课程设计数字电子钟的设计.doc

1、湖南石化职院 2006 届毕业设计 第 1 页/共 12 页课程设计课题数字电子钟的设计【 摘要 】 ：20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如，定时报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启动等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字种及扩大其应用，有着实际的意

2、义。 钟表是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,所以数字钟采用相应进制的计数器，转化为二进制数，经过译码和显示电路准确地将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来，使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能. 【 关键词 】 ： 数字电子钟 秒脉冲 分频器 计数器 振荡器 校时电路 60 进制 24 进制【 设计目的 】 ：1. 熟悉集成电路的引脚安排。2. 掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。3. 了解面包板结构及其接线方法。4. 了解数字钟的组成及工作原

3、理。5. 熟悉数字钟的设计与制作。湖南石化职院 2006 届毕业设计 第 2 页/共 12 页【 设计要求 】 ： 用与非门、计数器、译码器、数码管等器件进行设计，以 24小时为一周期且显示时、分、秒，且能实现单独的校时，使其校到标准的时间的数字钟电路。【 原理框图 】 ：工作原理：电子钟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60 进制计数器，每累计 60 秒发出一个“分脉冲” 信号，该信号将作

4、为 “分计数器”的时钟脉冲。 “分计数器 ”也采用 60 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 进制计时器，可实现对一天 24 小时的累计。译码显示电路将“ 时”、 “分”、 “秒” 计数器的输出送到七段显示译码驱动器译码驱动，通过六个七段 LED 显示器显示出来。校时电路是直接加一个脉冲信号到时计数器或者分计数器或者秒计数器来对“时”、 “分”、 “秒” 显示数字进行校对调整。数字钟的原理框图如下图所示：数字钟的计时周期为 24小时，显示满刻度为 23时 59分 59秒，另外还有校时功能和报时功能。因此，一个基本的数字钟

5、电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。干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 60进制计数器，每累计 60秒发现胡一个“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60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进制计时器，可实现对一天 24小时的累计。译码显示电路将“时”

6、、“分”、“秒”计数器的输出状态菁七段显示译码器译码，通过六位 LED七段时显示器 分显示器 秒显示器时译码器 分译码器 秒译码器时计数器 分计数器 秒计数器校时电路振 荡 器 分 频器湖南石化职院 2006 届毕业设计 第 3 页/共 12 页显示器显示出来。校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。【 各单元电路的设计 】 ：1、电源电路的设计：数字电子钟要工作那就必须有一个电源向其供电，该电源要求输出稳定的5V直流电，由于干电池要经常换，比较麻烦，那就需用220V交流电通过降压、整流、滤波和稳压来得到此符合要求的电源。设变压器一次侧电压为u1，二次侧电压为u2，则变压

7、器两次的线圈匝数分别为n1、n2，由于桥式整流电路输出的电压平均值为U0=0.9U2。因为u2=2Usinwt所以u2=6.4sinwt所以u1/u2=n1/n2=220v/6.4v=55/16通过滤波电容C的充放电，使输出电压变得平滑，及波显著减小，由于电容C充电的瞬时电流很大，形成浪涌电流，容易损坏二极管，故在选择二极管时，必须留有足够的电流裕量，一般可按（2-3）I0来选择二极管。因为f=50HZ令RL=40欧姆所以C=4（T2）/R=1000uF对于5V输出电路，左端输入为普通变压器的输出，为大约13V 的50Hz的交流电。这个电压随着市电压的波动一般是不稳定的。该电压经过4个二极管组

8、成的整流桥堆后，交流电的负半周被翻折，变成非交变电压。再经过C1、C2 、C10的低通滤波后，电压被送入线性三端稳压集成电路7805的输入脚。线性三端稳压集成电路是一种被广泛应用的稳压电路芯片，7805、LM337、LM317都属于这样一类电路，它的输入为一个不稳定的电压，输出则为一路稳定的电压，顾名思义，其稳压方式为线性方式。78*系列集成电路都是输出为一固定正电压的电源芯片，后两位数字代表了稳压输出的电压值，7805的稳压输出则为+5V 。C3、C11为输出滤波电容，能一定程度的抑制电源上的波动及高频分量。R1、DS1为电源指示灯。2、振荡器电路的选择：湖南石化职院 2006 届毕业设计

9、第 4 页/共 12 页方案（一） 采用 555 构成的多偕振荡电路 振荡器电路选用 555 构成的多偕振荡器，当电路刚接通电源时，由于 C来不及充电，555 电路的脚处于零电平，导致其输出脚为高电平。当电源通过RA、RB 向 C充电到 VcVcc 时，输出端脚由高电路平变为低电平，电容 C经RB和内部电路的放电开关管放电。当放电到 VcVcc 时，输出端又由低电平转变为高电平。此时电容再次充电，这种过程可周而复始地进行下去，形成自激振荡。图(b)给出了输出端及电容器 C上电压的波形。设振荡频率 f=32768Hz，其中的电位器可以微调振荡器的输出频率。 （a）555 多偕振荡电路方案（二）

10、采用石英晶体振荡器晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的 32768Hz的方波信号，此外还有一校正电容可以对温度进行补偿，以提高频率准确度和稳定度，使稳定度优于 555电路，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确，电路结构简单，频率易高调整。它还具有压电效应，在晶体某一方向加一电场，则在与此垂直的方向产生机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时，才达到最后的稳定，这种压电谐振的频率就是晶体振荡的湖南石化职院 2006 届毕业设计 第 5 页/共 12 页固有频率。用反相器与

11、石英晶体构成的振荡电路如图所示。这是最常用的一种石英晶体振荡电路，振荡频率就不用计算了，由石英晶体的谐振频率决定，如电路中的石英晶振频率是32768Hz，则电路的输出频率为 32768Hz。改变 C1、C2 能微调振荡频率。如果把石英晶体等效成 LC 电路，这个振荡电路实际上就是电容三点式振荡电路。由此可知，电容C1、C2 的作用是产生正反馈，对它们的选取没有严格要求，一般取 C1C2，容量在几十皮到几百皮之间。电阻 R 的作用是把非门变成一个反相放大器。它的阻值在 1M 以上由于 CMOS 电路的输入阻抗极高,因此反馈电阻 R1 可选为 10M.较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。55

12、5 集成定时器组成的多谐振荡器。它具有电路简单、组装方便等优点。但是它产生的时间信号频率低、稳定性差，严重影响数字钟的精度。. 故选用石英晶体振荡器。3、分频器的设计：分频器的功能主要有二个：一是产生标准的“秒”脉冲，二是可提供功能扩展电路所需要的信号。其 电路图如 上所示。 分频器电 路将振荡 器所产生 的32768Hz的高频方波信号变成 1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。所以通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级 10进制计数器（如74LS90）来实现，但对于频率高的来说，那采用的 10进制计数器就很多了，那就要采用更好的计数器，在这里我采用的是 74L

13、S161，如果振荡器输出 32768Hz 的信号，通过74LS161 进行 16 分频，经过 3 次 16 分频后，再经 4 分频和 8 分频而获得的 2Hz 和 1Hz的方波信号作为秒脉冲信号。湖南石化职院 2006 届毕业设计 第 6 页/共 12 页4、计数器的设计：显示“时”、“分”、“秒”需要 6 片中规模计数器。其中，“秒”、“分”位计时个为六十进制计数器，“时”位计时为二十四进制计数器。六十进制计数器和二十四进制计数器都选用 74LS90集成快来实现，实现的方法采用反馈清零法。计数器是一种累计时钟脉冲数的逻辑部件。计数器不仅用于时钟脉冲计数，还用于定时、分频、产生节拍脉冲以及数字

14、运算等。计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。按触发方式，把计数器分成同步计数器和异步计数器两种。对于同步计数器，输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的，而异步计数器中的触发器的翻转则不是同时。我采用的是 74LS90,它属于异步计数器。如下图所示：其中，R9（0）、R9（1）称为置“9”端，R0（1）、R0（2）称为置“0”端；CP1、 CP2端为计数时钟输入端，QdQcQbQ0a为输出端。74LS90 具有以下功能： 置“9”功能：当 R9（0）=R9（1）=1 时，不论其他输入端状态如何，计数器输出Qd Qc Qb Qa=1001，而（1001）2=（9）10，故又称为异步置数功能。 置“0

15、”功能：当 R9（0）和 R9（1）不全为 1，并且 R0（1）=R0（2）=1 时，不论其他输入端状态如何，计数器输出 Qd Qc Qb Qa=0000，故又称为异步清零功能或复位功能。先介绍下 74LS90：计数功能：当 R9（0）和 R9（1）不全为 1，并且 R0（1）和 R0（2）不全为 1 时，输入计数脉冲CP，计数器开始计数。计数脉冲由 CP1 输入，从 Q0 输出时，则构成二进制计数器；计数脉冲由 CP2输入，输出为 Q2Q1Q0 时，则构成五进制计数器；若将 Q0 和 CP2 相连，计数脉冲由 CP1 输入，输出为 Q3Q2Q1Q0 时，则构成十进制（8421 码）计数器；若

16、将 Q3 和 CP1 相连，计数脉冲由 CP2 输入，输出为 Q3Q2Q1Q0 时，则构成十进制（5421 码）计数器。因此， “要实现秒计数，须设计一个 60进制计数器；要实现分计数，须设计一个 10 进制计数器。74LS90 是二五十进制计数器，所以设计一个 60 进制秒计数器要用两个 74LS90，当计数状态一到 01100000 立即清零。因为 90 有反馈清零端，所以用反馈清零法。湖南石化职院 2006 届毕业设计 第 7 页/共 12 页功能表如下：(1)60 进制计数： “秒”计数器电路与“分”计数器电路都是 60 进制，它由一级 10进制计数器和一级 6 进制计数器连接构成，如

17、图所示，采用了两片 74LS90中小规模集成芯片串联起来构成“秒”，“分”计数器。如图，左边的一片是十进制计数器，右边的一片是六进制计数器，个位十进制计数器经过十个脉冲循环一次，每当第十个脉冲来到后，Qd 由“1”变为“0”，相当于一个下降沿，使十位六进制计数器计数。个位计数器经过第一次十个脉冲时，十位计数器计数为“0010”；依次类推，经过第六十个脉冲时，计数器计数为“0110”。接着，立即清零，二位计数器都恢复为 “0000”。 这就是 60 进制计数器的工作原理。可作为秒、分计数器使用。（2）24 进制计数：湖南石化职院 2006 届毕业设计 第 8 页/共 12 页当“时”个位计数输入

18、端 CP1 来到第 10 个触发信号时， “时”个位计数计数器复零，进位端 Qd 向 “时” 十位计数器输出信号，当第 24 个“时” (来自“分”计数器输出的进位信号)脉冲到达时，“时”个位计数器的状态为“0100”， “时”十位计数器的状态为“0010”，此时 “时”个位计数器的 Qc 和“时”十位计数器的 Qb 计数器清零端 R0(1)和 R0(2)通过 74LS90 内部 R0(1)、R0(2)与非后清零，完成二十四进制。5、译码器的设计：译码是将给定的代码进行翻译，计数器采用的码制不同，译码电路也不同。译码器由六片CT74LS47组成，每一片CT74LS47驱动一只数码管，因为CT7

19、4LS47以低电平为输出信号的，适用于驱动共阳极数码管，所以这里应当使用共阳极数码管。CT74LS47是OC门，为了限制数码管各段导通时的正向电流，在CT74LS47的每一个输出端与数码管的对应输入端之间均有限流电阻其中IA、IB、IC、ID 为译码器的输入，接收计数器74LS90的输出信号；LT、BR、RB是控制端，在电路中接高电平（即悬空） ；输出为OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG， ，集成块CT74LS47的内部结构如下图所示 湖南石化职院 2006 届毕业设计 第 9 页/共 12 页6、校时电路的设计：当重新接通电源或计时出现误差时都需要对时间进行校正.。通常, 校正时间的方

20、法是:首先截断正常的计数通路,然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态即可. 根据要求,数字钟应具有秒校正、分校正和时校正功能。因此 ,应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。K1、 K2 分别时校正、分校正开关，不校正时，K1、K2 是闭合的。当校正“时”位时，需把 K1 开关打开，然后用手拨动 K3 开关，来回拨动一次，就能使 “时”位增加 1。根据需要去拨动开关的次数，校正完毕后把 K1 开关合上。校 “分”位和校“时”位方法一样。K1 、K2 也可以加基本 RS 触发器

21、防止抖动。如上图所示即为带有基本 RS 触发器的校时电路, 7、显示器的设计：数码管是数码显示器的俗称。常用的数码显示器有半导体数码管，荧光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。 当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需

22、要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。本设计用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：共阳极或共阴极显示器。74LS47 译码器对应的显示器是共阳显示器。而选湖南石化职院 2006 届毕业设计 第 10 页/共 12 页共阴显示器时要多加几个非门，这样一来电路就复杂了，故选共阳显示器。 电路如图所示：【 调试与仿真 】 ：在 74LS161 的调试过程中可能没有到 16 而进位在进位时会多出一个消隐状态，为了消除这个状态，用一个非门从进位端接到异步清零端，就可消除这个状态，从而让计数重新从零开始。从左到右的函数发生器中第一个是为校时提供的，第

23、二个是为校分提供的，第三个是是正常计数产生脉冲的信号源。本人觉得假设在实际的实验箱上组装电子钟时，注意器件管脚的连接一定要准确。 “悬空端“、 “清0 端”、 “置 1 端” 要正确处理，调试步骤和方法如下： （1）将频率为 32768HZ 的信号送入分频器，并用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合设计要求。 （2）当分频器和计数器调试正常后，观察电子钟是否准确正常地工作。 【 结论 】 ：（一）在实验中容易出现故障的是接触不良，解决的方法为：（1）集成块引脚方向预先弯好对准面包板的金属孔，再小心插入。（2）导线的剥线长度与面包板的厚度相适应（比板的厚度稍短） 。（3）导线的裸线部分不要露在板的上面，以防短路。（二）注意事项：（1） 按照原理图接线时首先确保可靠的电源和接地。（2） 注意芯片的控制引脚必须正确接好。（3） 检查故障时除测试输入、输出信号外，要注意电源、接地和控制引脚。（4） 要注意芯片引脚上的信号与面包板上插座上信号是否一致（集成块引脚与面包板常接触不良） 。（5） 为了便于测试，可将 2Hz 信号直接输入到各级计数器。（6） 接校时电路时可接模拟信号输入（如 1Hz 和 2Hz）测试输出信号的切换正确后，再将秒进位和分进位信号接到校时电路，再接校时电路输出到分计数器和时计数器。