模拟电力电子课程设计报告-数字电子钟计时系统.doc

1、 模拟电子技术课程设计报告数字电子钟计时系统目录一设计任务和基本要求 3 二总体方案 3三单元电路设计 43.1 秒信号发生 43.2 秒分时计数器设计 43.3 译码显示电路 53.4 校时电路 6四元件及工具清单 74.1 元件清单74.2 工具清单7五有关元件资料 85.1、CD4060 计数分频和振荡器85.2、CD4013双 D 主从触发器85.3、CD4081 与门95.4、CD4029二/十、加/减、可预制的 CMOS 计数器9六故障分析10七心得体会10一、 设计任务和基本要求用中、小规模集成电路设计一台能显示时、分、秒的数字电子钟，基本要求如下：1、采用 LED 显示累计时间

2、“时” 、 “分” 、 “秒” 。2、具有校时功能。二、 总体方案数字电子钟的原理方框图如图 5.7.1 。该电路系统由秒信号发生器、 “时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器” ， “秒计数器”采用六十进制计数器，每累计 60 秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。 “分计数器”也采用六十进制计数器，每累计 60 分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器” 。 “时计数器”采用 24 进制计数器，可实现对一

3、天 24 小时的累计。译码显示电路将“时” 、 “分” 、 “秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位 LED 七段显示器显示出来。校时电路是用来对“时” 、 “分” 、 “秒”显示数字进行校对调整的。译 码时计数/24进制译 码分计数/60进制译 码秒计数/60进制晶体振荡器分频器校时电路分信号时信号32768Hz图. 数字电子钟系统框图三、 单元电路设计3.1、秒信号发生器秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器产生的脉冲经过整形、分频获得 1HZ 的秒脉冲。常用的典型电路如图 5.7.2 所示。CD4060 是 14 位二进制计数

4、器。它内部有 14 级二分频器，有两个反相器。CP1(11 脚） 、CP0(10 脚)分别为时钟输入、输出端，即内部反相器 G1 的输入、输出端。图中 R 位反馈电阻（10 兆欧100 兆欧） ，目的是为 CMOS 反相器提供偏置，使其工作在放大状态。C1 是频率微调电容，取 5/30pF，C2 是温度特性校正用电容，一般取 2050pF。内部反相器 G2 起整形作用，且提高带负载能力。石英晶体采用32768HZ 晶振，若要得到 1HZ 的脉冲，则需经过 15 级二分频器完成。14级2分频DCPQQCD4060CD40132Hz32768Hz1M10K100pf 100pf32768Hz101

5、1 8 123CP1 CP0 GND CrQ132151Hz图. 秒信号发生器由于 CD4060 只能实现 14 级分频，故必须外加一级分频器，可采用 CD4013 双D 触发器完成。32、秒、分、时计数器设计秒、分计数器为 60 进制计数器。小时计数器为 24 进制计数器。实现这两种模数的计数器采用中规模集成计数器 CD4029。虽然 CD4029 没有清零端，但它有“置数”功能，当“置数”端 PE=1 时，接在置数输入端的数据立即被置到计数器输出端上。所以通过“反馈置数法”可实现任意进制的计数器。（1）60 进制计数器由 CD4029 构成的 60 进制计数器如图 5.7.3 所示。首先将

6、两片 CD4029 设置成十进制加法计数器，例如，将“B/D”接低电平，将 “U/D”接高电平。将第一片CD4029 计数器的进位输出 CO 连到第二片 CD4029 计数器的进位输入 CI，这样两片计数器最大可实现 100 进制的计数器。现要设计一个 60 进制的计数器，可利用“反馈置零”的方法实现。由于 CD4029 属于异步置树，故当计数器输出CD4029Q3Q2Q1 Q0B/DU/DPEJ3 J0CO CICP5VCD4029Q3Q2Q1 Q0B/DU/DPEJ3 J0CO CICP5V秒脉冲分脉冲0 1 1 00 0 0 0CD4081 图. 进制计数器“2Q32Q22Q12Q0、1

7、Q3Q2Q1Q0=0110、0000”时，通过门电路形成一置数脉冲，使计数器归零。图 5.7.3 电路，可作为秒、分、计数器。（2）24 进制计数器同理当个位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0100”,十位计数器状态为“Q3Q2Q1Q0=0010”时，要求计数器归零。通过把个位 Q2、十位 Q1 相与后的信号送到个位、十位计数器的置数端 PE，使计数器复零，从而构成 24 进制计数器，如图 5.7.4 所示。CD4029Q3 Q2 Q1 Q0B/DU/DPE J3 J0COCICP5VCD4029Q3 Q2 Q1 Q0B/DU/DPE J3 J0COCICP5VCD4081 时脉冲图 5.7.4

8、 24 进制计数器33、译码显示电路译码电路的功能是将“秒” 、 “分” 、 “时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动 LED 七段数码管的译码器常用的有。74LS47 是 BCD-7 段译码器/驱动器，其输出是 OC 输出且低电平有效，专用于驱动 LED 七段共阳极显示数码管。由 74LS47 和 LED 七段共阳数码管组成的一位数码显示电路如图 5.7.5 所示。若将“秒” 、 “分” 、 “时”计数器的每位输出分别接到相应的七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。在译码器输出与数码管的 R 为限流电阻。 a b c d e ffg译码器D C B AQ3 Q2 Q1Q

9、0COMa b c d e f g DP360 图 5.7.5 译码显示器34、校时电路数字钟启动后，每当数字钟显示与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。简单有效的校时电路如图 5.7.6 所示。校“秒”时，采用等待校时。当进行等待校时时，将琴键开关 K1 按下，此时门电路 G1 被封锁，秒信号进入不到“秒计数器”中，此时暂停秒计时。当数字钟显示值与标准时间秒数值相同时，立即松开 K1,数字钟秒显示与标准时间秒计时同步运行，完成秒校时。24进制计数器（时）60进制计数器（分）60进制计数器（秒）5V5V5V10K10K10K秒信号(1Hz)秒信号分信号时信号 CPCPCPK3K2K1CD

10、4011图 5.7.6 秒、分、时“校时”电路校“分” 、 “时”的原理比较简单，采用加速校时。例如分校时使用G2、G3、G4 三与非门，当进行分校时时，按下琴键开关，由于门输出高电平，秒脉冲信号直接通过、门电路被送到分计数器中，使分计数器以秒的节奏快速计数。当分计数器的显示与标准数值相符时，松开即可。当松开时，门电路封锁秒脉冲，输出高电平，门电路接受来自秒计数器的输出进位信号，使分计数器正常工作。同理， “时”校时电路与“分”校时电路工作原理完全相同。四、元件及工具清单41 元件清单：集成元件：CC40296 、74LS47 6、LED 共阳显示器6、CC4011 2、CC4081 1、CD

11、4060 1、CD4013 1电阻：360W 6、1M W 1、10KW 4电容：100pf 2晶体：32768Hz 1面包板142 工具清单：镊子、剪刀、剥线钳、尖嘴钳、表线、工具盒。五、有关元件资料51、CD406014 级串行二进制计数器/分频器和振荡器VDD16 15Q10 Q814 13Q912 11 10 9Cr CP1 CP0CP01 2Q113 4 5 6 7 8CD4060Q12 Q13 Q6 Q5 Q7 Q4 GND说明：Q4 Q1310 个输出端Q13214 分频Q12213 分频Cr清零端（高电平有效）52、CD4013双 D 主从触发器VDD142Q 2Q13 122

12、CP11 10 9 82R 2D 2S1 21Q3 4 5 6 7CD40131Q 1CP 1R 1D 1S GNDR S D CP Qn+10 0 0 00 0 1 11 0 00 1 153、CD4081 与门VDD14 13 12 11 10 9 81 2 3 4 5 6 7GND54、CD4029二/十、加/减、可预制的 CMOS 计数器16 15 14 13 12 11 10 91 2PE3 4 5 6 7 8CD4029Q3 J3 J0 CI Q0 COCOGNDQQSRDCPJ1 Q1 U/D B/DJ2Q2CPVDD不能计数1CI允许计数0进位输入允许置数1PE不能置数0预置加

13、法1U/D减法0加/减二进制计数1B/D十进制计数0二进制/十进制功能状态输入六、故障分析（1）在检测显示器是否正常示数时，发现秒显示器的个位不亮，猜测为译码器与显示器之间的导线接触不实所致。用按压法，结果发现个位闪烁。确定了错误位置。通过更换导线，解决了这一问题。（2）在接通 5V 直流电压后，发现时，分，秒均有示数，但不走。检查电路后发现没有错误。猜测是脉冲不稳。将振荡器拔出，重新认真插入，发现显示器正常示数了。问题解决。（3）在接通实验室 15V 电源时，发现显示器不亮。按压各元件，观察是否接实时发现，某个 74SL147 元件发烫，将其他 74LS147 元件换到该地方时，发现示数正常。所以，分析是该元件已损坏。更换新的 74LS147 之后，发现示数正常。问题得到解决。七、心得体会在这次数字钟设计过程中,使我在学习课本内容之后，通过观察和动手操作更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法，掌握了对电子钟的设计，组装与调试方法。熟悉了 CMOS 系列中、小规模集成电路的使用。