数字电子钟设计

武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 1 摘要 该数字电子钟由石英晶体振荡器 分频器 计数器 译码器 LED 显示器和校时电 路组成 采用了BCD 7段译码器CD4511 14级二进制串行分频器CD4060 集成十进制异 步计数器74LS90 2输入四与非门74LS00等中小规模集成芯片 总体方案由主体电路和扩 展电路两大部分组成 其中主体电路完成数字电子钟的基本功能 扩展电路完成数字电 子钟的校时功能 并进行了各单元及总体的设计和调试 关键词关键词 石英晶体振荡器 分频器 计数器 译码器 LED 显示器 Abstract The digital electronic clock is made up of silicon crystal oscillator frequency divider number counter decipherer LED indicator and calibrated circuit using BCD to 7 Segment Decoder CD4511 14 Stage Ripple Carry Binary Divider CD4060 Integrated Decimal Asynchronous Counter 74LS90 Quad 2 Input NAND Gates etc medium sized and small sized integrated chips The design for the overall project consists of two parts the main circuit and the expanded circuit The main circuit carries on the basic functions of the digital electronic clock and the expanded circuit carries on the function calibrating Each unit is designed and the overall adjustment is performed Key words silicon crystal oscillator frequency divider number counter decipherer LED indicator 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 2 目录 1 方案选择和系统设计 1 1 1 方案比较与确定 1 1 2 系统设计 2 1 2 1 秒脉冲发生器 2 1 2 2 秒 分 时计数器 3 1 2 3 译码显示电路 5 1 2 4 校时电路 7 1 2 5 系统电路 7 2 制作与调试 3 2 1 主要仪器和仪表 9 2 2 制作与调试过程中的故障及排除 9 2 3 电路性能测试 9 结束语 10 元器件明细表 11 参考文献 12 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 1 数字电子钟设计 1 方案选择和系统设计 1 1方案比较与确定 方案一 采用 555 定时器构成多谐振荡器 产生 1Hz 的脉冲直接充当数字电子钟的 秒脉冲 选用 CMOS4 位同步二进制加计数器 74LV161 分别构成六进制 十进制和二十四 进制计数器 来构成秒 分 时计数器 选用 BCD 7 段译码器 CD4511 作为译码输出并将 时 分 秒显示在 LED 显示器上 校时电路与报时电路主要由门电路构成 选用 74LS 系 列集成电路 图 1 1 1 为数字电子钟的系统框图 图 1 1 1 数字电子钟系统框图 方案二 采用石英晶体振荡器产生固定频率的脉冲 经分频器分频后充当数字电子 钟的秒脉冲 分频器用 14 级二进制串行分频器 CD4060 及双 D 触发器 74LS74 构成 选用 集成十进制异步计数器 74LS90 分别构成六进制 十进制和二十四进制计数器 来构成秒 分 时计数器 选用 BCD 7 段译码器 CD4511 作为译码输出并将时 分 秒显示在 LED 显 示器上 校时电路与报时电路主要由门电路构成 选用 74LS 系列集成电路 图 1 1 2 为 数字电子钟的系统框图 时显示分显示秒显示 译码器译码器译码器 时计数器分计数器秒计数器 校时电路555 定时器 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 2 VCC 5V U22A 74LS74N 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 U23 4060BD 5V O12 2 O13 3 RTC 10 O3 7 MR 12 RS 11 O4 5 O5 4 O6 6 O7 14 O8 13 O9 15 O11 1 CTC 9 R43 15m X1 R145 32 768kHz R46 330k C1 10pF C2 10pF 5 1 432 0 VCC 图 1 1 2 数字电子钟系统框图 555 定时器虽然成本低且构成多谐振荡器的电路结构简单 但其产生的脉冲在精确性 和稳定性上都不如石英晶体振荡器 且选用 R145 32768Hz 的石英晶振时可选用 14 级二 进制串行分频器 CD4060 直接分频至 2Hz 再经二分频后充当秒脉冲 集成十进制异步 计数器 74LS90 本身带有置 0 和置 9 功能 构成计数器时不用另外添加门电路 而 74LV161 则需添加门电路 故选择方案二 1 2 系统设计 1 2 1 秒脉冲发生器 1Hz 图 1 2 1 1 秒脉冲发生器电路 时显示分显示秒显示 译码器译码器译码器 时计数器分计数器秒计数器 校时电路 晶体振荡器分频器 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 3 秒脉冲发生器是数字电子钟的核心部分 它的精度和稳定度决定了数字电子钟的质 量 选用高精度和高稳定度的石英晶体振荡器发出脉冲 经过分频获得 1Hz 的秒脉冲 该设计选用标称频率为 32768Hz 的石英晶振 通过 15 次二分频后获得 1Hz 的脉冲输出 电路图如图 1 2 1 1 所示 74LS74 的 5 脚输出 1Hz 秒脉冲 集成芯片 CD4060 是 14 级二 进制串行分频器 其引脚图和内部结构图分别如图 1 2 1 2 和图 1 2 1 3 所示 双 D 触 发器 74LS74 的引脚图如图 1 2 1 4 所示 图 1 2 1 2 CD4060 引脚图 图 1 2 1 4 74LS74 引脚图 图 1 2 1 3 CD4060 内部结构图 1 2 2 秒 分 时计数器 利用 6 片集成十进制异步计数器 74LS90 分别构成 2 个六十进制和 1 个二十四进制计 数器 充当秒 分 时计数器 由于 74LS90 本身带有置 0 和置 9 功能 因而不需外加门 电路即可实现清 0 功能 74LS90 的引脚图和功能表如图 1 2 2 1 和表 1 2 2 所示 当 Q0 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 4 U15 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U18 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 12 3 4 5 0 和 CLK1 相连时 其功能为 8421BCD 码十进制计数器 当 MR1 和 MR2 全为高电平时 计数 器置 0 当 MS1 和 MS2 全为高电平时 计数器置 9 因此秒个位和分个位计数器直接将 74LS90 的 12 脚与 1 脚相连构成 而秒十位和分十位由 74LS90 构成六进制计数器 即将 其9 8 脚分别接 2 3 脚 时计数器为二十四进制计数器 可将时个位芯片的 8 脚接时个位和时十位芯片的 2 脚 将 时十位芯片的 9 脚接时个位和时十位芯片的 3 脚构成 进 位时 由于 74LS90 的时钟脉冲是下降沿触发的 可将低 位计数器的输出最高位与高位计数器的时钟脉冲相连 当 低位计数器的输出最高位由高电平变为低电平时触发高位 计数器计数 实现进位 秒 分 时计数器分别如图 1 2 2 2 图 1 2 2 3 图 1 2 2 4 所示 图 1 2 2 1 74LS90 引脚图 表 1 2 2 74LS90 功能表 接译码器 接译码器 接秒脉冲 图 1 2 2 2 秒计数器 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 5 U9 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U12 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 12 3 4 5 0 U3 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U6 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 12 3 4 5 0 接译码器 接译码器 接秒十位芯片 8 脚 图 1 2 2 3 分计数器 接译码器 接译码器 接分十位芯片 8 脚 图 1 2 2 4 时计数器 1 2 3 译码显示电路 g f GND a b e d GND c h 图 1 2 3 1 CD4511 引脚图 图 1 2 3 2 LG5011 引脚图 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 6 译码是把给定的代码进行翻 译 将时 分 秒计数器输出的 四位二进制代码翻译为相应的十 进制数 并通过LED 显示器显示 在此 我们采用BCD 7段译码器 CD4511 数字显示用共阴极半导 体数码管LG5011 其引脚图分别 如图1 2 3 1 图1 2 3 2所示 译码器CD4511的功能表如表1 2 3所示 限流电阻采用470 电阻 图1 2 3 3为CD4511与数码管组 成的秒译码显示电路 分译码显 示电路 时译码显示电路与其相 同 图1 2 3 3 秒译码显示电路 表1 2 3 CD4511功能表 U3 A B C D E F G CK R43 470 U6 4511BP 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R44 470 R45 470 R46 470 R47 470 R48 470 R49 470 U9 A B C D E F G CK R50 470 U12 4511BP 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R51 470 R52 470 R53 470 R54 470 R55 470 R56 470 112111110109108 107106105104103 102 101 100 99 9897969594 9392919089 88 87 86 85 VCC 5V 0 VCC 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 7 1 2 4 校时电路 校时电路分秒校时 分校时和时校时电路 如图 1 2 4 1 所示 开关 J3 J4 J5 分 别为秒校时 分校时和时校时开 关 J1 为校时按键 当秒 分 时校时开关拨到校时档时 每按 一下校时开关 相应数字增加 1 为了增加开关的稳定性 用 异或门组成了防抖开关 使用了 集成芯片 74LS00 引脚图如图 1 2 4 2 所示 图 1 2 4 2 74LS00 引脚图 图 1 2 4 1 校时电路 1 2 5 系统电路 将秒脉冲发生电路 秒计数器 分计数器 时计数器 译码显示电路和校时电路分 别进行仿真 并组成数字电子钟系统电路图 如图 1 2 5 所示 J1 Key Space U1 74LS00D 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND3Y 3B 3A 4Y 4B 4A VCC VCC 5V 0 2 R1 10k R2 10k 1 4 VCC J4 Key A J2 Key B J3 Key C 3 个 个 个 个 个 个 个 个 个 个 个 个 个 个 14个 个 个 个 个 个 个 14个 个 个 个 个 个 个 14个 个 个 个 个 个 个 8个 个 个 个 个 个 个 8个 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 8 U2 A B C D E F G CK R3 470 U3 4511BP 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R4 470 R5 470 R6 470 R7 470 R8 470 R9 470 U4 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U5 A B C D E F G CK R10 470 U6 4511BP 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R11 470 R12 470 R13 470 R14 470 R15 470 R16 470 U7 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U8 A B C D E F G CK R17 470 U9 4511BP 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R18 470 R19 470 R20 470 R21 470 R22 470 R23 470 U10 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U11 A B C D E F G CK R24 470 U12 4511BP 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R25 470 R26 470 R27 470 R28 470 R29 470 R30 470 U13 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U14 A B C D E F G CK R31 470 U15 4511BP 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R32 470 R33 470 R34 470 R35 470 R36 470 R37 470 U16 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U17 A B C D E F G CK R38 470 U18 4511BP 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R39 470 R40 470 R41 470 R42 470 R45 470 R44 470 U19 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 VCC 5V VCC 5V VCC 5V U22A 74LS74N 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 U23 4060BD 5V O12 2 O13 3 RTC 10 O3 7 MR 12 RS 11 O4 5 O5 4 O6 6 O7 14 O8 13 O9 15 O11 1 CTC 9 R43 15m X1 R145 32 768kHz R46 330k C1 10pF C2 10pF J5 Key Space U20 74LS00D 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND3Y 3B 3A 4Y 4B 4A VCC R47 10k R48 10k J6 Key A J7 Key B J8 Key C 104 125 102 124 123 122 121 VCC 120 119 118 0 0117 109 116 115 114 105103 113 112111 110 VCC 0 108 107106 0 VCC 101 0 10099 9897969594 9392919089 88 87 86 85 84 0 83 8281807978 7776757473 72 71 70 69 68 0 67 66 6564636261 6059585756 55 54 53 52 51 0 50 4948474645 4443424140 39 38 37 36 35 0 3433323130 2928272625 24 23 22 21 20 0 19 1817161514 131211109 8 7 6 5 图 1 2 5 数字电子钟系统电路图 武汉理工大学 电子技术综合 课程设计说明书 9 2 制作与调试 2 1 主要仪器和仪表 制作过程中主要用到的仪器为示波器和函数发生器 仪表为万用表 示波器用于显 示秒脉冲发生电路的输出和计数器的输出 但是由于该示波器只有 CH1 和 CH2 两个通道 在观察计数器输出时需分多次观察 函数发生器提供 1Hz 的脉冲波用于检测秒 分 时 计数器电路的性能 万用表用于测试数码管的引脚分布 测电阻值 电容值 测试部分 引脚电压等 2 2 制作与调试过程中的故障及排除 开始我们使用的是面包板 且直接连接了系统电路后进行调试 结果失败了 检查确 定连线无误后 我们对各单元电路进行检查 还是失败了 后来 我们发现面包板的许 多管脚没有连通 且导线有断开现象 于是改焊电路板 焊电路板时 我们对单元电路进行逐个焊接并调试 调试秒计数器电路时 发现在连 线无误且秒脉冲发生电路正常工作的情况下计数器仍然无法正常工作 经检查发现芯片 损坏 由于焊了芯片插座 更换芯片方便快捷 重新更换芯片后 电路正常工作 其他 单元电路的制作与调试过程较顺利 整个数字电子钟系统也正常工作 2 3 电路性能测试 秒脉冲发生电路能输出较稳定的 1Hz 脉冲 秒计数电路与分计数电路均能较好地实 现六十进制计数 时计数电路实现二十四进制计数 译码显示电路也正常工作 接通电 源后数字电子钟自动显示时间 将秒校开关拨到校时档时 每按校时