数电课程设计--数字钟 (2)

1、兰 州 理 工 大 学 电子技术综合训练 说明书院系： 班级： 姓名： 学号： 时间： 2014 年 1月 15 日电气工程与信息工程学院目 录摘要3设计任务书41 数字钟的构成52 数字钟单元电路的设计52.1 振荡器电路设计52.2 5V电源的设计6 2.3时间计数单元设计62.3.1用74LS160构成秒和分计数器电路72.3.2用74LS160构成时计数器电路82.3.3译码显示单元电路设计102.34 校时单元电路设计102.3.5整点报时电路113数字钟的实现电路及其工作原理124 电路的安装与调试135 课程设计心得体会146参考文献15内容摘要数字钟是一种用数字电路技术实现时、

2、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。因此，我们此次设计数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟。而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及使用方法。且由于数字钟包括组合逻辑电路和时序电路。通过它可以进一步学习和掌握各种组合逻辑电路和时序电路的原理与使用方法。数字电子钟由信号发生器、“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，利用石英晶体多谐振荡器、CD4060、74LS74来实现。将标准秒脉

3、冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用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，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，可以实现一天24h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显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对调整。关键词：计数器、显示器、校时电路、整点报时电路、振荡器数字式电子钟的设计设计任务书姓 名

4、： 院 （系）：专 业： 班 级：任务起至日期：课程设计题目： 多功能数字电子钟的设计课程设计要求：1.数字形式显示时、分、秒，在分和秒之间显示“：”，并按1次/秒的速度闪烁；2.每日以24小时为一个记时周期；3.有校时功能，能够在任何时刻对电子钟进行方便的校正；4.电源:220V/50Hz的工频交流电供电；5.按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim进行仿真，用万板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。发挥部分：整点时刻通过扬声器给出提示，该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性。设计进度：（1） 第一周 选题，熟悉题目，分析要求，查找

5、资料，选择方案，优化方案，确定原理方框图，单元电路设计，选择元器件；（2） 第二周 进行电路仿真，确定电路原理图，画出电路原理图，购买元器件，焊接电路；（3） 第三周 电路调试，电路测试，绘制电路原理图，完成设计报告，答辩。1、 数字钟的构成 数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。主要由振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，通常使用石英晶体震荡器，然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位，分计数器满60后向小时计数器进位，小时计数器按照24进制计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。由

6、于计数的起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路上加一个校时电路，当计时出现误差时，可以用校时电路校时、校分。如图 1-1所示为数字钟电路系统的组成框图。图 1 数 字 电 子 钟 系 统 框 图振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。通常选用石英晶体构成振荡器电路构成振荡器。 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。 译码驱动电路将计数器输出的84

7、21BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。 显示电路的组成主要是数码管，数码管由7个发光二极管组成，行成一个日字形，在设计中用共阴极七段显示LED数码管。当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正，所以数字钟应具有分校正和时校正功能。对校时电路的要求是：在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。2 数字钟单元电路的设计 2.1振荡器电路设计 石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强

8、烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，因此秒脉冲用石英晶体多谐振荡器产生。 秒脉冲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。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。 振荡器:利用石英晶体与RC构成的多谐振荡器，经过CD4060、74LS74获得1Hz标准秒脉冲。其电路图如下图2石英晶体振荡电路2.2 5V电源的设计稳定直流源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。我们可以采用以桥式整理电路

9、实现整流的目的，以大电容作为滤波电路，然后接负载。图3 5v电源产生电路2.3时间计数单元设计时间计数单元由时计数、分计数和秒计数等几个部分组成。时计数单元为24数器计数，其输出为两位8421BCD码形式，分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。本实验采取了用两块74LS160芯片进行级联来产生60进制和24进制计数器。2.3.1 用74LS160构成秒和分计数器电路秒、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74LS160构成。60进制计数器由74LS160构成的60进制计数器，将一片74LS160设计成10进制

10、加法计数器，另一片设置6进制加法计数器。两片74LS160按反馈清零法串接而成。秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为分计数器的输入脉冲CP。下图电路即可作为秒计数器，也可作为分计数器。图4 60 进 制 计 数 器2.3.2用74LS160构成时计数器电路由两片74LS160构成二十四进制计数器，首先将两片74LS160以并行进位方式连接成一百进制计数计。当计数器从全零状态开始计数，进入24个脉冲时，经过电路图如下:与非门译码产生低电平信号立刻将两片74160同时置零。图5 24 进 制 计 数 器 2.3.3译码显示单元电路设计 计数器实现了对时间的累计以8421BCD

11、码形式输出，译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为七段数码管的正常工作提供足够的工作电流。译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的工作是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信号等。译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。用于驱动LED七段数码显示CD4511.显示器LG5011AH图6是共阴极式LED数码管的原理图，使用时公共阴极接地，使每个发光二极管都处于导通状态，而且这7个发光二极管a到g分别由相应的

12、BCD七段译码器来驱动。图 6 共阴极LED数码管的原理图译码显示器CD4511：CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器。具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动共阴LED数码管。引脚功能A0A3：二进制数据输入端 CD4511引脚图/BI：输出消隐控制端 LE：数据锁定控制端/LT：灯测试端 YaYg：数据输出端VDD：电源正 VSS：电源负真值表使用方法其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示

13、，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。图 7 译码显示电路的原理图2.3.4 校时单元电路设计 当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正，所以数字钟应具有分校正和时校正功能。对校时电路的要求是：在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数，所以，必须要有两

14、个控制开关分别控制分个位和十个位的脉冲信号。在校时时，应截断分个位或者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。图8 校 正 电 路2.3.5整点报时电路整点报时电路设计,每当数字钟计时快到整点时发出响声,在5950开始报时，直到整点，报时结束。图9 整点报时电路3 数字钟的实现电路及其工作原理数字钟的工作原理：首先给秒个位的CLK端输入一个标准秒脉冲信号（此信号即为晶振多谐振荡器产生的标准脉冲信号。）（1）J1、J2开关都打到右边时，J3开关都打到下边时，数字钟开始计数，其中，秒、分为60进制计数，时为24进制计数。（2）J3打向右边，J2打向下边时，可以

15、进行校分功能：手动产生单次脉冲作校时脉冲，即每拨动校时开关J1一个来回，计数器计数一次，多次拨动开关J1就可以进行准确校时。（3）J3打向右边，J1打向下边时，可以进行校时功能，其方法与校分的方法相同。图10 数字钟电路图4电路的安装与调试安装与调试步骤：数字钟系统组成框图，先将秒个位、秒十位、分个位、分十位、时个位、时十位分级焊接，在经过调试没有出现问题后再将它们一一逐级级联，级联后再进行整体计时电路的调试，若此电路能够进行正常计数，那么一个完整的计时电路就出来了。最后分别进行秒脉冲发生器及调时电路的安装，经调试没有出现问题，再将它们与计时电路连接。最后进行整体电路（即数字钟）的调试。在焊接

16、实物与调试这个阶段，出现了比较多的问题，但是经过我们几个人的讨论及分析，最终找到了解决方案。首先，在刚开始焊板子的时候，由于不熟悉，不小心把管脚焊错，甚至将整个底座的极性搞反，导致电路不工作。解决方法就是用吸锡器把焊错地方的锡先吸走，再一个人拿烙铁，一个人拔底座，将底座弄出来重新焊上去。其次，由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测，发现有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好,其解决方法为把芯片拔出，根据板子孔的的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入面包板中，此后发现能正常显示。在检测驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良

17、的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。 用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。在进行分十位的调试时，发现数码管的七段显示中有一段不亮，检查电路发现数码管与译码管相连接的七个应该是470的电阻，有一个却误焊上了100。解决方法就是将那个电阻换上正确阻值的电阻。在测试校准电路时发现拨动一次脉冲开关，计数器并不能准确加1，有时会出现加2的现象。究其原因发现仅仅

18、由开关构成的校准电路有抖动现象，使得计数器计时不准确。解决方法就是在原有的校准电路中加焊一个防抖动电路，用基本RS触发器就可以实现这个目的。5课程设计心得体会通过本次课程设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.我这毕业设计由于我采用的是数字电路来实现的,所以电路较复杂,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.。通过这次数字钟的课程设计与制作，让我知道设计电路的实际应用，也让我初步了解了关于数字钟的一般原理与设计理念，加深了对各种芯片逻辑功能的了解，更重要的是掌握了许多实际操作技能。由于数字钟包括组合逻辑电路和时序电路，通过它也让我进一步学习与

19、掌握了各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。这次课程设计时间有十五天，而安排在前期原理图设计上的时间就用了两天，可见前期准备的重要性，前期的准备充分与否，直接关系到设计的成败。当我得知这次课程设计的任务是数字钟之后，马上就去图书馆查找相关资料，先对数字钟的设计有个总体的把握，顺利画出了它的总体设计框图。接下来就是对组成数字钟的各个功能模块的设计了，这一步是本次设计的重中之重，它需要考虑很多东西，像选择什么样的芯片，多大的电阻、电容等等。经过上网查找和与同学讨论确定了各个模块的电路，一个完整的数字钟的电路图已经形成。设计方案经过老师肯定之后就是数字钟的制作与调试了，它占了总时间的一半，这是

20、一个难点也是重点。在这个环节中，我学到了许多在课本上学不到的东西，我想这个过程用“山穷水复疑无路，柳暗花明又一村”来形容最贴切不过了。把芯片插座焊到试验板上还是简单的，但接线路就不那么简单了，它要考虑到管脚的作用以及管脚与管脚之间的连线并且还要与原理图相对应，不能接错一个脚。特别是接秒个位时由于对元器件不熟悉，再则由于焊接技术不高，造成虚焊等原因使的得秒个位久久不能成功，看着不少同学都成功了，自己心里真的难受，有点想放弃。但还是坚持下来了，经过近一天时间的查找和调试秒个位终于成功了。正是由于这一天不断的查找和调试，让我学回了许多电路的测试和故障排除的技能。在这个过程中吸取了许多教训，我在接下了的制作过程中就显得异常轻松，比较快的完成了这次任务。这就是好事多磨吧！本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的数字钟，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对数字钟的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理、译码驱动原理和校时原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学