黄功建 数字石英钟论文

1、湖南理工学院课程设计湖南理工学院课程设计资料班 级 机电11-2BF 学 号姓 名 黄功建 指导教师 余晓峰 材 料 目 录序号名称数量1课程设计任务书12课程设计报告书13课程设计其它资料45678引言石英钟一种计时的器具。提起时钟大家都很熟悉，它是给我们指明时间的一种计时器具，我们每天都用得到它。在日常生活中，时钟准到1秒， 就已经足够了。但在许多科学研究或工程技术的领域中对钟点的要求就要高得多。石英钟正是根据这种需要而产生的。它的主要部件是一个很稳定的石英振荡器。将石英振荡器所产生的振荡频率取出来。使它带动时钟指示时间这就是石英钟。 目前，最好的石英钟，每天的计

2、时能准到十万分之一秒也就是经过差不多270年才差1 秒。高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好关键词：石英振荡器 LED显示器 数字式电子钟目录引言2目录3前言41.1数字电子钟简介4系统原理概述52.1数字钟的构成原理52.2数字钟电路系统的组成框图52.3系统的工作原理：5各单元电路设计与分析63.1振荡器电路的设计6

3、3.2分频器电路设计63.3 时间计数器电路的设计73.3.1 74LS90构成秒、分的六十进制计数器73.3.2 74LS90构成小时的二十四进制计数器 7译码驱动器及显示数码管94.1校时电路104.3功能扩展电路的设计114.4用门电路构成及电路仿真图11电路的调试13 4.54.1电路的调试过程134.2出现的问题及解决方法：13设计心得14设计心得体会：14结束语15附录1 元件清单15参考文献：15前言1.1数字电子钟简介 数字电子钟的原理方框图如图1所示。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

4、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”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显

5、示数字进行校对调整的。译码、显示译码、显示译码、显示整点报时24进制计数器60进制计数器60进制计数器校秒校分校时分频器晶体振荡器校时控制图1：数字电子时钟系统框图系统原理概述2.1数字钟的构成原理（1）数字钟的构成：振荡器、分频器、计数器、译码器、数码管显示器等几部分。（2）数字钟的时、分、秒实际上就是由一个24进制计数器（00-23），两个60进制计数器（00-59）级联构成。设计数字钟实际上就是计数器的级联。（3）芯片选型：由于24进制、60进制计数器均由集成计数器级联构成，且都包含有基本的十进制计数器，从设计简便考虑，芯片选择同步十进制计数器74LS90。2.2数字钟电路系统的组成框图

6、 数字钟电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中，主题电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字钟的扩展功能。下图所示为数字钟的一般构成框图。2.3系统的工作原理： 振荡器产生的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向时计数器进位，小时计数器按照24进制计数。计数器的输出经译码器输出或经七段译码器/驱动器（CD4511）由LED数码管显示输出。校时电路实现时、分的校正或调整、秒的清零。扩展电路整点仿电台报时、定时闹钟必须是在主题电路正常工作的情况下进行扩展。各单元电路设计与分析 主体电路是由功能部件或单元电路组

7、成的。在设计这些电路或选择部件时，尽量选用同类型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成电路或都采用CMOS集成电路。整个系统所用的器件种类应尽可能少。下面介绍各功能部件与单元电路的设计。3.1振荡器电路的设计 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，通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。晶体振荡器电路为数字钟提供一个频率稳定准确的32768（215）Hz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。下图所示为电子手表集成电路（如5C702）中的晶体振荡器电路，常取晶振的频率为32768Hz，因其内部有15级2分频集成电路，所

8、以输出端正好可得到1Hz的标准脉冲 。 如果精度要求不高也可以采用由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器。这里设振荡频率fo 103Hz=1000Hz。 晶体振荡器电路3.2分频器电路设计分频器的功能主要有两个： 1、产生标准秒脉冲信号。 2、提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1kHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。 分频器电路将32768Hz的高频方波信号经CD4060分频后得到2Hz的方波信号,再利用分频器变成1Hz标准脉冲供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。这里用74LS74联级构成，起电路图如下:3.3 时间计数器电路的设计 时间计数电路由秒个位和秒十位计数

9、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，时个位和时十位计数器为24进制计数器.下面用两个74LS90分别构成六十进制和二十四进制计数器。3.3.1 74LS90构成秒、分的六十进制计数器数字钟的“秒”、“分”信号产生电路可以用两个“可予制四位二进制异步清除”计数器来实现。利用74LS90芯片的预置数功能，也可以构成不同进制的计数器。因为一片74LS90内含有一个四位二进制异步清零计数器，因此需用两片74LS90就可以构成六十进制计数器了，当秒或分十位为0101、个位为1001时，就会向时或分个位产生进位，从而完成时

10、钟功能。其电路框图如下：3.3.2 74LS90构成小时的二十四进制计数器  时计数器是一个24进制计数器，即当数字钟运行到23时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为00时00分00秒。二十四进制计数器，也是用两个74LS90集成块来实现的，方法与六十进制计数器大同小异，但其要求个位是十进制，状态变化在00001001间循环，十位是二进制，状态变化在0000 0010间循环，显示为023时。当时十位QDQCQBQA=0010、时个位QDQCQBQA=0011时，就会自动显示为00时00分00秒。其电路框图如下：译码驱动器及显示数码管 译码驱动电路将计数

11、器输出的8421BCD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。在此选用CD4511驱动器。数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计选用的是七段LED数码管。CD4511的管脚排列如图所示。该器件输入信号为BCD码，输出端为a、b、c、d、e、f、g共7线，另有3条控制线BI LT LE。LT为测试端。在端接高电平的条件下，当LT=0时，无论输入端A、B、C、D为何值，ag输出全为高电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。BI端为灭零输入端。在LT=1，条件下，当输入A、B、C、D=0000时，输出ag全为低电平，可使

12、共阴LED显示器熄灭。但当输入A、B、C、D不全为零时，仍能正常译码输出，使显示器正常显示。端为消隐输入端。该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入端为何值，输出端ag均为低电平，这可使共阴显示器熄灭。另外，该端还有第二功能灭零信号输出端，记为STB。4.1校时电路 校时电路功能：时钟出现误差时对时间进行校准，可以实现单独对分和小时进行校对。校时电路的实现：时钟出现误差时，需校准。校对时间总是在标准时间到来之前进行，一般分四个步骤：首先把小时计数器置到所需的数字；然后再将分计数器置到所需数字；在此同时或之后，应将秒计数器清零，时钟暂停计数，处于等待启动；当选定的标准时刻到达

13、的瞬间，按起动按钮，电路则从所预置时间开始计数。由此可知，校时电路应具有预置小时，预置分、等待启动、计时四个阶段，此校时电路用与非门74LS00和74LS04实现。按动校时开关强制输入一个计数脉冲。从而改变时间。 在小时校正时不影响分和秒的正常计时，在分校时不影响秒和小时的正常计数。校时电路具体如下：4.2音响电路音响电路有，三极管放大电路组成，其电路图如下：4.3功能扩展电路的设计仿广播电台整点报时电路的设计当始终运行到XX时59分50秒时，仿电台报时开始，51、53、55、57秒为512Hz驱动的喇叭低音响一秒钟，59秒为1024Hz高音，响一秒钟结束正好是整点。4.4用门电路构成 当分和

14、秒计数器计到59分50秒时，“分”十位QDQCQBQA=0101，“分”个位QDQCQBQA=1001，“秒”十位QDQCQBQA=0101，“秒”个位QDQCQBQA=0000，从59分50秒到60分0秒（0分0秒），只有“秒”个位在计数，最后到整点时全部置“0”，从图中可以看出在59分50秒到59分59秒，门2的输入全为高电平，门3输入除“秒”个位QA外也是高电平，那么当秒个位QA=1（QA=0）时门3输出高电平，这个时间正对应是50秒、52秒、54秒、56秒、58秒。在这几个时间上，500HZ的振荡信号可以通过门1，再经过门4送出音响电路，发出五次音响。而当时间达到整点时，门3输出为0，

15、500HZ的信号不能通过门1。此刻在分十位有一个反馈归零信号QCQB，把它引来触发由门6、门7构成的基本RS触发器并使门6的输出为高电平“1”，这时1KHZ振荡信号可以通过门5，再经门4，送入音响电路，在整点时，报出最后一响。触发器的状态保持1S时间后被“秒”个位QA作用回到零，整个电路结束报时。报时所需的500HZ和1KHZ信号可以从分频电路中取出，频率分别为512HZ和1024HZ。电路图如下：电路仿真图电路的调试4.1电路的调试过程（1）用示波器来检测石英晶体振荡器的输出波形和频率，晶振正常的输出频率应该为32768Hz。（2）将频率为32768Hz的信号送入分频器，并用示波器检查各级分

16、频器的输出频率是否符合设计要求。（3）将74LS74二分频产生的秒脉冲信号分别送入时、分、秒计数器，检查各级计数器的工作情况，正常的情况下应该是分、秒为60进制，小时为24进制，并检查个进制之间的进位是否正确。（4）观察并检测校时电路的功能是否满足校时要求，即分和时可以单独校正，互不影响。（5）数字钟的以上基本功能可以实现以后，再检测扩展电路，即整点报时电路的功能实现：利用此设计的校时功能，将时间调整为任意小时59分50秒，测试报时电路报时是否正确，即在59分51、53、55、57秒的时候出现四声低音报时，在59分59秒的时候为最后一声整点报时，报时结束后刚好为整点。（6）计时、显示、校时和整

17、点报时都没问题，调试完成。4.2出现的问题及解决方法：（1）在检测秒计数器是否正确时，发现计数器不是从00开始计数，循环置数也不正确，检查了一下电路没有问题，检查芯片的好坏，再检查器件管脚的连接是否正确，悬空端、清零端与置一端是否连接正确，发现由于RD端未接，我将RD端接一个开关，开关闭和为高电平计数器工作正常，开关打开为低电平计数器清零，这样不只是解决了问题，还改进了电路功能。（2）在检测时计数器显示是否正确时，发现八段数码显示管显示不正确， 仔细检查电路连接无误，我将数码管的CC端接地，将其他端接高电平，检测数码管的每段是否有显示，结果发现数码管有两段无显示，这一情况影响了计数的显示，换了

18、另外一个经检测完好的数码管后就能正确显示了。（3）在测试校时电路部分是否正确时，我发现校时电路没有作用，由于这部分电路与非和非门用的比较多，很容易接错，如74LS20的管脚中3管脚为空管脚，仔细检查后发现有些芯片的管脚不小心接错了，改正后校时电路就能正常工作。（4）在检测整点报时电路功能时，扬声器没有声音，检查后发现是三极管的管脚连错了，扬声器是由三极管驱动的，改正错误后，整点报时就能实现了。设计心得设计心得体会： 在为期几天的时间里，通过我与同组人的共同合作及在指导老师的帮助下，借助图书馆，互联网等各种信息平台收集资料，经过汇总，提炼，不断提高自己的动手能力，最终成功完成设计。 在这次课程设

19、计中，设计小组获得了很深的感触。虽然理论知识都已经熟悉掌握，但是运用起来却十分困难。这就要求学习者要经常参加实践课程，重视每一次任课老师安排好的实验，认真对待每一次的实验，端正态度。每一次试验后要认真总结，在脑海中思考如何将本章所学理论知识运用到本次试验中。要学会注重检验自己，反思问题。数字电子技术是一门大学生必修的重要课程，该课程就是注重加强学生将理论知识与时间相结合的能力。 通过本次课程设计，我们设计小组的设计思路有所提高，排查电路故障和调试的能力都得到了一个很好的提升。在课程设计之前，必须做好相关准备工作，如到图书室借阅资料，网上查找重要信息，了解设计任务的发展背景以及发展前途，关注当前社会的电子技术产品应用情况和社会的电子需求。更重要的是，明白设计任务的重要意义，通过本次设计课题，自己需要提高什么