数字式时钟-秒表电路设计.doc

数字式时钟-秒表电路设计2003 级电子信息科学与技术 专业姓名：白典章学号：200307201212设计任务设计并制作一个数字式时钟/秒表电路。设计要求1.具有时钟/秒表互相转换的功能。2.在使用秒表时：不能影响时钟的正常使用。 能显示分、秒、厘秒（1/100秒）。 具有暂停/清零功能。 3要求作时钟用时，能显示时、分、秒信息，具有较时功能。o 时间以12小时为一个周期； o 显示时、分、秒； o 具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间； o 为了保证计时的稳定及准时须由晶体振荡器提供标准时间基准信号。 方案论证与总体设计提出方案。本设计是一个数字电路设计题，可基于单片机、专用集成电路、基本数字电路三种方案来设计本电路。方案1、以单片机核心的电路。其电路方框图见图一和，程序流程图见图二。它主要应用单片机内的计时器进行计时，并通过对单片机的编程，完成切换、较时、暂停、清零功能。它的主要特点是：1). 体积小,驱动范围宽.它的体积是54*38*12(mm) .可以驱动0.5-8英寸6个共阴极LED数码显示器。2). 有时,分,秒显示。3)适合对时间要求精确的场合。有停电保护。4). 日误差可以调整到0.1秒/天 。图一、方案1电路原理图图二、方案1程序流程图方案2、用专用集成电路设计的秒表&时钟电路。其电路原理图见图三。应用时钟芯片G246-0A可以驱动6位的7段发光二极管显示12h或24h的时间。并可切换成秒表用，还有28/30/31日历和闹钟功能。主要特点是：电路设计容易（按参考电路稍着修改即可），计时精确，但成本较高。图三、方案2电路原理图方案3、由基本数字逻辑单元进行设计。其电路方框图见图四。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。方案比较。三种方案的各有所长，电子时钟、电子秒表已经是一项很成熟的技术，一般不去进行复杂的软件设计（方案一需要进行软件设计）或硬件电路设计（方案二需要设计硬件电路），所以目前用得较多的是方案二。由于我们是进行数学电路设计练习，按方案三进行设计有利于我们掌握数学逻辑单元的使用方法。在今后进行复杂电路设计时能拿来就用。另外，方案三所用的元件易于采购，成本也不高。o 单元电路设计 数字时钟/秒表电路实际上是一个对标准频率（1Hz/100Hz）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，故需要在时钟电路上加一个校时电路；从时钟切换到秒表时，或由前一次多次计时到新一次计时，都需要对计数器置零。计数完成后，为了便于记录成绩，还要设置暂停功能。由于元件数量有限，时钟和秒表部分只能使用同一组译码器和7段发光二极管显示器，故必须有一个切换电路。由于没有提供数据选择器和足够的计数器，不能在保持时钟电路计时状态不变的情况下，选择显示时钟还是秒表。由于我们一次使用秒表的时间一般不超过一小时，只要在使用秒表前记住当前小时数，就可把这部分电路用来作0.01秒计数显示部分，切换回时再较时；同时还需在使用前将秒值清零，作为秒表的秒用；分钟值保持不变，用户只能自己计录变了几次或用前后差值计算。由于元件限制，秒表功能使用不太方便，只用来应急，一般不用。 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32768z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。电路原理：在图321所示电路中，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，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。 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z的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。分频器电路将4MHZ的高频方波信号经4000000次分频后得到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4MHz的振荡信号分频为Hz的分频倍数为4106，即实现该分频功能的计数器相当于6极10进制计数器和一极4进制计数器。为了减少元件种类（可降低成本），这里都前面用的CD4518。还要在100Hz处引入一个信号供秒表电路件用。 时间计数器电路 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60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。在作秒表用时，厘秒个位和厘秒十位计数器为100进制。时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为12进制计数器或24进制计数器，其输出为两位8421BCD码形式；分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。一般采用10进制计数器如CD4518、CD4520等来实现时间计数单元的计数功能。欲实现12进制和60进制计数还需进行计数模值转换。如图七1所示。该器件为双10进制异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。CLOCK 时脉冲输入。ENABLE 暂停使能端。RESETEA 复位端（为1复位）Increment Counter加计数进位用第二个状态。图七1 CD4518引脚功能图图七2CD4518功能图厘秒计数单元的个位和十位都为10进制计数器，直接使用既可。秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将QA与CPB（下降沿有效）相连即可。CPA（下降沿有效）与1HZ秒输入信号相连，Q3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连。秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。将10进制计数器转换为6进制计数器的电路连接方法见总图，其中Q2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CPA相连。分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的作为向上的进位信号应与分十位计数单元的相连，分十位计数单元的作为向上的进位信号应与时个位计数单元的A相连。时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行24进制转换。利用片与门CD4081实现24进制计数功能的电路如图八所示。 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。计数器实现了对时间的累计并以8421BCD码的形式输出，为了将计数器输出的8421BCD码显示出来，需要用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需的输出逻辑和一定的电流，一般这种译码器通常为7段译码显示电路。 数码管 数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管。 较时单元 根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，可直接通过开关按下时产生的脉冲电平使计数器计数，从而达到较时的目的。如图九 时钟/秒表切换及暂停、清零控制电路 切换信号所需要一个持续的高电平或低电平，但设计要求中提供的开关只能提供一个非常短暂的脉冲电平。所以需要一个锁存器来保存信号电平，一般用T触发器，本设计中由于分频器中多出一个计数器单元，它可记录开关输入的脉冲信号，输出不同的持续电平。其连接方式如图九所示为了控制元件数量，本电路中将切换、清零、暂停功能都用一个开关控制。将计数器的C输出端与复位端相连，构成一个4进制计数器，其状态及控制作用如下表。开关每按一次，状态就改变一下。如图十所示，其中，“A”端输出到清零电路，“B”接到暂停电路，“C”端接切换电路。8）切换电路跟据CD4518的功能图（图七2），该计数器有两个信号输入端，只需将分十位的进位信号和分频器中的0.01秒信号分别与控制信号相与及相或后加入到两个输入端。如图十一所示，“1”端接控制信号，“2”端接0.01秒脉冲信号，“3”端接分十位进位信号，“4”端接较时信号。 清零电路 从图七2中可看出，当RESET（复位）脚为高电平时，输出全为零，对秒个位直接把主控制器的清零信号接到RESET引脚，而秒十位、厘秒个位、厘秒十位计数器的RESET引脚有其它复位信号，须串联一个非门。如图十二所示，“A”端接清零信号 暂停电路 当分频器的EN作为脉冲输入端时，CP端为低电平时计数，为高电平时停止计数。故只需将主控制电路送来的电平加到分频器任一单元的CP端。 完整电路原理图 元件选择与非标准件制作一、元器件选择1. 集成电路CD4543 九只, CD4069 一只，CD4081两只，CD4071 两只2. 电阻R=1K三只3. 电容30PF 二只4. 七段发光二极管LED6只5晶振 4MHz一只二、非标准件制作印刷电路板制作，见图十四。图十四印刷板电路图 心得体会在本设计中，当分别完成时钟和秒表的设计后，我便产生了同时实现这两个功能的想法，由于元件的限制，每一个多出的功能，都促使我进一步了解元件的功能，充分利用已有的每一个元件，严密分析其逻辑关系。特别是随着旧问题的解决，新的更难的问题又产生，使我多次陷入进退两难的地步，但我还是坚持下来了。这次设计不但让我熟悉了数字电路常用逻辑单元的使用，锻炼了逻辑思维能力，还让我认识到一切皆有可能，坚持就是胜利的道理。注：本设计中的完整电路图为Mulitsim 7.0 中复制，而单元电路的图取自Protel 99 原理图，故有所不同。 元件选择与非标准件 元件选择与非标准件制作一、元器件选择1. 集成电路CD4543 九只, CD4069 一只，CD4081两只，CD4071 两只2. 电阻R=1K三只3. 电容30PF 二只4. 七段发光二极管LED6只5晶振 4MHz一只二、非标准件制作印刷电路板制作，见图十四。图十四印刷板电路图 心得体会在本设计中，当分别完成时钟和秒表的设计后，我便产生了同时实现这两个功能的想法，由于元件的限制，每一个多出的功能，都促使我进一步了解元件的功能，充分利用已有的每一个元件，严密分析其逻辑关系。特别是随着旧问题的解决，新的更难的问题又产生，使我多次陷入进退两难的地步，但我还是坚持下来了。这次设计不但让我熟悉了数字电路常用逻辑单元的使用，锻炼了逻辑思维能力，还让我认识到一切皆有可能，坚持就是胜利的道理。注：本设计中的完整电路图为Mulitsim 7.0 中复制，而单元电路的图取自Protel 99 原理图，故有所不同。制作一、元器件选择1. 集成电路CD4543 九只, CD4069 一只，CD4081两只，CD4071 两只2. 电阻R=1K三只3. 电容30PF 二只4. 七段发光二极管LED6只5晶振 4MHz一只二、非标准件制作印刷电路板制作，见图十四。图十四印刷板电路图 心得体会在本设计中，当分别完成时