第二章 目的21設計目的2第三章 任務，指標，要求33設計任務33.1設計指標33.2設計要求3第四章 數字電子鐘的組成和工作原理441數字鐘的構成442原理分析443數

11、字點鐘的基本邏輯功能框圖4第五章 數字鐘的電路設計551 電源電路的設計552 秒信號發(fā)生器的設計6521方案一 555構成的多諧振蕩器 如圖37522方案二 晶體振蕩分頻電路石英晶體振蕩電路8523兩個方案的比較1153時間計數電路的設計13531“分”、“秒”六十進制計數器13532二十四進制計數器1554譯碼顯示電路1655正點報時電路的設計1856校時電路的設計19第六章 數字電子鐘的計數校正電路5數字電子鐘的計數校正電路20第七章 電路的裝配與調試過程2171電路焊接2172調試過程21第八章 收獲、體會和建議22致 謝23參考文獻24附 錄25元件清單25第一章 緒論 1 課題來源

12、：古人把時間分為時辰與更點。而現(xiàn)代人從最初的機械式鐘表到現(xiàn)在普遍用到的數字式鐘表。無不體現(xiàn)著人類對時間準確性及對時間的把握性的追求。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對于時鐘的要求在不斷的提高。時鐘已不僅僅被看成一種用來顯示時間的工具，在很多實際應用中它還需要能夠實現(xiàn)更多的功能。高精度，多功能，小體積，低能耗，節(jié)能型，環(huán)保型是現(xiàn)代時鐘發(fā)展的趨勢。數字鐘長期、連續(xù)、可靠、穩(wěn)定的工作；同時還具有體積小、功能低等特點、便于攜帶、試用方便。 2 研究現(xiàn)狀：可以說現(xiàn)代人對于數字時鐘已成為日常生活中不可缺少的必需品。由于數字采成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應用，使得數字鐘的精度遠遠超過老式鐘表，鐘表的數字化

13、給人們生產生活帶來極大的方便，而且大大可擴展了鐘表原先的報時功能。鐘表的數字化給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、定時廣播時間程序自動控制、定時啟閉電路、定時開關烘箱、通斷動力設備，甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數字化為基礎的。數字種具有定時、報警等多項功能，被廣泛應用于自動化控制、智能化毅等領域。因此，研究數字鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。第二章 目的1設計目的1使學生在學完了電子技術基礎課程的基本理論，基本知識后，能夠綜合運用所學理論知識、拓寬知識面，系統(tǒng)地進行電子電路的工程實踐訓練，鍛煉動手能力，培

14、養(yǎng)工程師的基本技能，提高分析問題和解決問題的能力。2熟悉集成電路的引腳安排， 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法了解面包板結構及其接線方法，了解數字鐘的組成及工作原理。學會檢查電路的故障與排除故障的一般方法3學會檢查電路的故障與排除故障的一般方法，掌握虛擬設計，學會使用一種電路分析軟件（EWB或PSPICES）在計算機上進行電路設計與分析的方法。第三章 任務，指標，要求3.1設計指標1時間計數電路采用24進制，從00開始到23后再回到00；2.各用2位數碼管顯示時、分、秒；3.具有手動校時、校分功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間； 4.計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10

15、秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。5.為了保證計時的穩(wěn)定及準確，須由晶體振蕩器提供時間基準信號。3.2設計要求1.集中進行查找資料，請教指導老師，確定設計方案；2.根據選定方案確定實現(xiàn)設計要求的基本電路和擴展電路，畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；3.根據經濟原則選擇元器件及參數；4.在軟件中進行電路的鏈接、調試、測試電路性能，整理撰寫設計整體的過程。第四章 數字電子鐘的組成和工作原理41數字鐘的構成數字鐘一般由振蕩器、分頻器、計數器、譯碼器、顯示器、較時電路、報時電路等部分組成，這些都是數字電路中應用最廣的基本電路42原理分析數字鐘實際上是一個對標準頻率（1Hz）進行計數的計數電路。振蕩器產

16、生的時鐘信號經過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數器進行計數，并把累計結果以“時”、“分”、“秒”的數字顯示出來。秒計數器電路計滿60后觸發(fā)分計數器電路，分計數器電路計滿60后觸發(fā)時計數器電路，當計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數。由于計數的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路可以對分和時進行校時。另外，計時過程要具有報時功能，當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。43數字點鐘的基本邏輯功能框圖圖1 數字鐘的基本邏輯框圖第五章 數字鐘的電路設計下面將介紹設計電路具體方案。其中包括電源電路的設計、秒信號發(fā)生器的設計、時間計數電路的設計

17、、譯碼驅動顯示電路的設計、正點報時電路的設計、校時電路的設計幾個部分。51 電源電路的設計用一個變壓器把220V的家用交流電壓變?yōu)?V的小電壓。利用二極管單向導通的原理，用四個二極管構成一個橋堆，對交流電進行半波整形，再經過一個電容對其整形，變成供這個近似直流的電壓，但由于還有許多文波，再用一個W7805穩(wěn)壓管變成5V的穩(wěn)定直流電壓，供這個電路的使用。 如圖2。 圖2 電源電路52 秒信號發(fā)生器的設計通過查找資料，得到了兩個不同的秒信號發(fā)生器的設計方案。521方案一 555構成的多諧振蕩器 如圖3電容C1放電時間為：t1=R2*C1*ln2,充電時間為：t2=(R1+R2)*CI*ln2,則其

18、振蕩頻率為f=1/(t1+t2)。選擇適當的R1、R2、C1值可使f1HZ。圖3 555構成的多諧振蕩器522方案二 晶體振蕩分頻電路石英晶體振蕩電路1 采用頻率fs32768Hz的石英晶體。D1、D2是反相器，D1用于振蕩，D2用于緩沖整形。Rf為反饋電阻（10-100M），反饋電阻的作用是為CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。C1是頻率微調電容，改變C1可對振蕩器頻率作微量調整，C1一般取5-35pF。C2是溫度特性校正用的電容，一般取20-405pF，電容C1、C2與晶體共同構成型網絡，完成對振蕩器頻率的控制，并提供必要的1800相移。最后輸出fs=32768Hz圖4 石英晶體振

19、蕩電路2 多級分頻電路將32 768Hz脈沖信號輸入到CD4060（內部結構如圖44）組成的脈沖振蕩的14位二進制計數器，所以從最后一級Q14輸出的脈沖信號頻率為：32768/214 = 32768/16384 = 2Hz 如圖6。再經過二次分頻，得到1Hz的標準信號脈沖，即秒脈沖如圖7。圖5 CD4060內部結構圖6 脈沖分頻電路圖7 秒信號原理圖523兩個方案的比較1采用555多諧振蕩器優(yōu)點：555內部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。缺點：要精確輸出1Hz脈沖，對電容和電阻的數值精度要求很高，所以輸出脈沖既不夠準確也不夠穩(wěn)定。2采用晶體

20、振蕩分頻電路優(yōu)點：由石英晶體的阻抗頻率響應可知，它的選頻特非常好，有一個極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs，且等效品質因數Q很高。只有頻率為fs的信號最容易通過，且其他頻率的信號均會被晶體所衰減。3比較結果振蕩器是數字鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數字鐘計時的準確程度。為了達到設計要求，獲取更高的計時精度，選用晶體振蕩器構成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。 如圖8。圖8 晶體振蕩及分頻電路53時間計數電路的設計秒信號經秒計數器、分計數器、時計數器之后，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時輸出信號，然后送至譯碼顯示電路，以便實現(xiàn)用數字顯

21、示時、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇嫈灯鲬獮榱M制，而“時”計數器應為二十四進制。采用10進制計數器74LS90來實現(xiàn)時間計數單元的計數功能，其為雙2-5-10異步計數器，并且每一計數器均有異步清零端（高電平有效）。531“分”、“秒”六十進制計數器選用兩塊74SL290采用異步清零的方法完成60進制。以“秒”計數為例：計秒時，將秒個位計數單元的QA與B（下降沿有效）相連，將74SL290連接成10進制計數器，A（下降沿有效）與Z秒輸入信號相連，QD可作為向上的進位信號與十位計數單元的A相連。秒十位計數單元為進制計數器，需要進制轉換。將進制計數器轉換為（0110）進制計數器，當十位計數器計到

22、QD QC QB QA為0110時，同時對秒的個位和十位進行清0，另外QC可作為向上的進位信號與分個位的計數單元的A相連。其具體連接圖如圖9A相連。其具體連接圖如圖9圖9 六十進制計數器532二十四進制計數器同樣可以選用兩塊74SL290采用異步清零的方法完成24進制計數 如圖10 圖10 二十四進制計數器54譯碼顯示電路譯碼顯示電路是將計數器輸出的8421 BCD碼譯成數碼管顯示所需要的高低電平，我們采用陰極七段數碼管，引腳如圖11。其則譯碼電路就應選接與它配套的共陰極七段數碼驅動器。譯碼顯示電路可采用CD4511BC-7段譯碼驅動器，其芯片引腳如圖12。譯碼器A、B、C、D與十進制計數器的

23、四個輸出端相連接，a、b、c、d、e、f、g即為驅動七段數碼顯示器的信號。根據A、B、C、D所得的計數信號，數碼管顯示的相對應的字型。其具體電路圖如圖13。圖11 陰極七段數碼管圖12 芯片CD4511BC-7段譯碼驅動器引腳圖13 譯碼顯示電路55正點報時電路的設計要求當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。即當時間達到xx時59分50秒時蜂鳴器開始響第一次，并持續(xù)一秒鐘，然后停鳴一秒，這樣響五次。在59分50秒到59分59秒之間，只有秒的個位計數，分的十位QD QC QB QA輸出0101,個位QD QC QB QA 輸出1001，秒的十位QD QC QB QA 輸出010

24、1均不變，而秒的個位QA計數過程中輸出在0和1之間轉。所以可以利用與非門的相與功能，把分十位的QC 、QA ,分個位的QD、QA，秒十位的QC、QA 和秒個位的QA相“與非”作為控制信號控制與非門的開斷，從而控制蜂鳴器的響和停。如圖14。 圖14 整點報時電路56校時電路的設計時鐘出現(xiàn)誤差時，需校準。校對時間總是在標準時間到來之前進行，分四個步驟：首先把小時計數器置到所需的數字；然后再將分計數器置到所需數字；在此同時或之后，將秒計數器在零時停計數，處于等待啟動；當選定的標準時刻到達的瞬間，按起動按鈕，電路則從所預置時間開始計數。由此可知，校時電路應具有預置小時，預置分、等待啟動、計時四個階段，

25、因此，我們設計的校時電路，方便、可靠地實現(xiàn)這四個階段所要求的功能。如圖17。第六章 數字電子鐘的計數校正電路圖17數字電子鐘的計數校正電路第七章 電路的裝配與調試過程71電路焊接焊接時要主要布線和焊點的合理分布，盡量做到美觀。實際焊接過程中，要保證焊筆不要碰到已經焊好的線，否則焊好的線很容易脫落。每焊接完一部分電路，就立即進行調試，測試無誤后方可進心下一階段的焊接。插拔集成芯片時用力要均勻，避免芯片管腳在插拔中變彎、折斷72調試過程實際調試中出現(xiàn)了不少問題，如顯示不正常，秒計時中滿六十后不進位等等。仔細檢測后發(fā)現(xiàn)主要是電路的一些接線有錯以及輸出脈沖不行。下面是我們的通電源逐級調試，逐級排除故障

26、錯誤的調試調試過程：1.用萬用表測量電壓源是否穩(wěn)定輸出5V電壓。2.用萬用表在CD4060的3腳測輸出電壓，如果讀數有規(guī)律地跳動，且周期為近似為0.5s，則正常。同樣，用萬用表測分頻電路的輸出信號為1s，則正常。3.檢查各級計數器的工作情況。將“秒”信號直接接入計數器的CPA端，檢查“秒”計數器和“秒”譯碼驅動器和顯示器的工作是否正常，計數器是否為六十進制、是否能正常進位。以同樣的方法檢查“分”“時”計數器是否計數正常。4.校時電路經分析可以工作但電路工作時校時電路的功能始終不能滿足校時要求。5.整機不能進行工作，但將那塊顯示電路板接數字電子實驗箱的5V電源和脈沖發(fā)現(xiàn)電路能記數并可以進位，制作

27、的電源和脈沖能正常工作，實驗不成功。第八章 收獲、體會和建議收獲與體會：1、加強了團隊合作精神，磨練了我們的意志力。我們各人之間好好的配合，分工合作，設計過程沒有一團亂麻。更為可貴的是，我們彼此鼓勵，同舟共濟地處理每個問題。這種團隊精神將是我們美好的回憶。我們花了很多心血來做這個課程設計，由于這兩個星期又要考試所以很緊的時間，后面出錯的時候經常檢查電路到凌晨2點多，但凡事不是一帆風順的，我們遇到了許多困難。有些困難甚至看進來難于解決，確實也是打擊了我們的信心。但我們毫不氣餒，認真地檢查電路，檢查焊接的好壞，用堅強的意志解決問題，只可惜的是還是沒做出來。2、加強我們對電子器件的了解。一直以來，我

28、們都對電子器件都很感興趣，對電子應用感到好奇。這次我們親自制作一個電子器件，雖然原理并不太復雜，但我們在這一個過程，了解電子應用的奇妙之處。3、提高了我們使用電腦對電路進行仿真的能力。我們又要學會新的軟件 EWB來畫電路圖，并用它進行仿真。這又讓我們的知識增多了。4、做到理論聯(lián)系實際。剛剛學過了數電這門課程，還沒完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次課程設計恰恰提供了一個好機會，讓我們從實踐中加深了對所學知識的理解。5、以前我們在電路實習中學習了焊接電路板，但只是學了很短的時間，此次設計給我們上再多一次機會，提高了我們的動手能力，焊接技術也有了很大提高。6、通過撰寫說明書，掌握了畢業(yè)論文的寫作規(guī)范，我們以后撰寫畢業(yè)設計論文打下了堅定的基礎。建議：總的來說這次課程設計一切都安排得很合理，唯獨時間跟考試的排期沖突，以至考試跟課程設計兩頭都很難兼顧。希望以后課程設計的時間安排得更恰當。致 謝在本文的撰寫過程中，導師張曉惠給予了悉心的指導和關心，使我克服了眾多困難終于完成了論文的撰寫工作。同時感謝她的諒解與包容。沒有張老師的幫助也就沒有今天的這篇論文。求學歷程是艱苦的，但又是快樂的。導師們淵博的知識、嚴謹求實的治學態(tài)度及敬業(yè)精神，給我留下了深刻的印象，并將在我今后的人生道路上產生深遠的影響，在此論文完