多功能电子钟设计.doc

摘要数字钟是一种用数字电路技术实现时、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，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。目前，数字钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。数字钟适用于自动打铃、自动广播，也适用于节电、节水及自动控制多路电器设备。它是由数子钟电路、定时电路、放大执行电路、电源电路组成。为了简化电路结构，数字钟电路与定时电路之间的连接采用直接译码技术。具有电路结构简单、动作可靠、使用寿命长、更改设定时间容易、制造成本低等优点。从有利于学习的角度考虑，这里主要介绍以中小规模集成电路设计数字钟的方法。 1 设计任务及技术指标要求 设计任务是设计制作一个数码管显示的多功能数字钟。其技术指标要求如下：（1） 准确计时，以数字形式显示时，分，秒的时间（2）小时的计时要求24进制，分秒的计时要求为60进制。（3）具有快速校准时分的功能，可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位。（4）具有整点报时功能，自动发出鸣叫声，步长1S,每隔1s鸣叫一次，前四响低音，后一响为高音，共鸣叫5次，最后一响为整点。2.数字钟组成原理及结构框图2.1数字钟工作原理该系统的工作原理是：数字钟由主体电路和扩展电路两部分组成。振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字时钟的基准，再经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后向小时计数器进位。小时计数器按24进制计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时可以用校时电路进行校时，校分，校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。2.2数字钟电路系统的组成框图根据设计要求建立一个多功能数字钟电路的组成框图，框图如下所示。图一3.主体电路的设计数字电子钟的设计方法很多种，例如，可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等。主体电路是由功能部件或单元电路组成的。在设计时这些电路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。整个系统所用器件种类尽可能少。因此首先必须对各个单元电路进行设计。主体电路部分的电路由振荡电路、计数电路、显示电路以及校时电路四大部分组成。3.1振荡器的设计振荡器是数字钟的核心，数字电路中的时钟是由振荡器产生的。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟的准确程度。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。它利用某种反馈方式产生时钟信号。对数字电路来说，振荡器的输出的幅度范围为0v5v的方波信号而不是锯齿波、三角波或其他形式。下图为电子手表集成电路（5C702）中的晶体振荡器电路，在精度要求不高的条件下，可以采用由逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。本设计采用的是555构成的多谐振荡器，设计振荡频率为1Hz。图二如果精度要求不高，也可采用由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。这里设振。 图三 555定时器构成的多谐振荡器3.2分频器的设计分频的功能主要有两个：产生标注脉冲信号提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1KHz的高频信号和500Hz的低音频信号等。选用3片集成电路计数器74LS90可以完成上述功能，因每片为1/10分频，三片级联则可获得所需的频率信号，即第一片的端输出频率为500Hz，第二片的端输出为10 Hz ，第三片的端输出为1Hz。分频器连接图3.3时分秒单元电路的设计计数器是一种计算输入脉冲的时序逻辑网络，被计数的输入信号就是时序网络的时钟脉冲，它不仅可以计数而且还可以用来完成其他特定的逻辑功能，如测量、定时控制、数字运算等等。分和秒计数器都是模M=60的计数器，其计数规律为0001585900，选74LS92作是为十位计数器，与B相连，时钟脉冲从A输入，其输出为BCD码六十进制。74LS90作个位计数器，其输出为BCD码十进制。再将它们级联组成模数M=60的计数器。其图如下：图四 8421BCD码60进制计数器 十进制计数器 74LS90 74LS90是二五十进制计数器，它有两个时钟输入端CPA和CPB。其中，CPA和组成一位二进制计数器；CPB和组成五进制计数器；若将与相连接，时钟脉冲从输入，则构成了8421BCD码十进制计数器。74LS90有两个清零端R0（1）、R0（2），两个置9端R9（1）和R9（2），74LS90的管脚图如图。 图五 74LS90管脚图 异步计数器74LS92所谓异步计数器是指计数器内各触发器的时钟信号不是来自于同一外接输入时钟信号，因而触发器不是同时翻转。这种计数器的计数速度慢。一异步计数器 74LS92是 二六十二进制计数器，即和组成二进制计数器，和在74LS92中为六进制计数器。当和相连，时钟脉冲从输入，74LS92构成十六进制计数器。74LS92的管脚图如图。 图六 74LS92管脚图时计数器是一个24进制的计数器，当数字钟运行到23时59分59秒时，秒的个位计数器在输入一个脉冲时，数字钟自动显示为00时00分00秒，实现日常生活惯用的计时规律。选用两片十进制同步加法器74LS160一片与非门74LSOO和一片非门74LS04。其计数原理图如下：图七 二十四进制逻辑电路3.4译码输出显示电路（一）电路如图八所示图八（二）电路的工作原理译码是编码的相反过程，译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输出信号以表示编码时所赋予原意的电路。常用的集成译码器有二进制译码器、二十制译码器和BCD7段译码器、显示模块用来显示计时模块输出的结果。（三）对电路中的主要元件及功能介绍（1）译码器74LS48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。在电路中用的译码器是共阴极译码器74LS48，用74LS48把输入的8421BCD码ABCD译成七段输出a-g，再由七段数码管显示相应的数。 74LS48的管脚图如图16。在管脚图中，管脚LT、RBI、BI/RBO都是低电平是起作用，作用分别为：LT为灯测检查，用LT可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。BI是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。RBI是灭零输入，可以按照需要将显示的零予以熄灭。BI/RBO是共用输出端，RBO称为灭零输出端，可以配合灭零输出端RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提高视图的清晰度。也可用共阴译码器74LS248，CD4511。图九（2）显示器BS202在此电路图中所用的显示器是共阴极形式，阴极必须接地。其管脚功能图如图十： 图十主体电路部分是由上面的以上的各个单元电路组成的，电路图见附件。3.5校时电路的设计当数字钟接通电源或者计时出现了误差时，需要校正时间（或称校时）。校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子手表都具有时，分，秒等校时功能。为使电路简单，这里只要求进行分和小时的校时。对校时电路的要求是：小时校正时不影响分和秒的正常计数；分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式分为“快校时”和“慢校时”两种：“快校时”是通过控制开关，使计数器对1Hz的校时脉冲计数；“慢校时”是用手动产生单脉冲作为校时脉冲。图十一校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关，它们的控制功能如表：功能 11计数 10校分 01校时校脉冲采用555振荡器输出的1Hz脉冲。需要注意的是，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，接电容C1,C2可以缓解抖动。4功能扩展电路的设计功能扩展电路包括了定时控制电路的设计，仿广播电台正点报时电路的设计，报整点时数电路的设计和触摸报整点时数电路的设计四个部分。4.1定时控制电路的设计 数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”；或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。例如：要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。解 7时59分对应数字钟的时个位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）h1=0111,分十位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）m11001。若将上述计数器的输出为“1”的所有输出端经过与非门电路去控制音响电路，可以使音响电路正好在7点59分响，持续1分钟后（即8点时）停响。所以闹时控制信号Z的表达式为Z=(Q2Q1Q0)h1*(Q3Q0)m1*M式中的的M为上午的信号输出，要求M=1。 如果用与非门实现上式的逻辑功能，则可以将Z进行变换，即Z=(Q2Q1Q0)h1*M*（Q2Q0）m2*(Q3Q0)m1 实现上式的逻辑电路图如图 所示，其中74LS20为4输入二与非门，74LS03为集电极开路（OC门）的2输入四与非门，因OC门的输出端可以进行“线与”，使用时在它们的输出端与电源5V端之间应连接一电阻RL, RL的值可以由式RLmax=VCCVOHmin/nIOHmIIH；min=VCC-VOLmax/IOC-mIIL来计算，取RL=3.3K欧姆。如果控制1KHz高音和驱动音响电路的来年国际与非门也采用OC门，则RL的值应重新计算。由上图可见，上午7点59分时，音响电路的晶体管导通，则扬声器发出1KHz的声音。持续1分钟到8点整晶体管因输入为“0”而截止，电路停闹。其设计电路图如下：（图十二）4.2仿电台整点报时电路设计图 电路的工作原理：设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒，53秒，55秒及57秒，最后一声高音（约1000Hz）发生在59分5它们的持续时间均为1秒。只有当分十进位的，分个位的，秒十位的及秒个位的时，音响电路才能工作。其电路原理图如下： 图十三 正点报时电路的设计图4.3整点报时电路的设计报整点时数电路的功能是：每当数字钟计时到整点发出音响，且几点报几声。实现这一功能主要由以下几部分组成：减法计数器：完成几点响几声的功能。即从小时计数器的整点开始进行减法计数，直到零为止。编码器：将小时计数器的5个输出端、按照“12翻1”的编码要求转换为减法计数器的4个输入端、所需要的BCD码。在电路图中编码器是由与非门实现的组合逻辑电路。其中编码器是由与非门实现的组合逻辑电路，其输出端的逻辑表达式由5变量的卡若图可得。 逻辑控制电路 控制减法计数器的清“0”与置数，控制音响电路的输入信号。减法计数器选74LS191各控制端的作用如下。LD为置数端。当LD=0时将小时计数器的输出经数据输入端的数据置入，RC为溢出负脉冲输出端.当减法计数到“0”时，RC输出一个负脉冲。U/D为加/减控制器。U/D=1时减法计数。CPA为减法计数脉冲,兼作音响电路的控制脉冲。逻辑控制电路由D触发器74LS74与多级与非门组成。其工作原理是：接通电源后按触发开关S，使D触发器74LS74清0，即1Q=0。该清“0”脉冲有两个作用：一是，使74LS191的置数端LD=0，即将此对应的小时计数器输出的整点时数置入74LS191；二是，封锁1KHz的音频信号，使音响电路无脉冲输入。当分十位计数器的进位脉冲下降沿到来时，经过G1反相，小时计数器加1。新的小时数置于74LS191，分十位计数器的进位脉冲的下降沿到来时又使74LS74的状态翻转，1Q经G3、G4延时后，74LS191进行减法计数，计数脉冲由CP0提供。CP0=1时音响电路发出1KHz声音，当CP0=0时停响。当减法计数到0时，使D触发器的1CP=0，但是触发器的状态不改变。因为分十位计数器的进位脉冲仍为0，CP=1，使D触发器翻转复“0”，74LS191又回到置数状态，直到下一个分十位计数器进位脉冲的下降沿来到。实现自动报警的功能。如果出现某些整点数不准确，其主要原因是逻辑控制电路的与非门延时时间不够,产生了竞争冒险的现象，可以适当增加与非门的级数或接如小电容进行滤波。 图十四 报整点时数电路图4.4触摸报整点时数电路 设计本功能基于在有些场合(如夜间),不便于直接看显示时间,希望数字钟有触摸报整点时数的功能.即触摸数字钟的某端,就能报时. 在功能三的基础上,增加一触发脉冲控制电路,或者将功能三的电路的自动报时改为触摸报时电路即可.产生触摸脉冲的电路有单次脉冲产生器,555集成电路定时器,单稳态触发器等 .我采用的是555集成电路产生的触摸脉冲.触摸控制电路如图23图十五SZ2为一金属片，它还要和74LS74的RD（1）端连接，当用手触摸金属片时，即加入一负脉冲，其有两个作用：一、经过555产生一正脉冲；二、使D触发器输出为0，从而使小时计数器的输出的整数点置入74LS191。555输出经过偶数次反向器延时后家到小时计数器的CP端，从而使74LS191开始减数。 5总体电路的装调将各部分组成的单元电路按信号方向连接起来，构成总体的设计图。（1）由数字钟系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级都是指数字钟的各功能电路。设计电路图中非门与非门等用门电路的芯片组装，如74LS0074LS0474LS20等等。（2）级联时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引起逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。如果显示字符变化很快，模糊不清，可能的由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件的电源端Vcc加退耦滤波电容。通常用几十微法的大电容和0.01uf的小电容相并联。（3）画数字钟的主体逻辑电路图。经过联调并纠正设计方案中的错误和不足之后，再测试电路的逻辑功能是否满足设计的要求。同时也要对扩展电路进行测试。最后画出满足设计要求的总体逻辑电路图，见附页。6设计总结心得体会及建议通过本次课程设计,让我们了解了设计电路的程序，也掌握了对电子钟的设计，组装与调试方法，熟悉了一系列集成电路的使用。通过理论与实践相结合，让我又掌握了些元器件的用途以及它们的参数、性能。同时我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.这次设计提高了我理论和实践相结合的能力，增加了把理论用于实践的兴趣，同时也提高了我分析问题和解决问题的能力。在数字钟设计中遇到的问题主要有三：一是总体电路的设计问题；二是元器件的选择问题；三是电路的调试问题。由于初次进行课程设计，基本不知道该从何着手。课程设计达到了专业学习的预期母的，在课程设计之后，激发了我们队专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内更深入的学习。总的来说，多功能数字钟的设计有利于培养我们对电子设计的兴趣，是一次很好的理论与实际的结合，希望有更多的机会进行这些课程设计。23附录A 芯片管脚图74LS