数字电子时钟设计.doc

摘要课程设计（论文）是综合运用有关课程理论知识进行的设计实践，是培养学生分析解决实际问题能力的一个重要实践教学环节。为了进一步加强和规范课程设计（论文）工作的管理，提高课程设计质量，特制定本规定。一、目的1、课程设计（论文）的基本教学目的是巩固和加深所学课程的基本理论知识，培养学生综合运用所学知识和技能分析与解决实际问题的能力和创新意识，树立严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。2、课程设计（论文）应完成以下基本能力的培养：（1）资料、信息的获取及分析、综合的能力。（2）方案论证、分析比较的能力。（3）实验、设计、使用网络和计算机（包括索取信息、计算机绘图、数据处理、基本应用等）的能力。（4）撰写科技论文（报告）的能力。二、要求1、课程设计（论文）原则上集中进行。2、课程设计（论文）的类型可以是工程设计型，也可以是研究论文型。3、工程设计型的课程设计学生应撰写课程设计说明书，原则上不少于3000字，论文型的课程设计应撰写研究论文，原则上不少于5000字。各学院（系）可根据设计周数和题目类型做适当要求，在课程设计（论文）大纲中明确规定。4、查阅文献3篇以上。 5、工程设计课题按专业性质不同规定一定量图幅的设计图纸并在任务书中明确。6、以实验为主的工程技术研究类课题，论文或设计说明书应有实验数据、测试结果、数据处理分析意见与结论。7、以产品开发为主的课题应有完整的设计方案，提倡具有实物成果及实物的性能测试报告，并提供产品开发设计说明书。8、软件类课题应有完善的文档，包括有效程序软盘、源程序清单、流程图、软件设计说明书等。概述钟表的数字化给人们的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记时功能。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、定时合闭路灯，甚至各种定时电气的自动启用等，都是以钟表数字化为基础的，因此，研究数字钟表及扩大其应用，有着非常现实的意义。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。数字钟与传统的机械钟相比，它具有走时准、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用。小到日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。电路框图及分析 本文设计的是四位显示并能进行校时、分的数字钟，它的电路组成方框图如图2-1所示。图6.1.1 数字钟方框图数字电子钟的逻辑框图如图6.1.1所示，它由以下几部分组成：石英晶体振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器；校时电路；60进制秒、分计数器及24进制计时计数器；以及分、时的译码器和显示部分等。数字钟的工作原理是由石英晶体振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间标准，然后经CD4060及JK触发器进行15级分频获得1HZ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，小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器译码后显示，当计时出现误差时可以通过校时电路进行校时、校分。秒脉冲发生器秒脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器发生频率为32768HZ基准脉冲经过整形、15级分频后获得1HZ的秒脉冲。石英晶体振荡器的结构及其工作原理一、石英晶体的特点及其选频特性将二氧化硅结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层，并作为两个极引出管脚，加以封装，就构成石英晶体谐振器。石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确，电路结构简单，频率易调整，而且它还具有压电效应，在晶体某一方向加一电场，则在此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从而使机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时，才达到最后稳定，一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。由图6.2.1石英晶体的电抗频率特性及符号可知，石英晶体有两个谐振频率：当时，为串联谐振，石英晶体的电抗；当时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。由晶体本身的特性决定：（晶体的标称频率）。石英晶体的选项特性极好，十分稳定，其稳定度可达。图6.2.1 石英晶体电抗频率特性和符号。二、石英晶体多谐振荡器由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加的电压信号频率为时，石英晶体的等效电阻阻抗最小，显示纯电阻性，此时信号最容易通过石英晶体，并在电路中形成正反馈而产生自激振荡，而其它频率信号经过石项晶体时被衰减。因此，振荡器的工作频率也是必然是。由此可知，石英晶体多谐振荡器的振荡频率只决定于石英晶体本身的固有的谐振频率，而与外接电路中R、C的数值无关。石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。石英晶体多谐振荡器如图2-3所示，是偏置电阻，保证在静态时工作在转折区，构成一个反相放大器。图6.2.2 CMOS 石英晶体多谐振荡器当晶体工作在与之间，可等效为一电感，与、共同构成电容三点式振荡电路，电路的振荡频率为。反相器起整形缓冲作用，同时还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。6.2.2分频器及秒脉冲发生器1Hz标准脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度与稳定度决定了数字钟的质量。通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的标准秒脉冲。分频器是秒脉冲发生器的一部分，由于石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到秒脉冲就需要分频电路，要使它变成能用来计时的“秒”信号，需要一定级数的分频电路。分频电路的级数和每级分频的次数要根据基准脉冲的频率来确定。CMOS石英晶体多谐振荡器产生的基准信号，经15级二分频后便可得到稳定度极高的1Hz的秒脉冲输出。通常选用CD4060（为14位二进制串行计数器/分频器）进行14级分频获得2Hz脉冲，CD4060的应用连接如图6.2.3所示。图6.2.3