数字钟时钟电路图设计.doc

数数 字字 钟钟 电电 路路 第2页 中文摘要 加入世贸组织以后 中国会面临激烈的竞争 这种竞争将是一场科技实力 管理水平和人才素质 的较量 风险和机遇共存 同时电子产品的研发日新月异 不仅是在通信技术方面数字化取代于模 拟信号 就连我们的日常生活也进于让数字化取缔 说明数字时代已经到来 而且渗透于我们生 活的方方面面 就拿我们生活的实例来说明一下 数字 给我们带来的便捷 下面我们就以数字钟为例简单介绍 一下 数字钟我们听到这几个字 第一反应就是我们所说的数字 不错数字钟就是以数字显示取代 模拟表盘的钟表 在显示上它用数字反应出此时的时间 相比模拟钟能给人一种一目了然的感觉 不仅如此它还能同时显示时 分 秒 而且能对时 分 秒准确校时 这是普通钟所不及的 与此 同时数字钟还能准确定时 在你所规定的时间里准确无误的想你发出报时声音 提醒你在此时所需 要去做的事 与旧式钟表相比它更适用于现代人的生活 在毕业之际恰好遇上学校的毕业课题电子时钟设计毕业论文 因而在所学专业的基础上做了以下 毕业设计 希望给大家带来方便的同时 使自己对所学专业有进一步的了解 关键字关键字 数字钟 校时 时间显示 定时 目录 前言 4 1 设计目的 6 2 设计功能要求 6 3 电路设计 6 3 1 设计方案 6 3 2 单元电路的设计 7 3 2 1 主体电路部分 7 3 2 1 1 振荡电路 8 3 2 1 2 计数电路 12 3 2 1 3 校时电路 17 3 2 1 4 译码与显示电路 19 3 2 2 扩展功功能电路的设计 21 第3页 3 2 2 1 定时控制电路 21 3 2 2 2 仿广播电台正点报时电路 23 3 2 2 3 自动报整点时数电路 24 3 2 2 4 触摸报整点时数电路 26 4 调试 27 4 1 主体电路部分 27 4 2 扩展电路部分 29 5 总结 31 致 谢 32 参考文献 33 附录 34 前言 中国是世界上最早发明计时仪器的国家 有史料记载 汉武帝太初年间 纪元前104 101年 由 落下闳创造了我国最早的表示天体运行的仪器 浑天仪 东汉时期 公元130年 张衡创造了水运 浑天仪 为世界上最早的以水为动力的观测天象的机械计时器 是世界机械天文钟的先驱 盛唐时 代 公元725年张遂 又称一行 和梁令瓒等人创制了水运浑天铜仪 它不但能演示天球和日 月的 运动 而且立了两个木人 按时击鼓 按时打钟 第一个机械钟的灵魂 擒纵器用于计时器 这 是中国科学家对人类计时科学的伟大贡献 它比十四世纪欧洲出现的机械钟先行了六个世纪 第一只石英钟出现在二十世纪二十年代 从三十年代开始得到了推广 从六十年代开始 由于 应用半导体技术 成功地解决了制造日用石英钟问题 石英电子技术在计时领域得到了广泛的应用 并取代机械钟做了更精确的时间标准 早在1880年 法国人皮埃尔 居里和保罗 雅克 居里就发 现了石英晶体有压电的特性 这是制造钟表 心脏 的良好材料 科学家以石英晶体制成的振荡计 时器和电子钟组合制成了石英钟 经过测试 一只高精度的石英钟表 每年的误差仅为3 5秒 1942 年 著名的英国格林尼治天文台也开始采用了石英钟作为计时工具 在许多场合 它还经常被列为 频率的基本标准 用于日常测量与检测 大约在 1970 年前后 石英钟表开始进入市场 风靡全球 第4页 随着科学的进步 精密的电子元件不断涌现 石英钟表也开始变得小巧精致 它既是实用品 也是 装饰品 它为人们的生活提供方便 更为人们的生活增添了新的色彩 在现行情况下根据简单实用 强的 走时准确进行设计 而实验证明 钟表的振荡部分采用石英晶体作为时基信号源时 走时更 精确 调整更方便 钟是一种计时的器具 它的出现开拓了时间计量的新里程 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 并且我们每天都要用到它 二十世纪八十年代中国的钟 表业经历了一场翻天覆地的大转折 其表现在三个方面 1 从生产机械表转为石英电子表 2 曾占据中国消费市场四十多年的大型国有企业突然被刚刚冒起的 组业 所取代 钟表生产中 心转向中国南方沿海一带 3 中国钟表业发展从以机芯为龙头改为以手表外观件为龙头 这场转折以迅雷不及掩耳的速度 冲击着传统的中国钟表工业 中国的钟表业从技术简单 零件少 的石英钟机芯制造入手 最初石英钟机芯全靠从日本 德国进口 1989 年开始完全自己生产 包括 模具的制造加工 近十余年 逐渐提高机芯质量的稳定性 同时转向对手表机芯研制与开发 目前 石英钟表机芯生产主要在福建省福州 广东东莞 番禺 机械钟表机芯在上海 山东等地 现在我国的电子业发展非常快速 电子业的发展有利于钟表业的发展 在中国钟表发展史上 国产机芯研制的失败已经成为过去 组装业 作为新兴钟表工业的起步阶段也已成为过去 一支新 的充满智慧的钟表精英在成长 我们相信在科技高速发展的今天 钟表业运用当今材料工业 电子工业和其他领域的最新技术 一定会生产出代表中国科学水平的产品 我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新 培育出拥有自主知识产权的品牌 这正是中国钟表业发展的希望 数字钟被广泛用于个人家庭 车站 码头 办公室等公共场所 成为人们日常生活中的必需品 由 于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用 使得数字钟的精度 运用超过老式钟表 钟表的 数字化给人们生产生活带来了极大的方便 而且大大地扩展了钟表原先的报时功能 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 自动起闭路灯 定时开关烘箱 通断动力设 备 甚至各种定时电气的自动启用等 所有这些 都是以钟表数字化为基础的 因此 研究数字钟 及扩大其应用 有着非常现实的意义 第5页 1 设计目的 设计一种多功能数字钟 该数字钟具有基本功能和扩展功能两部分 其中 基本功能部分的有 准确计时 以数字形式显示时 分 秒的时间和校时功能 扩展功能部分则具有 定时控制 仿广 播电台正点报时 自动报整点时数和触摸报正点的功能 数字钟的电路也是由主体电路和扩展电路 两部分构成 在电路中 基本功能部分由主体电路实现 而扩展功能部电路实现 这两部分都有一 个共同特点就是它们都要用到振荡电路提供的 1Hz 脉冲信号 在计时出现误差时电路还可以进行校 时和校分 为了使电路简单所设计的电路不具备校秒的功能 并且要用数码管显示时 分 秒 各 位均为两位显示 扩展部分要有相应的响应电路 分则由扩展 2 设计功能要求 基本功能 1 时的计时要求为 12 翻 1 分和秒的计时要求为 60 进制 2 准确计时 以数字形式显示时 分 秒的时间 3 校正时间 扩展功能 1 定时控制 2 仿广播电台报时功能 3 自动报整点时数 4 触摸报整点时数 3 电路设计 3 1 设计方案 根据设计要求首先建立了一个多功能 数字钟电路系统的组成框图 框图如图 1 所示 第6页 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 振荡器分频器 整点报时 触摸报时 仿电台报 定时控制 主体电路扩展电路 图 1 由图 1 可知 电路的工作原理是 多功能数字钟电路由主体电路和扩展电路两大部分组成 其 中主体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 振荡器产生的高脉冲信号作为数字钟的振源 再经分频器输出标准秒脉冲 秒计数器计满 60 后 向分计数器个位进位 分计数器计满 60 后向小时计数器个位进位并且小时计数器按照 12 翻 1 的 规律计数 计数器的输出经译码器送显示器 计时出现误差时电路进行校时 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扩展功能 3 2 单元电路的设计 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 在本次设计 电路是由许多单元电路组成的 因此首先必须对各个单元电路进行设计 3 2 1 主体电路部分 主体电路部分的电路主要由振荡电路 计数电路 显示电路以及校时电路四大部分组成 下面将 对各部分电路进行设计 3 2 1 1 振荡电路 振荡电路由振荡器和分频器产生 1Hz 时钟脉冲和扩展部分所需的频率 下面对振荡器和分频器 两部分进行介绍 1 振荡器 第7页 数字电路中的时钟是由振荡器产生的 振荡器是数字钟的核心 振荡器的稳定度及频率的精度 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 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 0v 5v 的方波信号而不是锯齿波 三角波或其他形式 典型的振荡器是弛豫振荡器 它通过一个 RC 网络将反相器的输出反馈回来并存 在一定的工作延迟时间 基本的电路如图 2 所示 12 A 7404 12 A 7404 R2 R1 C 图 2 在上述电路中 RI C 网络由第一个反相器驱动 具有 RC 特性曲线的响应信号被反馈给反相器 的输入 当电容上的电压达到施密特触发器输入反相器的门限电压的时候 反相器的状态发生改变 并输出一个新的电压值 这个输出电压经过一定的延迟时间再次通过 RI C 反馈回来 直到电容电 压再次达到门限电压为止 用施密特触发器输入器件 如 74HC04 但是由于电容的参考电压在每个临界点都要发生变化 所以施密特触发器不是必需的 由于电容与输出相连 每次状态改变时 电容的充电电压会超过 5V 从这一点来说 输出电压会改变电容的充电电压 直到电容两端的电压变为 74HC04 的门限电压 2 5V 为止 振荡器输出状态的改变发生在电容上的电压达到 2 5V 时 弛豫振荡器对许多低成本而精度要求又不高的场所非常适合 但是并不推荐在任何有精度要求 的实际应用电路采用它 如果想要获得高的精度 就应该在振荡电路中使用石英晶体作振源 在数字钟的设计与制作中 应采用石英晶体振荡器 因为石英晶体具有压电效应 是一个压电器件 当交流电压加在晶体两端 晶体先随电压变化产生对应的变化 然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷 当晶体几何尺寸和 结构一定时 它本生有一个固定的机械频率 当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时 晶体 片的机械振动最大 晶体表面电荷量最多 外电路的交流电流最强 于是产生振荡 因此将石英晶 体按一定方位切割成片 两边傅以电极 焊上引线 再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体 石 英晶体的固有频率十分稳定 另外石英晶体的振动具有多谐性 除了基频振动外 还有奇次谐次泛 音振动 对于石英晶体 既可利用基频振动 也可利用泛音振动 前者称为基频晶体 后者称为泛 音晶体 晶片厚度与振动频率成反比 工作频率越高 要求晶片厚度越薄 将石英晶体作为高 Q 值 谐振回路元件接入反馈电路中 就组成了晶体振荡器 在设计中所用的振荡器的电路图如图 3 所示 第8页 该电路能产生 1MHz 的方波脉冲振荡信号 12 A 7404 12 A 7404 12 A7404 1K 0 01uF 5 25pF1MHZ 图 3 2 分频器 分频器的作用是将由石英晶体产生的高频信号分频成基时钟脉冲信号和扩展部分所需的频率 在此电路中 分频器的功能主要有两个 一是产生标准脉冲信号 二是功能扩展电路所需的信号 如仿电台用的 1KHz 的高频信号和 500Hz 的低频信号等 在此电路中作为分频器的元件是 CD4518 CD4518 可以组成二分频电路和十分频电路 用 CD4518 组成二分频的电路如图 4 用 CD4518 组 成十分频的电路如图 5 在本次设计中所用的分频器的电路图如图 6 电路经过十分频后将晶振来的 1MHz 的振荡脉冲变为 1Hz 的脉冲信号 该信号作为计数器的计数脉冲使用 输入 输 出 输入 输入 输 出 清零 图 4 图 5 4Q1Q Cr CP EN 4Q Cr CP 第9页 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 100KHZ 10KHZ 1KHZ 100HZ 10HZ 1HZ 1MHZ 图 6 上表 CD4518 的功能表 振荡器和分频器两部分构成振荡电路 它的电路图如图 7 所示 根据图 7 可知电路的工作原理是 石英晶体振荡器提供的频率为 1MHz CD4518 组成十分频电路 输入输出 CKCREN 上升沿LH加计数 L L上升沿加计数 下降沿LX XL上升沿 上升沿LL HL下降沿 保 持 XLX全为 L 第10页 并且一个 CD4518 可以组成两个十分频电路即 CD4518 的引脚 2 与引脚 6 组成一个十分频电路而引 脚 10 与引脚 14 组成另一个十分频电路 晶振的输出接入第一块 CD4518 的输入引脚 2 经过一次十 分频 频率变为 100KHz 输出引脚 6 接入同一块 CD4518 的引脚 10 经第二次分频 频率变为 10KHz 输出引脚接人第二块 CD4518 的输入引脚 2 再经一次分频 频率变为 1KHz 这样经过六次分 频最后可以得到 1Hz 的频率 12 A 7404 12 A 7404 12 A7404 1K 0 01uF 5 25pF1MHZ CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 100KHZ 10KHZ 1KHZ 100HZ 10HZ 1HZ 图 7 3 2 1 2 计数电路 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 数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和 12 翻 1 计数电路实现的 数字钟的计数电 路的设计可以用反馈清零法 当计数器正常计数时 反馈门不起作用 只有当进位脉冲到来时 反 馈信号将计数电路清零 实现相应模的循环计数 以六十进制为例 当计数器从 00 01 02 59 计数时 反馈门不起作用 只有当第 60 个秒脉冲到来时 反馈信号随即将 计数电路清零 实现模为 60 的循环计数 下面将分别介绍 60 进制计数器和 12 翻 1 小时计数器 一 60 进制计数器 电路如图 8 所示 第11页 R0 1 6 R0 2 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 11 QC 9 QD 8 74LS92 2 R0 1 2 R0 2 3 R9 1 6 R9 2 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 9 QC 8 QD 11 74LS90 5 GND GND 5V 5V 图 8 电路中 74LS92 作为十位计数器 在电路中采用六进制计数 74LS90 作为个位计数器在电路中 采用十进制计数 当 74LS90 的 14 脚接振荡电路的输出脉冲 1Hz 时 74LS90 开始工作 它计时到 10 时向十位计数器 74LS92 进位 下面对电路中所用的主要元件及功能介绍 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 CKA 和 CKB 其中 CKA 和组成一位0Q 二进制计数器 CKB 和组成五进制计数器 若将与 CKB 相连接 时钟脉冲从输入 则321Q Q Q0QACP 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 其 BCD 码十进制计数时序如表 1 二 五混合进制计数时序如表 2 74LS90 的管脚图如图 9 R0 1 2 R0 2 3 R9 1 6 R9 2 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 9 QC 8 QD 11 74LS90 图 9 表 1 BCD 码十进制计数时序 表 2 二 五混合进制计数时序 第12页 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 CKA 和组成二进制计数器 CKB 和在 74LS92 中为六进制计数器 当 CKB 和相连 时钟0Q321Q Q Q0Q 脉冲从 CKA 输入 74LS92 构成十六进制计数器 74LS92 的管脚图如图 10 R0 1 6 R0 2 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 11 QC 9 QD 8 74LS92 图 10 二 12 翻 1 小时计数器电路 1 电路如图 11 所 示 CK DQCQBQAQ 00000 10001 20010 30011 40100 50101 60110 70111 81000 91001 CK AQBQCQDQ 00000 10001 20010 30011 40100 51000 61001 71010 81011 91100 第13页 CLK 3 D 2 SD 4 CD 1 Q 5 Q 6 74LS74A P0 15 P1 1 P2 10 P3 9 Q0 3 Q1 2 Q2 6 Q3 7 RC 13 TC 12 CLK 14 CE 4 U D 5 PL 11 74LS1 91 45 6 U9B74LS00 1 2 3U9A 74LS00 11 1213 U10D 74LS00 GND R1 3 3K 5V 8 9 U8D 74LS04 5v CP 图 11 12 翻 1 小时 计数器是按照 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 规 律计数的 计数器的计数状态转换表如表 3 所示 表 3 12 翻 1 小时计时时序 十位 个位十位 个位 CKQ10Q03 Q02 Q01 Q00CK Q10Q03 Q02 Q01 Q00 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 8 9 10 11 12 13 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 二 电路的工作原理 由表可知 个位计数器由 4 位二进制同步可逆计数器 74LS191 构成 十位计数器由双 D 触发器 第14页 74LS74 构成 将它们组成 12 翻 1 小时计数器 由表可知 计数器的状态要发生 两次跳跃 一是 计数器计到 9 即个位计数器的状态为 1001 后 在下一计数脉冲的作用下计数器进入暂态 1010 利用暂态的两个 1 即03020100Q Q Q Q 使个位异步置 0 同时向十位计数器进位使 1 二是计数到 12 后 在第 13 个计数脉冲0301Q Q10Q 作用下个位计数器的状态应为 0001 十位计数器的 0 第二次跳跃的十位清03020100Q Q Q Q10Q 0 和个位置 1 的输出端 来产生 对电路中所用的主要元件及功能介绍 10Q01Q00Q D 触发器 74LS74 在电路中用到了 D 触发器 74LS74 74LS74 的管脚图如图 12 D 2 Q 5 Q 6 CLK 3 4 1 PRE CLR A 74LS74 图 12 下面将介绍一些有关触发器的内容 触发器 它是由门电路构成的逻辑电路 它的输出具有两个稳定的物理状态 高电平和低电平 所以它能记忆一位二进制代码 触发器是存放在二进制信息的最基本的单元 按其功能可为基本 RS 触发器触 JK 触发器 D 触发器和 T 触发器 这几种触发器都有集成电路产品 其中应用最广泛的当数 JK 触发器和 D 触发器 不过 深刻理 解 RS 触发器对全面掌握触发器的工作方式或动作特点是至关重要的 事实上 JK 触发器和 D 触发 器是 RS 触发器的改进型 其中 JK 触发器保留了两个数据输入端 而 D 触发器只保留了一个数据输 入端 D 触发器有边沿 D 触发器和高电平 D 触发器 74LS74 为一个电平 D 触发器 计数器 74LS191 74LS191 的管脚图如图 13 第15页 CTEN 4 D U 5 CLK 14 LD 11 MAX MIN 12 RCO 13 A 15 QA 3 B 1 QB 2 C 10 QC 6 D 9 QD 7 74LS191 图 13 3 2 1 3 校时电路 一 电路如图 14 所示 8 9 10 U10C 74LS00 12 3 U11A 74LS00 11 1213 U10D 74LS00 R3 3 3kC1 0 01uF S1 GND 1011 U8E 74LS04 1HZ S2 M2 Q2 5V 图 14 二 电路的工作原理 校时电路的作用是 当数字钟接通电源或者出现误差时 校正时间 校时是数字钟应具有的基 本功能 一般电子表都具有时 分 秒等校时功能 为了使电路简单 在此设计中只进行分和小时 的校时 校时有 快校时 和 慢校时 两种 快校时 是通过开关控制 使计数器对 1Hz 校时脉 冲计数 慢校时 是用手动产生单脉冲作校时脉冲 图中 S1 校分用的控制开关 S2 总图 为校 时用的控制开关 它们的控制功能如表 4 所示 校时脉冲采用分频器输出的 1Hz 脉冲 当 S1 或 S2 分别为 0 时可以进行 快校时 如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供 则可以进行 慢校时 表 4 校时开关的功能 第16页 S1S2 功能 11 计数 10 校分 00 校时 表 4 三 对电路中所用的主要元件及功能介绍 在此电路中 用到的元器件有两块四 2 输入与非门 74LS00 一块六反相器 74 LS04 两个电容 两个电阻以及两个开关 1 四 2 输入与非门 74LS00 集成逻辑门是数字电路中应用十分广泛最基本的一种器件 为了合理的使用和充分利用其性能 必须对它的主要参数和逻辑功能进行测试 74LS00 与非门的主要参数为 输出高电平 指与非门有一个以上输入端接地或接低电平时的输出电平值 输出低电平 指与非门的所有输入端均接高电平时的输出电平值 开门电平 指与非门输出处于额定低电平时允许输入高电平的最小值 关门电平 指与非门输出处于高电平状态时允许输入低电平的最大值 电压传输特性 是指门的输出电压随输入电压而变化的曲线 由它可以得到门电路的输出高电 平 输出低电平 关门电平和开门电平等 低电平的输出电源电流 是指输入所有端都悬空 输出端空载时 电源提供器件的电流 高电平输出电源电流 是指输出端空载 每个门各有一个以上的输入端接地 电源提供给器件 的电流 低电平输入电流 是指被测输入端接地 其余输入端悬空时 由被测输入端流出的电流值 高电平输入电流 指被测输入端接高电平 其余输入端接地 流入被测输入端的电流值 扇出系数 门电路能驱动同类门的个数 它是衡量门电路负载能力的一个参数 TTL 与非门有 两种不同性质的负载 即灌电流负载和拉电流负载 因此有两种扇出系数 即低电平扇出系数和高 电平扇出系数 3 2 1 4 译码与显示电路 一 电路如图 15 所示 第17页 BI RBO 4 RBI 5 LT 3 A 7 B 1 C 2 D 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 74LS48 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g DPY 7 SEG 图 15 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 BCD 7 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 第18页 图图 1616 BI RBO 4 RBI 5 LT 3 A 7 B 1 C 2 D 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g14 74LS48 2 显示器 SM421050N 在此电路图中所用的显示器是共阴极形式 阴极必须接地 SM421050N 的管脚功能图如图 17 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g DPY 7 SEG 图 17 主体电路部分是由上面的以上的各个单元电路组成的 3 2 2 扩展功功能电路的设计 3 2 2 1 定时控制电路 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 一 设计电路如图 18 所示 第19页 1 2 4 5 6 UZ1A 74LS20 13 12 10 9 8 UZ1B 74LS20 4 5 6 UZ4B 74LS03 1 2 3 UZ4A 74LS03 1 2 3 UZ9A 74LS00 4 5 6 UZ9B 74LS00 RZ4 1K RZ3 22 LS1 SPEAKER Q1 3DG130 5V SZ3 SW 5V 1KHZ RL 3 3K 5V 图 18 二 电路的工作原理 在这里将举例来说明它的工作原理 要求上午 7 时 59 分发出闹时信号 持续 1 分钟 设计如下 7 时 59 分对应数字钟的时时个位计数器的状态为 分十位计数器的状态为32101 0111HQ Q Q Q 分个位计数器的状态为 若将上述计数器输出为 1 的32102 0101MQ Q Q Q 32101 1001MQ Q Q Q 所有输出端经过与门电路去控制音响电路 就可以使音响电路正好在 7 点 59 分响 持续 1 分钟后 即 8 点 停响 所以闹时控制信号 Z 的表达式为 0 11SQ 2101202301 HMMZQ Q QQ QQ QM 式中 M 为上午的信号输出 要求 M 1 如果用与非门实现的逻辑表达式为 210122301 0 HMMZQ Q QMQ QQ Q 在该电路图中用到了 4 输入二与非门 74LS20 集电极开路的 2 输入四与非门 74LS03 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 端之间应接一电阻 RL RL 的值由下 式决定 min max CCOH L OHIH VV R nImI max min CCOL L OLIL VV R ImI 0 4V 0 4mA 2 4V 50uA 8mA 100Ua m 为负载门输入端总个数 maxOLVILIminOLVIHIOLIOHI 取 RL 3 3K 如果控制 1KHz 高音和驱动音响电路的两极与非门也采用 OC 门 则 RL 的值应该 重新计算 第20页 由电路图可以看见 上午 7 点 59 分 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 点整晶体管因为输入端为 0 而截止 电路停闹 三 对电路中所用的主要元件及功能介绍 在电路中所用到的元件有 74LS03 74LS20 等 1 四 2 输入与非门 74LS03 只要输入变量有一个为 0 则输出为 1 只有输入全为 1 输出才为 0 74LS03 的管脚图如图 19 图 19 1 2 3 74LS03 2 二 4 输入与非门 74LS20 四个输入端有一个为 0 则输出为 1 只有全部输入为 1 输出才为 0 74LS20 的管脚图如图 20 所示 1 2 4 5 6 A 74LS20 图 20 3 2 2 2 仿广播电台正点报时电路 一 功能要求 仿广播电台正点报时的功能要求是 每当数字钟计时快要到正点时 通常按照 4 低音 1 高音的 顺序发出间断声响 以最后一声高音结束的时刻为正点时刻 二 该电路的工作原理 电路图的工作原理举例来说明 例如设 4 声低音 约 500Hz 分别 在 59 分 51 秒 53 秒 55 秒及 57 秒 最后一声高音 约 1000Hz 发生在 59 秒 它们的持续时间为 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220211MMQQ 310111MMQQ 2 20 211SSQQ 0 11SQ 能工作 A 第21页 三 对该电路中使用的元件的介绍 因为在该电路中所用的元件主要是 74LS00 74LS04 及 74LS20 这些元件在前面的电路中已经介 绍 这里就不再介绍它了 3 2 2 3 自动报整点时数电路 一 电路的工作原理 报整点时数电路的功能是 每当数字钟计时到整点时发出音响 并且几点响几声 实现这一功能的电路主要有以下几个部分 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4Q3Q2Q1Q0Q 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3D2D1D0D 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 00DQ 14114DQ QQQ 2241DQQ Q 334DQQ 分进位脉冲 小时计数器输出 减法计数器输入 CK 4Q3Q2Q1Q0Q3D2D1D0D 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 1 0 3 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 0 1 0 0 0 1 0 0 5 0 0 1 0 1 0 1 0 1 6 0 0 1 1 0 0 1 1 0 7 0 0 1 1 1 0 1 1 1 8 0 1 0 0 0 1 0 0 0 9 0 1 0 0 1 1 0 0 1 10 1 0 0 0 0 1 0 1 0 11 1 0 0 0 1 1 0 1 1 12 1 0 0 1 0 1 1 0 0 编码器的真值表 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 0123D D D D 减法计数器选用 74LS191 74LS191 各控制端的作用如下 第22页 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0123D D D D 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 CKA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 CK0 提供 CK0 1 时音响电路发出 1KHz 声音 当 CK0 0 时停响 当减法计数到 0 时 使 D 触发器的 1CK 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 CK 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 3 2 2 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 CZ1 10uF CZ3 0 01uF CZ2 0 01uF RZ2 333 RZ1 100K TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 UZ14 555 SZ2 SW 5V DZ1 LED 图 23 第23页 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 CK 端 从而使 74LS191 开始减数 4 调试 在本设计中 为了设计的顺利进行 我在实验箱上进行了部分调试 因为电路太复杂 在实验 箱上不可能整体电路进行调试 调试后 我就自己焊接了一个试验板进行调试 以确保最后能很好 的完成其各部分功能 调试后 我就画 PCB 图 用来制印制板 因为 PCB 图先画 后经过反复考 虑振荡电路部分改进了 最后用的是 1MHZ 的晶振经过三片 CD4518 六次分频就能得到 1HZ 的频率 所以在印制板外加了一个振荡部分电路 4 1 主体电路部分 振荡电路部分 我先用的是 32768HZ 的晶振和反向器 74LS00 接两个电阻和两个电容组成的振荡电路 产生 32768HZ 的方波信号 经过 15 级二分频后得到 1HZ 的基准脉冲 扩展部分所需的频率可以从 5 级二 分频得到 1024HZ 六级二分频得到 512HZ 但是这样用的集成块较多 时间延迟较长 用 555 产生多谐 振荡方波也可 就是精确度和稳定度不高 后来我就用的 1MHZ 的晶振产生 1MHZ 的频率经过 74LS90 组成的二 五 十的分频器 可很好的扩展部分所需的频率 只是要用六块 74LS90 后来我查了手册 发现 4518 有两片十进制分频器 功能与 74LS90 又基本上相同 这样就可少用集成块 减少时间延 时 在现用电路调试中 晶振的输出频率为 1MHz 用三片 CD4518 组成了六级十分频电路 在调 试中我对每级分路进行了测试 在第一级分频后出现的脉冲信号为 100KHz 经过第二级得到了 10KHz 的标准脉冲 这样一级级的分频 经过六次分频后得到了标准的 1Hz 脉冲信号 计数电路部分 1 小时计数部分 这部分电路较复杂 在第一次焊接完成后的调试显示中 发现小时的十位没有变化 经过分析 检查发现 74LS74 的 3 脚没有接上 2 秒计数电路部分 这部分的调试中顺利得到了结果即 秒计数器的个位能准确以十进制形式计数 秒计数器的十 位也能准确以六进制的形式计数 当秒计数器的个位计数到 9 后自动向秒计数器的十位计数 3 分计数电路部分 第24页 这部分的调试电路与秒计数器的电路一样 在调试中不同的是秒计数电路的个位计数器 74LS90 的 14 脚接入振荡电路部分的输出端 而分计数电路的个位计数器 74LS90 的 14 脚本该接校时电路 但是由于校时电路作为最后调试的电路 所以在调试中 74LS90 的 14 脚与单次脉冲连接 调试的结果是 这部分的结果与秒计数电路部分的结果一样 校时电路部分 在整个电路的设计中 需要用到两个校时电路 两个校时电路的功能相同 它们不同的是在电 路的设计时 校分电路比校时电路少一个反相器 这是因为 74LS191 为高电平有效而 74LS90 为低电 平有效 调试的结果是 当开关断开时 分计数电路 小时计数电路正常计数 当开关闭合时 校时电 路进行校时 只是有时松开按键时 较时数会有点误变化 经过仔细分析 确定是由于在松按键时 产生了抖动 如果接上 R S 触发器就能够消抖 4 2 扩展电路部分 扩展部分的调试是在主体部分正确的情况下 才能完成的 有些也可模拟调试 1 定时控制 扩展部分的调试是在主体部分正确的情况下 才能完成的 单独在实验箱上可以调试其电路的 输入就用模拟开关输入高低电平 只要在输入的变化下能够控制风鸣器工作就行 因为这部分的电 路比较简单 原理也不难 所以这部分调试很快 一切很顺利 2 仿广播电台正点报时 这部分也比较简单 只是有两个音频信号 1KHZ 500HZ 要发出高 底声音 其余的就是来 自主体部分的控制信号 这也用模拟开关输入高低电平 能够使其音响电路发声 就没有问题 在 调试时这部分也比较顺利 自动报整点时数 这部分电路就较复杂了 用模拟开关的电平输入来代替小时计数器的输入 用一单次正脉冲来 代替分的十位进位的反相脉冲 第一次调试时 音响电路没有发是声 经过仔细检查 发现 74LS74 的电源和地之间被击穿 换了一个 74LS74 后 音响电路发出了声 3 触摸报整点时数 这部分电路是在自动报时的功能上 增加一触发脉冲控制电路 在这里用的是 555 集成电路组 成的单稳态触发器 产生单稳态脉冲 其经过偶数 4 次反向器延时后 用其来代替分十的进位脉冲 而触发器的触发端接 D 触发器的 RD 端 第一次调试时 音响电路不受触摸脉冲的影响 它是一直都 响 经过分析后 确定是触发器 D 没有输出控制信号 检查发现触发器的 2 D 脚和 6 Q 脚没 第25页 有连接好 接上后 音响就受触摸信号的控制了 说明其正常 为了整体能调试成功 我焊接了个整体电路来调试 基本上也没有什么问题 就是布线太困难 了 并且很容易出错 我在焊接的时候 由于线太多了 布线是三层 第一层 我先焊的是电源和 地 第二层 焊的是主体部分的连线 第三层 焊的是扩展部分的连线 由于线多 我用的是排线 但是排线容易断 这给完成整体焊接电路带来了很多困难 先焊上的线 很可能在稍后就被折断了 所以布线也不是很规范了 有了以上在数字实验箱的调试 在焊接电路的调试就很容易了 主体电路的功能接上电源后就 能实现 能显示时 分 秒的时间 小时的计数为 12 翻 1 分和秒的计时为 60 进位 能够校时 分 扩展部分 定时控制 仿广播电台正点报时 自动报正点时数 都能实现 但是触摸报正点时 数不能很好的实现 一触摸它就不停止的响 不是在报正点时数 后经过是 D 触发器没有输出 用 万用表测试 D 触发器的 5 脚一直都为高电平 后发现 D 的 1 脚的触发开关与地之间没有接上 接上 后调试 能实现 因为我制的印制板是前三周画出的 后经过在实验箱的具体调试和自己焊接电路的调试 所以 电路有所调整 原设计的振源用的是 32768HZ 的晶振 它要得到基准脉冲要经过 15 级二分频 才能 得到 1HZ 的脉冲 而我后采用 1MHZ 的晶振只需用 CD4518 经过六次十分频就能得到 1HZ 的基准脉冲 这样所需的集成块还少些 带来的时间延时也就少些 所以最后我还在印制板的外面加一小板这样 作为整个电路的振源 最后在我制的印制板上调试 发现其没有反应 用万用表的二极管档测试 发现其电源没有接 通 逐级测试 查出是 VCC 与 5V 的电源没有接通 当接上时调试 一切都能够实现 下图为制的 印制板图 电源原理图为 1 2 3 4 2200uF 220uF Vin 1 GND 2 Vout 3 7805 5V 6V 本电源的纹波电流很小 为很小 为 0 001V 有时甚至为 0V 满足需要 能向总体电路提供电 源 总体功能实现图 能显示时 分 秒的时间 小时的计数为 12 翻 1 分和秒的计时为 60 进位 能够校时 分 220V 第26页 扩展部分 定时控制 仿广播电台正点报时 自动报正点时数 触摸报正点时数 这些能满足设计 要求 5 总结 通过本次毕业设计 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 通过这次设计 我还掌握了制 PCB 的一系列步骤 在几个月时间里 我把本设计的整个电路图画好 了 并且画好了 PCB 板图 并交孙老师检查 还在实验箱上调试了部分电路 由于制板时间较长 所以我在这期间自己焊接了一个整体电路 并进行调试 由于万能板的面积有 限 电路复杂 所以布线不是很美观 但是它的功能基本上都能实现 最后在我在制的印制板上都能很好的实现多功能数字钟的各相功能 都达到了预期的结果 并 且很美观 通过这次毕业设计 我又掌握了些元器件的用途以及它们的参数 性能 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 没有最好 只有更好 我相信通过这一次的毕业