《数字钟课程设计》word版.doc

目 录一设计题目2二设计要求2三方案选择2四晶体振荡电路4五分频器电路8六计时电路8七整点报时电路10八校时电路12九器件介绍13十安装与调试17十一 总结与总体电路18参考文献20一 设计题目（一）数字钟的设计二设计任务及要求（一） 显示时、分、秒（二） 采用24小时制或12小时制（三） 具有校时功能，可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止小时向分进位。校时时钟源可以手动输入或借助电路中的时钟。（四） 具有整点报时功能，整点前十秒开始，蜂鸣器一秒响一秒停的响五次。（五） 为了保证计时准确、稳定，由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。 三 结构设计与方案选择（一）设计分析分析设计任务，数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路等组成。将标准秒脉冲信号送入“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，通过显示器显示出来。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对调整。(二) 设计方案的提出 本方案利用利用555定时器产生周期为一秒的脉冲信号，提供给74LS90计数器进行正确的秒计时，再通过74LS90连接译码器译码驱动七段数码管显示输出，总体思路如下图：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 路分 频 器 振 荡 器图2-1 数字钟的总体参考方案四 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2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。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。从有关手册中，可查得C1、C2分别为20pF，和200PF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20M。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。图2 晶体振荡器电路图 五 分频器电路 分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768()次每分得到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. 通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到z的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级进制计数器来实现。例如，将32767z的振荡信号分频为Z的分频倍数为32767（），即实现该分频功能的计数器相当于极进制计数器。本实验中采用CD4060来构成分频电路。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。4060计数为最高为级进制计数器，可以将32767Z的信号分频为Z，而经过74LS90可以将它分为1HZ的信号。如图3所示，可以直接实现振荡和分频的功能。图3 CD4046和74LS90的分频电路图六 计时电路（一）六十进制计数器“秒”、“分”电路都六十进制，它由一级十进制计数器和一级六进制计数器组成，如图采用两片74ls90串接起来构成“秒”、“分”计数器。电路如下图：由图得知，U5是十进制计数器，U6的QD作为十进制的进位信号，74ls90计数器是十进制异步计数器，用反馈归零的方法实现十进制计数，U4和与非门构成六进制，其中与非门输出进位信 （二）24进制计数器时计数电路由U1和U2俩部分组成。当时个位U1计数为2，U2计数为4时，两片74ls90复零，从而构成24进制计数。 电路如下图：图11-1 24进制电路图七 整点报时电路一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。根据要求，电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分51秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。报时电路选74HC30，作为选蜂鸣器为电声器件，选用CC4016模拟开关作控制，使蜂鸣器可以一响一停。如图8所示。八 校时电源电路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。通常，校正时间的方法是：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。图7所示为所设计的校时电路。图7 校正电路九 器件介绍（一）555定时器555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。555电路的类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。双极型的电压是+5V +15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V +18V。555定时器可构成多谐振荡器电路及施密特触发器电路。 图10-1 555管脚图 （二） 74LS90计数器二五十进制加法计数器74LS90构成数字钟的计数单元。异步计数器如果设定初态，在每个脉冲的作用下是按顺序变化的（态序）。二进制计数器的每一状态相当一最小项，当最后一个脉冲到来后，电路返回原状态。74LS90是异步二五十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。图51为74LS90引脚排列，表61为功能表。通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0(1)、R0(2)对计数器清零，借助S9(1)、S9(2)将计数器置9。其具体功能详述如下：1、计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。2、计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。3、若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。4、若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。5、清零、置9功能。a) 异步清零 当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000。b) 置9功能当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA1001。图5-1 7490管脚图 74LS90功能表输 入输 出功 能清 0置 9时 钟QD QC QB QAR0(1)、R0(2)S9(1)、S9(2)CP1 CP21100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1QA 输 出二进制计数1 QDQCQB输出五进制计数 QAQDQCQBQA输出8421BCD码十进制计数QD QAQDQCQB输出5421BCD码十进制计数1 1不 变保 持图6-1（三）译码器CD4511是一个用于驱动共阴极 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LED显示器。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图 2 所示。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，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。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300的限流电阻。图7-1 CD4511管脚图 BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭状态，不显示数字 LT： 3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE： 锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。CD 4511的真值表输入输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013011010001100114011010110110111501101100011116011011111100007011100011111118011100111 10011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐 图8-1 （四）共阴极七段LED数码管数码显示器可显示系统的运行状态及工作数据，我们所选用的是发光二极管（LED）显示器，它分为两种，共阴极（BS201/202）与共阳极（BS211/212），我们所选的是共阴极，它是将发光二极管的阴极短接后作为公共极，当驱动信号为高电平时，阴极必须接低电平，才能够发光显示。共阴极数码管的外引脚及内部电路如下图： 图9-1 图9-2 十 安装与调试（一）电路的安装电路安装遵循的原则：1、先装小后装大、先装矮后装高等；2、布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，用来起一定的屏蔽作用；3、最好分模块安装等等。（二）. 电路的调试1、对脉冲产生电路的调试将脉冲电路连接一个发光二极管的正极，另一端接地，再接通电源，观察二极管的亮灭间隔时间，如果正常则进行下一步，如果不正常则检查芯片以及接线是否正确。 2、 对计时电路的调试 先将脉冲电路连接到60进制电路，观察数码管显示数字的走动，如果正常跳动则进行下一步，如果不正常则检查芯片以及接线。再将脉冲电路连接到24进制电路，观察数码管显示数字的走动，如果正常跳动则进行下一步，如果不正常则检查芯片以及接线。 最后将24进制电路和60进制电路相连，并将脉冲电路连接到60进制电路，观察数码管显示数字的走动，如果正常则调试过程完毕，作品完成，如果不正常则60进制电路的走动，如果正常跳动则进行下一步，如果不正常则检查芯片以及接线。 电路调试时要小心谨慎，要首先检查电路各部分的接线 ，电源、地线、信号线、元器件的引脚之间有无短路，器件有无接错。再接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果有异常现象，应立即切断电源，排除故障后重新通电检查，直至无错。（三） 调试中的问题 问题一：数码管数字不走动但芯片计数正常 原因一可能是电源电压不稳定或者不够。原因二可能是数码管和芯片连接错误。问题二：分、秒、时电路单独能正常工作，组合起来时电路不能正常工作原因可能是时电路没有正确接入脉冲整体电路图如下：十一 总结数字电子课程设计是理论教学之后的一个综合性实践很强的环节，在设计电路中，往往是先仿真后连接实物图，但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的，例如仿真的连接示意图中，往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚，因此在实际的电路连接中往往容易遗漏。在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理