1、华 南 农 业 大 学电子线路综合设计数字电子钟班级： 14 电气类 8 班 组别：4指导教师： 2016 年 月II摘 要电 子 数 字 钟 是 一 种 用 数 字 电 路 技 术 实 现 时 、 分 、 秒 计 时 的 装 置 ， 比 机 械 式 时 钟具 有 更 高 的 精 确 性 。 本 次 课 程 设 计 的 电 子 数 字 钟 ， 具 有 以 下 功 能 ： 用 24 进 制 ，从 00 开 始 到 23 后 再 回 到 00， 各 用 2 位 数 码 管 显 示 时 、 分 、 秒 （ 如 23： 52： 45） ；可 实 现 手 动 或 自 动 的 对 时 、 分 进 行 校
2、正 ； 计 时 过 程 具 有 报 时 功 能 ， 当 时 间 到 达 整 点前 10 秒 进 行 报 时 ， 蜂 鸣 器 响 1 秒 停 1 秒 地 响 5 次 。 整 个 电 路 设 计 主 要 包 括 秒 信 号产 生 电 路 、 时 分 秒 计 数 电 路 、 译 码 显 示 电 路 、 时 分 的 校 正 电 路 以 及 整 点 报 时 电 路 。秒 信 号 产 生 电 路 由 石 英 晶 体 振 荡 器 和 分 频 器 实 现 ， 将 此 信 号 接 到 秒 计 数 器 的 信号 输 入 端 ， 在 秒 信 号 的 驱 动 下 ， 秒 计 数 器 向 分 计 数 器 进 位 ， 分
3、 计 数 器 向 时 计 数 器 进位 ， 最 后 通 过 译 码 器 将 计 数 器 中 的 状 态 以 时 间 的 形 式 显 示 在 数 码 管 。 整 点 报 时 电 路由 计 时 电 路 的 输 出 状 态 产 生 脉 冲 信 号 送 至 蜂 鸣 器 实 现 报 时 。 校 时 电 路 加 上 一 个 脉 冲送 到 时 分 计 时 器 电 路 从 而 实 现 时 和 分 的 校 整 。为 了 更 好 的 完 成 本 次 课 程 设 计 ， 我 们 对 题 目 进 行 了 分 析 讨 论 ， 参 考 了 很 多 相关 的 资 料 ， 同 时 考 虑 到 实 验 室 能 提 供 的 设
4、备 仪 器 及 元 件 ， 确 定 了 初 步 的 设 计 方 案 ；经 过 多 次 软 件 仿 真 ， 确 定 并 完 善 了 最 终 的 设 计 方 案 。 根 据 设 计 方 案 进 行 焊 接 、 电 子仪 表 检 查 、 调 试 并 测 量 电 路 的 工 作 状 态 ， 排 除 电 路 故 障 ， 调 整 元 件 参 数 ， 改 进 电 路性 能 ， 使 之 达 到 设 计 的 指 标 和 要 求 ， 做 出 成 品 。关键词：晶体振荡器 CD4060 CD4511 74LS90III目 录1 系统概述.11.1 设计任务和目的.11.2 系统设计思路与总体方案. 11.3 设计方
5、案选择. 11.4 总体工作过程 . 21.5 各功能模块的划分和组成 .22 电路系统设计与分析 .42.1 秒信号的发生电路 42.2 时、分、秒计数电路52.3 译码显示电路 62.4 时、分校正电路 72.5 整点报时电路 83 电路的安装与调试 93.1 安装调试的步骤 93.2 电路软件仿真调式 93.3 电路焊接及实物调式 103.4 实验过程可能存在的问题 104 实验数据和误差分析 115 实验结论及分析 116 实验收获、体会和建IV议12参考文献 13附录 1 元器件清单明细表 14附录 2 总原理接线图 15附录 3 电路焊接实物图16致谢 1711 系统概述1.1 设
6、计任务和目的 此次设计为一种多功能数字钟，该数字钟具有的基本功能包括能准确计时，以数字形式显示时、分、秒、可实现手动或自动的对时、分进行校正以及具有整点报时功能。通过对本次设计制作的实践，我们可以更好的掌握课本内的理论知识，以理论结合实际，应用知识解决日常生活的问题。1.2 系统设计思路与总体方案 一个简单的数字钟由秒信号发生电路，时、分、秒计数电路，译码显示电路组成，要求有校正时、分和整点报时功能，故要加入校时电路和报时电路。因此其原理可由如下的框图表示出来。图 1 数字钟总体结构图1.3 设计方案选择对于数字钟电路的设计方案将有不同的几种设计可以实现，其不同的方案有着不同的元器件，主要设计
7、方案如下：方案一：采用逻辑电路设计实现时、分、秒计时功能和整点报时功能，以及校时功能都能通过芯片实现，电路通过计数时钟脉冲具有自动更新秒的显示，纯属硬件设计无需程序干预。显示电路时计数器分计数器秒计数器校时电路 报时电路振荡电路分频电路2方案二：利用单片机编程实现 通过利用单片机内部定时计数器实现计时，软件设置 I/O 作为数码管或液晶显示信号输出，时间校准按键输入。软件实现的电子钟具有编程灵活，并便于功能的扩展。综合比较上述各方案，考虑实验室所能提供的元器件级设备，以现在的知识水平，决定采用方案一设计逻辑电路作为最终选择方案。1.4 总体工作过程1.4.1 时间的前进和显示的实现 首先由秒信
8、号产生电路生产秒信号，将此信号接到秒计数器的信号输入端。接着，在这个秒信号的驱动下，秒计数器向分计数器进位，分计数器向时计数器进位，最后通过译码器将计数器中的状态以时间的形式显示出来，这样就实现时间的前进和显示功能。1.4.2 整点报时的实现 在时、分计数器的输出端接收整点的信号，驱动蜂鸣器的频率信号，在将此信号通过功率放大电路进行放大，从而使蜂鸣器工作。1.4.3 校正时、分的实现在秒向分进位的路径中加入一条用手动产生信号的路径，并通过数据选择器来选择接通两条中的手动信号，从而实现对分的校正。同理，对时的校正的方法与此相同。1.5 各功能块的划分和组成1.5.1 秒信号产生电路方案一：采用
9、555 定时器组成的振荡器，产生 1kHz 后做千分频输出 1Hz 时钟。由于 555 是利用电容的充放电产生矩形波时间误差较大，需通过产生高频繁波形从而减少误差，但这样就必须另外加分步电路做分频，这样精度不是很高且增加了制作的成本。方案二：采用石英晶振电路产生稳定的时钟后做分频 采用 32768Hz 的晶振产生 2Hz 时钟后通过 CD4060 二分频最终产生 1Hz 时钟。石英晶体的振荡频率为 36728HZ，极为稳定，因而用它构成的多谐振荡器产生的波形的稳定性很高。由于石英晶体产生的振荡频率很高，需要用分频器进行分频处理。这里用CD4060 分频器处理，再通过 74LS74 产生秒信号。
10、如下图：3图 2 石英晶振电路综合比较两方案，通过 555 芯片产生的时钟周期与 RC 电路值有关容易产生较大的误差且需要使用 3 块十进制芯片构成千分频电路，而通过 CD4060 产生的时钟周期只与晶振的谐振频率有关可以产生稳定精确的时钟信号且仅需再加 1 块二分频芯片即可实现，综合考虑最终选择采用方案二。1.5.2 时、分、秒计数电路及译码、显示电路此部分电路包括 6 个 74LS90 BCD 码计数器和 6 个七段数码管，其中秒分是 60 进制，时接成 24 进制，及相应的译码显示器。时、分、秒都是要用两位十进制数表示的，时、分、秒的个位和十位所对应的计数器状态输出都是 BCD 码，因而
11、用 BCD 码计数器。由于计数器构成的扩展进制数多为 BCD 码输出形式，所以显示采用由七段数码管译码器驱动器（CD4511）驱动数码管作为显示电路部分。1.5.3 时、分的校正电路这部分电路由产生调节信号的装置和数据选择器组成。1.5.4 整点报时电路这部分电路由控制音响的频率信号采集电路和蜂鸣器组成。2 电路系统设计和分析 2.1 秒信号的发生电路秒信号发生电路由石英晶体振荡器、CD4060 分频器和双 D 触发器组成。需要的元件有 74LS74、CD4060 ，电阻若干、电容若干和 36728HZ 的晶振。其电路模型如下：474LS741HZ2HZCC4060图 4 秒信号产生电路1HZ
12、CD4060振荡电路是电子数字钟的核心部分，它的频率和稳定性直接关系到表的精度。因此选择石英晶体作为振荡器，为了得到频率更加准确的频率信号，加入了电容和电阻，其中电容为 20uF，电阻为 20M。石英晶体产生的频率为 32768Hz，要得到 1HZ 的信号需要再次对它进行分频，故选用 CD4060 分频器分频，再加一个双 D 触发器得到 1s 的脉冲秒信号。2.2 时、分、秒计数电路这部分电路由秒部分、分部分和时部分三部分组成，将这三部分进行一定的连接就可得到完整的时、分、秒计数电路。2.2.1 秒部分此部分为一个 60 进制的 74LS90 计数器，它的 CP 脉冲是前面生成的秒信号，它的清
13、零信号可以作为向分进位的进位信号。下面是电路连接图：5图 5 秒计数电路2.2.2 分部分这部分电路与秒部分电路相似，它的输入 CP 是秒部分电路产生的进位信号，它的清零信号作为向时进位时的进位信号。电路图如下：2.2.3 时部分这部分电路是一个 24 进制的计数器，它的输入 CP 为分部分的进位信号，需要的元件与秒、分电路一致。电路图如下：图 6 分计数电路6图 7 时计数电路2.3 译码显示电路这部分电路由 CD4511 和数码管组成，CD4511 是一个 BCD 七段译码器，具有BCD 转换、消隐、锁存并兼有驱动功能，直接驱动 LED 显示器，通过 CD4511，可将二进制数转化为十进制数，从而在数码管上显示十进制数字，其电路图如下：图 8 译码显示电路2.4 校正时、分电路2.4.1 校分电路实现分的校准的基本思路是：断开原来正常的分输入信号即秒电路的进位信号，把频率可以认为控制的手动脉冲接入，从而实现快速的人为的分计数，当到达准确的数值后再接入正常的计数脉冲，进行正常的前进。通过开关手动控制时、分脉冲输入。以下为接线图：
