多功能数字钟的电路电路设计报告（开始）.docx

华 北 科 技 学 院 课 程 设 计多功能数字钟的电路电路设计报告目录一. 设计任务和要求(2)二. 的选择与论证（2）方案的选:(3)方案的论证：(4)三. 电路设计计算与分析（6）数字钟的工作原理：(7)用到的芯片内部结构图及引脚图：(17)四. 总结及心得（19）五. 附录（21）六. 参考文献（22）摘要多功能数字钟简介：是采用数字电路实现“时”，“分”，“秒”数字显示的即使装置。泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字继承电路的发展和石英晶体振荡器的使用，使得数字钟的精度，稳定度远远超过了机械钟表。钟表的数字化在提高报时精度的同时也大大扩大了它的功能。诸如定时自动报警，按时自动打铃，时间程序自动控制，定时广播，定时启闭路灯等。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。一 设计任务和要求：1 时钟显示功能，能够以十进制显示“时”，“分”，“秒”。2 具有快速校准时，分，秒的功能。3 计时准确度，每天计时误差不超过1 s。4 整点自动报时，在离整点十秒时，便自动开始发出鸣叫声，步长1s，每隔1s鸣叫一次，前四鸣时低音，最后一响时高音，最后一响结束为整点。5 选作： 闹钟功能，可按设定的时间闹时。 日历显示功能。将时间的显示扩展为“年”，“月”，“日”。二.设计的方案的选择与论证：方案的选择：要制作一个具有计时，校时，报时，显示等基本功能的数字钟主要由振荡器，分频器，计数器，译码器，显示器，校时电路，报时电路等七部分组成。石英晶体振荡器产生的信号经过分频器得到秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”，“分”，“秒”译码器译码，并通过显示器显示时间。方案的论证：通过数字钟的方块图的原理图可以看出通过数字钟方框图和原理图可以看出，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，用石英晶体振荡器加分频器来实现秒计数器”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”、计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。数字时钟的方块图:显示器显示器显示器显示器显示器显示器显示器译码驱动译码驱动译码驱动译码驱动星期计数器时十位计数器时个位计数器分十位计数器分十位计数器秒十位计数器秒十位计数器校时电路报时电路振荡器多级分频器 1. 石英晶体振荡器：石英晶体振荡器的特点时震荡频率准确，电路结构简单，频率容易调整它是电子钟的核心，用它产生标准振荡信号，再由分频器分成秒时间脉冲。用反相器和石英晶振构成的振荡电路如图：（1） 所示。利用两个非门G1和G2自我反馈，使他们工作再线性状态，然后利用石英晶振Z1来控制振荡频率。振荡器振荡频率的精度与稳定度基本上决定数字钟的准确度，晶振频率越高，计时准确度越高。目前常见的石英晶振频率是4MHz。则振荡器的输出频率为4MHz。晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768z的方波信号，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。石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/p补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。2. 分频器：时间标准信号的频率很高，要得到秒脉冲，需要分频电路。例如：振荡器输出4MHz信号，可通过D触发器（如74LS74）进行四分频变成1MHz，也可以将10分频计数器74LS160进行四分频变成1MHz。然后送到10分频计数器74LS160，经过6次10分频而获得1Hz的方波信号。分频器电路将晶振产生的32768z的高频方波信号经32768（）次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数3. 计数器： 整个计数器电路由秒计数器，分计数器，是计数器，和星期计数器串联而成的。秒计数器和分计数器分别由一个十进制计数器和一个六进制计数器串接而成，形成两个六十进制的计数器。时计数器可由一个十进制计数器和一个三进制计数器串接而成。4. 译码器： 译码器由六片74LS247（74LS48）组成，74LS247驱动器是与8421BCD编码计时器配合用的七段译码驱动器。一片74LS247驱动一只数码计数器，74LS247是集成电路开路输出，为了限制数码管的导通电流，在74LS247的输出端与数码管的输入端应该串入限流电阻。5. 显示器：本系统用的是七段发光数码管来显示译码器输出的数字，发光数码管由两种，共阳极和共阴极。74LS247驱动器时低电平输出，采用共阳极数码管。6. 校时电路：刚接通电源或走时不准时，都需要进行时间校准。实现校准时电路的方法有很多，采用基本R-S触发器构成单脉冲触发器是其中的一种，还可以利用带RC延时电路的环形振荡器。三 电路设计计算与分析：1 数字钟的工作原理：）晶体振荡器电路晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。图1)所示电路通过非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，非门与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电 阻为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容、与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电而设计，有利于减少分频器级数。从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。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。图1 COMS晶体振荡器晶体振荡器所用的元件清单序号品名型号/规格数量配件图号1电容22pf1C12可变电容320pf1C23晶振32768Hz1Y14电阻200om1R22）分频器的工作原理：如图2所示。电路由14级二进制串行计数器CD4060和D触发器构成。CD4060内部所含的门电路和外接元件构成振荡频率为32768Hz的振荡器。经计数器作14级分频后在QA端得到频率为2Hz的脉冲。然后经过二分频电路得到1Hz的脉冲。图2晶体振荡器构成的秒脉冲电路如图3所示由晶振产生的32768Hz的信号经过CD4060的14分频后产生2Hz的脉冲，而我们需要的是1Hz的脉冲，所以再加一个2分频电路就能得到1Hz的脉冲。图3用D触发器构成的2分频器分频电路所用的元件清单序号品名型号/规格数量配件图号114级分频CD40601U72二分频74LS741U25A3）显示电路工作原理：在数字钟电路中，有了时间标准“秒”信号后，就可以根据“60秒为1分”、“60”分为1小时”、“24小时为1天”的计数周期，分别组成。将这些计数器适当连接，就可以实现“秒”、“分”、“时”的计时功能。同时要将“秒”、“分”、“时”的状态显示成清晰的数字符号，就需要将计数器的状态经译码器进行译码，并通过显示器将其显示出来，这实际上构成了数字钟电路中“秒”、“分”、“时”的三个计数译码显示电路。 二十四进制（“时”）计数译码显示电路原理如图4所示。该电路由二十四进制计数器和译码显示两部分电路组成的。该电路是由集成电路74ALS160和74LS247计数器组成。将JP1和JP2的Q1和Q2作为与非门74ALS00的输入端，当第二十四个“时”脉冲到达时，74LS160的计时状态为0010和0100，此时“时”的个位计数器和十位计数器清零。从而完成了二十四进制计数功能。图图4二十四进制（“时”）计数译码显示电路六十进制（“分”，“秒”）计数译码显示电路如图5所示。该电路由六十进制计数器和译码显示电路组成。六十进制（“分”，“秒”）计数译码显示电路是由一级十进制电路和一级6进制电路串联而成的，由两个74LS161和与非门74LS00组成了十进制和六进制计数器 ，当两个计数器分别输出“1010”和“0110”时计数器74LS161清零。所以完成六十进制计数功能。秒和分的计数电路结构相同。当秒计满60个脉冲时清零的同时向分计数器发射一个脉冲，使分计数器接受一个脉冲信号。七进制（“星期”）计数译码显示电路如图6所示。该电路是由74LS161组成的七进制计数器和译码显示器组成的。当计数器显示0111时，74LS161清零。所以完成七进制计数功能。 （图6）显示电路所用的元件清单序号品名型号/规格数量配件图号1LED数码管DPY_7-SEG7DS1-DS72译码集成电路74LS2477JP1-JP73计数集成电路74LS1617U0-U644输入端与非门74LS204UX52输入与非门74LS006UX4）校时电路： （ 连续校时）（单次校时） 图7校时是数字钟应该具备的基本功能，可单次或连续校时，单次时使用了RS触发器，开关开闭一次发出一个脉冲信号时计数器增加1.而连续校时是使用了环形振荡器。接通开关后计数器连续增加1.从而实现校时的功能。校时电路所用的元件清单序号品名型号/规格数量配件图号12输入与非门74ALS002U23A U24A2非门74ALS044U19A-U22A3电阻2个10K 1个100om3U3-U54可变电阻22k1Rw5点触开关1SW-PB6电解电容100uf1C3 5）整点报时电路的工作原理：整点报时是数字钟最基本的功能之一，即当数字钟显示整点时，应能报时。要求当数字钟的“分”和“秒”计数器计到59分50秒（数字钟电路要求在离整点差10秒）时，驱动音响电路，在每隔1秒音响电路鸣叫一次，每次叫声的持续时间为1秒，10秒钟内自动发出五声鸣叫，前四次为低音，最后一声为高音，正好报整点。因此整点报时电路主要由控制门电路和音响电路两部分组成，图8整点报时电路所用的元器件清单序号品名型号/规格数量配件图号1D触发器74ALS742Q5A-Q6A22输入郁闷74ALS086U4A U12A-U17A3反相器74ALS041U13A4电阻1K1R15三极管NPN1Q6扬声器LS1SPEAKER72输入或门74LS321U18A2.用到的芯片内部结构图及引脚图：图9 CD4511BCD七段译码/驱动器图10 7400 四2输入与非门图 11 74LS161管脚图 74LS247管脚图74LS247管脚图CD4060管脚图四 总结及心得：1).设计过程中遇到的问题及解决方案： 利用晶振产生脉冲信号，而晶振产生的脉冲信号频率很高为32768Hz。在选择分频器的时候要的到1Hz的脉冲信号。最后利用了14分频的到2Hz的脉冲信号，然后再利用一个2分频的电路的到1Hz脉冲信号。 报时电路中在离整点10S时开始报时，而且以后每隔一秒低音鸣笛一次。鸣笛声为一秒。最后一声整点报时为高音。这就需要考虑在“分”显示为“59”时，“秒”显示的十位从“5”开始，个位从“0”到“9”开始报时。在“秒”和“分“都显示”59”时整点高音报时。2）设计过程的心得体会：首先通过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念。在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了数字电子中所用到的许多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。在接六十进制和二十四进制的计数器中，理解并掌握了74LS161的工作原理及计数过程。并且知道了怎么用已有的计数器构成想要得到的计数器。通过分频电路掌握了怎样的到想要的脉冲信号。真个电流由自己来设计，锻炼了我们的逻辑思维和全面想为题的能力。尤其时在设计报时电路的时，不能漏掉某一种可能，否则都会使报时电路不准确。通过这次课程设计学习，让我对自己专业有了更一步的了解，让我对各种电路都有了大概的认识，许多以前认为很复杂的电路只要自己认真思考就能做的出来。在绘制电路图和仿真的过程中，也进一步熟练使用Protel99SE 和 Multism97 。这些对以后的学习和工作都有很大的帮助。所以说，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获。 这次课程设计能够顺利完成是在老师的精心知道下完成的，学校安排的课程设计是对我们所学的理论知识的一次考察，也是我们吧理论与时间相结合的最好的一次机会。能够顺利完成这次课程设计，是我们对自己大学所学到的知识最好的一次肯定。五附录：元器件明细表（主要用于列出本次课程设计中所用的全部元器件）1十六进制计数器74LS160七片2七段译码器74LS247七片3四输入与非门74LS00两片4二4输入与非门74LS20两片5四2输入与门74LS08三片6二D触发器74LS74两片7六反相器74LS04一片8数码显示管七个914分频器CD4060一个10石英晶体振荡器32768Hz一个11可变电阻2.2K一个12电阻2