电子钟设计.doc

设计 论文 题目 简易数字钟电路设计 学 生 姓 名 专 业 电子信息工程 评 阅 人 2011年 10 月 20 日 目 录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第 1 章 绪 论 3 1 1 课题背景 3 1 2 数字钟的应用 3 1 3 设计任务 3 第 2 章 数字电子中系统具体设计过程与实现 4 2 1 数字钟系统构成 4 2 2 工作原理 5 第 3 章 单元电路 6 3 1 分频器电路 6 3 2 60 进制计数器的设计 7 3 3 24 进制计数器 7 3 3 12 进制计数器 8 3 4 译码显示电路 8 3 5 校时电路的设计 10 3 6 报时电路 11 3 7 电路总图 13 致 谢 14 参考文献 15 附录 部分芯片引脚图与功能表 16 湖南安全技术职业学院毕业设计 0 摘 要 数字电子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 因此得到广 泛的使用 数字钟从原理上讲是一种典型的数字电子电路 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 数字钟可适用于自动打铃 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 关键词 数字电路 12 进制计数器 24 进制计数器 60 进制计数器 译码与显示电路 湖南安全技术职业学院毕业设计 1 AbstractAbstract A digital clock is a kind of digital circuit technology minutes and seconds when the timing device and the mechanical clock is higher than the accuracy and intuitive and no machinery has more longer service life so it has been widely used From the principle of digital clock is a kind of typical digital circuits including the assembly logic circuit and the sequential circuits At present a digital clock function is more and more strong and a variety of special options Applicable for automatic digital clock rung automatic broadcasting also suitable for electricity water and automatic control and electrical equipment It is by several children clock circuit timing circuit amplifier circuit the power circuit implementation In order to simplify the circuit structure a digital clock circuit and timing circuits using direct connection between decoding technology With simple structure reliable operation long service life change the setting time for easy and manufacturing cost etc KEYKEY WORDSWORDS Digital circuit 12 N Counters 24 N Counters 60 N Counters decoding and display circuit 湖南安全技术职业学院毕业设计 2 第 1 章 绪 论 1 11 1 课题背景 电子技术中的工作信号可以大分为模拟信号和数字信号两大类 模拟信号是指时 间上和数值上都是连续变化的信号 数字信号是指时间和数值上都是断续变化的离散 信号 例如 电子表的秒信号 生产中自动记录零件数的计数信号 由计算机键盘输 入到计算机的信号等 它们的变化发生在一系列离散是瞬间 数值大小的增减总是最 小数量单位的整数倍 传输 处理数字信号的电路称为数字电路 1 21 2 数字钟的应用 数字电子钟具有走时准确 一钟多用等特点 在生活中已经得到广泛的应用 虽 然现在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片出售 价格便宜 使用也方便 但是人 们对电子产品的应用要求越来越高 数字钟不但可以显示当前的时间 而且可以显示 日期 农历 以及星期等 给人们的生活带来了方便 另外数字钟还具备秒表和闹钟 的功能 且闹钟铃声可自选 使一款电子钟具备了多媒体的色彩 时间对人们来说总是那么宝贵 工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间 忘记了要做的事情 当事情不是很重要的时候 这种遗忘无伤大雅 但是 一旦重要 事情 一时的耽误可能酿成大祸 电子钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品 广泛用于个人家庭以及车站 码头 剧院 办公室等公共场所 给人们的生活 学习 工作 娱乐带来极大的方便 由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术 使电子钟具有走时准确 性能稳定 携带方便等优点 它还用于计时 自动报时及自 动控制等各个领域 1 3 设计任务 本设计任务如下 1 综合应用所学知识 掌握设计控制电路的基本思路和方法 设计一个简易数字 钟电路电路原理图和完成数字时钟的设计工作 2 时钟现实内容包含 小时 分钟 秒 湖南安全技术职业学院毕业设计 3 3 计时方式包括十二小时制和二十四小时制两种形式 湖南安全技术职业学院毕业设计 4 第 2 章 数字电子中系统具体设计过程与实现 2 1 数字钟系统构成 数字钟实际上是一个对标准频率 1HZ 进行计数的计数电路 由于计数的起始时 间不可能与标准时间 如北京时间 一致 故需要在电路上加一个校时电路 同时标 准的 1HZ 时间信号必须做到准确稳定 通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟 图 2 1 所示为数字钟构成框图 图 2 1 数字钟构成图 数字钟系统由以下部分构成 1 晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的 32768 z 的方波信号 可保证数字钟的走时准确及稳定 不管是指针式的电子钟还是 数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路 2 分频器电路 分频器电路将 32768HZ 的高频方波信号经 32768 次分频后 15 2 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 3 时间计数器电路 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 位计数器为六十进制计数器 而根据设计要求 时个位和时十位计数器为二十四进制 计数器 4 译码驱动电路 译码驱动电路将计数器输出的 8421BCD 码转换为数码管需要的 湖南安全技术职业学院毕业设计 5 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 5 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音乐提示 本时钟整体功能 数字电子钟能以秒为最小时间单位计时 同时应能用数字直观 显示当前的时与分 可以手动校时 可以设定闹钟时间 以及整点报点的功能 2 2 工作原理 数字钟的工作原理是 由晶体振荡器电路给出的信号经过分频后得到 1Hz 的标准 信号 作为秒计数器的计数脉冲 当秒计数器计满 60 后 向分计数器发出进位脉冲 分计数器计满 60 后 向时计数器发出进位脉冲 小时按照 24 小时和 12 小时进制规律 计数 原理图中以 24 小时为例 计数器的输出分别驱动译码电路 数码管显示时间 当时钟出现误差时可以通过控制开关进行校时校分 湖南安全技术职业学院毕业设计 6 第 3 章 单元电路 3 1 分频器电路 通常 数字钟的晶体振荡器输出频率较高 为了得到 1Hz 的秒信号输入 需要对 振荡器的输出信号进行分频 通常实现分频器的电路是计数器电路 一般采用多级二 进制计数器来实现 例如 将 32768Hz 的振荡信号分频为 1HZ 的分频倍数为 32768 即实现该分频功能的计数器相当于十五级二进制计数器 从尽量减少元器件数 15 2 量的角度来考虑 这里可选多极二进制计数电路 CD4060 和 CD4040 来构成分频电路 CD4060 和 CD4040 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 CD4060 计数为十四级二进制计数器 可以将 32768 z 的信号分频为 2 z 其内 部框图如图 2 所示 从图 3 1 1 中可以看出 CD4060 的时钟输入端两个串接的非门 因此可以直接实现振荡和分频的功能 图 3 1 1 CD4046 内部框图 图 3 1 2 CD4040 内部 框图 CD4040 计数器的计数模数为 4096 其逻辑框图如图 3 1 2 如将 32768Hz 12 2 信号分频为 1Hz 则需外加一个八分频计数器 故一般较少使用 CD4040 来实现分频 综上所述 可选择 CD4060 同时构成振荡电路和分频电路 照图 5 1 在和 0 CP 之间接入振荡器外接元件可实现振荡 并利用时计数电路中多一个二分频器 后述 0 CP 可实现十五级二分频 即可得 1Hz 信号 湖南安全技术职业学院毕业设计 7 3 2 60 进制计数器的设计 秒 计数器电路与 分 计数器电路都是六十进制 它由一级十进制计数器和 一级六进制计数器连接构成 如图 3 2 所示由 CC40161 构成的六十进制计数器 首先 将两片 CC40161 设置成十进制加法计数器 将两片计数器并行进位则最大可实现一百 进制的计数器 现要设计一个六十进制的计数器 可利用 反馈清零 的方法实现 当计数器输出 2Q32Q22Q12Q0 1Q3Q2Q1Q0 0110 0000 时 通过门电路形成一置数 脉冲 使计数器归零 图 3 2 60 进制计数器电路图 3 3 24 进制计数器 同理当个位计数状态为 Q3Q2Q1Q0 0100 十位计数器状态为 Q3Q2Q1Q0 0010 时 要求计数器归零 图 3 3 24 进制计数器图 湖南安全技术职业学院毕业设计 8 3 3 12 进制计数器 同理当个位计数状态为 Q3Q2Q1Q0 0010 十位计数器状态为 Q3Q2Q1Q0 0001 时 要求计数器归零 图 3 4 12 制计数器图 3 4 译码显示电路 数字电路和计算机电路中对数据的都采用二进制数处理 即使是十进制数也都采 用 BCD 码 但是要将显示出来使用 BCD 码是非常不直观的 字符译码器可以将 BCD 码 表示的数值以人们习惯的字符在形式显示出来 CD4511就是一片常用的字符译码显示 驱动器 它将计数器输出的8421BCD 码转换为数码管需要的逻辑状态 并且为保证数码 管正常工作提供足够的工作电流 其外部收引脚与逻辑功能如图3 5所示 真值表如表 3 6所示 图3 5 CD4511外部收引脚与逻辑功能 湖南安全技术职业学院毕业设计 9 表 3 6 CD4511 真值表 INPUTS 输入OUTPUTS 输出 LE BID C B A a b c d e f g DISPLAY 显示 XXLXXXXHHHHHHH8 XLHXXXXLLLLLLL 消隐 LHHLLLLHHHHHHL0 LHHLLLHLHHLLLL1 LHHLLHLHHLHHLH2 LHHLLHHHHHHLLH3 LHHLHLLLHHLLHH4 LHHLHLHHLHHLHH5 LHHLHHLLLHHHLH6 LHHLHHHHHHLLHL7 LHHHLLLHHHHHHH8 LHHHLLHHHHLLHH9 LHHHLHLLLLLLLL 消隐 LHHHLHHLLLLLLL 消隐 LHHHHLLLLLLLLL 消隐 LHHHHLHLLLLLLL 消隐 LHHHHHLLLLLLLL 消隐 LHHHHHHLLLLLLL 消隐 HHHXXXX 锁 存锁存 CD4511 的功能如下 1 基本逻辑功能 BCD 码 7 段字符显示译码驱动器 输入 D C B A 4 位组成的 BCD 高电平有效 输出 a b c d e f g 7 个笔画驱动端 高电平有效 湖南安全技术职业学院毕业设计 10 查 CD4511 的技术参数 25mA 因此 CD4511 能直接驱动共阴极 LED 数码管 IOH 2 辅助功能端 从真值表中可以看出另外 3 个输入端的作用 LE 端 高电平有效 当 LE 1 时 输出将保持 LE 从 0 跳变LT LTBI BILT 1 时的显示结果而无论输入数据是否变化 此端也称为 锁存 端 译码器的锁存电路由传输门和反相器组成 传输门的导通或截止由控制端 LE 的电 平状态 当 LE 为 0 电平导通 TG2 截止 当 LE 为 1 电平时 TG1 截止 TG2 导 通 此时有锁存作用 4 译码 CD4511 译码用两级或非门担任 为了简化线路 先用二输入端与非门对输入数据 B C 进行组合 得出 四项 然后将输入的数据 A D 一起用或非门译 码 5 消隐 BI 为消隐功能端 该端施加某一电平后 迫使 B 端输出为低电平 字形消隐 消 隐输出 J 的电平为 J C B D BI 如不考虑消隐 BI 项 便得 J B C D 据上式 当输入 BCD 代码从 1010 1111 时 J 端都为 1 电平 从而使显示器 中的字形消隐 8421 BCD 码对应的显示见下图 图 3 7 BCD 码对应显示 3 5 校时电路的设计 数字种启动后 每当数字钟显示与实际时间不符 需要根据标准时间进行校时 校 正 秒 时 采用等待校时 校正 分 时 的原理比较简单 采用加速校时 对校时电路的要求是 湖南安全技术职业学院毕业设计 11 1 在小时校正时不影响分和秒的正常计数 2 在分校正时不影响秒和小时的正常计数 如图 3 4 所示 当开关向下打时 因为校正信号和 0 相与的输出为 0 而开关的另 一端接高电平 正常输入信号可以顺利通过与或门 故校时电路处于正常计时状态 当开关向上打时 情况正好与上述相反 这时校时电路处于校时状态 与非门可选 74LS00 非门则可用与非门 2 个输入端并接来代替节省芯片 因此实际使用时 须对 开关的状态进行消除抖动处理 图 3 8 为加 2 个 0 01uF 的电容 图 3 8 校时电路图 3 6 报时电路 根据作品要求 电路应在整点前 10 秒钟内开始整点报时 即当时间在 59 分 50 秒 到 59 分 59 秒期间时 报时电路报时控制信号 当时间在 59 分 50 秒到 59 分 59 秒期 间时 分十位 分个位和秒十位均保持不变 分别为 5 9 和 5 因此可将分计数器十 湖南安全技术职业学院毕业设计 12 位的 Q 和 Q 个位的 Q 和 Q 及秒计数器十位的 Q 和 Q 相与 从而产生报时 控制信号 所选的蜂鸣器为电声器件 蜂鸣器是一种压电电声器件 当其两端加上一个直流 电压时酒会发出鸣叫声 两个输入端是极性的 其较长引脚应与高电位相连 图 3 9 的三极管时为了驱动蜂鸣器 图 3 9 报时电路图 湖南安全技术职业学院毕业设计 13 3 7 电路总图 图 3 10 电路总图 湖南安全技术职业学院毕业设计 14 致致 谢谢 很兴奋 设计终于完成了 这其中虽然有很多不足之处 但却是我自己不断地查阅 资料 思考 询问和动手的结果 这篇论文 我很认真的在准备 经过一段的学习和忙碌 本次设计已经接近尾声 作为一个设计 由于经验的匮乏 难免有许多考虑不周全的地方 如果没有老师的一再 的督促指导 以及一起工作的同事们的支持 想要完成这个设计是难以想象的 这次论文设计是一次难得的锻炼