数字钟课程设计.doc

目录一、课程设计要求及原理12二、各单元电路的概述22.1 秒脉冲信号发生器22.2 60进制计数器32.324进制计数器42.5 校时电路52.6 整点报时电路6三 数字钟单元电路设计63.1振荡器电路63.3译码显示电路73.4时分秒计时电路的设计73.5 校时较分电路的设计83.6 整点报时电路的设计9四 硬件安装与调试104.1硬件各部分的测试104.2 硬件安装114.3硬件调试要点124.4硬件调试12参考文献13一、课程设计要求及原理1、设计一个能够以LED数码管为显示的数字石英钟，走时精度高于机械时钟；2、具有快速 校时、校分功能；3、能够整点报时，5950开始报时，4声低声，1声高声，整点报时结束。 工作原理数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用555构成的振荡器加分频器来实现。将标准秒脉冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计数器，可以实现一天24h的累计。译码显示电路将“时、分、秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对调整。其数字电子钟系统框图如下:二、各单元电路的概述2.1 秒脉冲信号发生器秒脉冲信号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钟的质量。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。 振荡器: 通常用555定时器与RC构成的多谐振荡器，经过调整输出1000Hz脉冲。 分频器: 分频器功能主要有两个，一是产生标准秒脉冲信号，一是提供功能扩展电路所需要的信号，选用三片74LS90进行级联，因为每片为1/10分频器，三片级联好获得1Hz标准秒脉冲。其电路图如下：秒 脉 冲 信 号 发 生 器2.2 60进制计数器由74LS90构成的60进制计数器，将一片74LS90设计成10进制加法计数器，另一片设置6进制加法计数器。两片74LS90按反馈清零法串接而成。秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为分计数器的输入脉冲CP1。下图电路即可作为秒计数器，也可作为分计数器。 60 进 制 计 数 器2.3 24进制计数器由74LS90构成的二十进制计数器，将一片74LS90设计成4进制加法计数器，另一片设置2进制加法计数器。既个位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0100十位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0010时，要求计数器归零。通过把个位Qc、十位Qb相与后的信号送到个位、十位计数器的清零端，使计数器清零，从而构成24进制计数器。电路图如下:24 进 制 计 数 器2.4 译码显示电路译码电路的功能是将秒、分、时计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用与驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段译吗管的输入端，便可以进行不同数字的显示。在译码管输出与数码管之间串联电阻R作为限流电2.5 校时电路校时电路是数字钟不可缺少的部分，每当数字钟与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。K1、K2分别是时校正、分校正开关。不校正时，K1、K2开关是闭和的。当校正时位时，需要把K1开关打开，然后用手拨动K3开关，来回拨动一次，就能使时位增加1，根据需要去拨动开关的次数，校正完毕后把K1开关闭上。校正分位时和校正时位的方法一样。其电路图如下:校 正 电 路2.6 整点报时电路仿广播电台整点报时电路设计,每当数字钟计时快到整点时发出响声,四低一高并且以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。整点报时电路三 数字钟单元电路设计3.1振荡器电路振荡器是数字钟的核心，它的作用是产生一个频率标准时间频率信号，然后再由分频器分秒脉冲，因此，振荡器频率的精度与稳定度基本决定了数字电子钟的质量。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。分频器的功能主要有两个：（1）产生标准秒脉冲信号（2）提供功能拓展电路所需要的信号，如仿电台整点报时用的1000HZ的高音频信号和500HZ的低音频信号。振荡器是使用集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器，振荡频率f0=1000HZ，则选用三片同步十进制计数器74LS160完成上述功能。根据74160分频特性可用三片74160实现千分频，从而得到1Hz信号，并且二分频得到500Hz信号。从第一块74160的QA的到500Hz的信号，从第三块芯片的QC或者QD得到1Hz的信号。3.3译码显示电路译码显示电路是将数字电子钟的计时状态直观清晰的反应出来，被人们的视觉感官所接受。显示器件选用LED七段数码管。在译码显示电路输出信号的驱动下，显示出清晰的、直观的数字符号，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。该数字钟的电路设计用到了6个显示数码管3.4时分秒计时电路的设计（1）秒钟/分钟计时电路的设计采用同步集成十进制计数器74160和带译码器的七段显示数码管组成的数字钟电路。计数器74160的功能真值表如图7所示。根据同步集成十进制计数器74160的真值表，利用两片74160组成的同步六十进制递增计数器如图8所示，其中个位计数器接成十进制形式，十位计数器选择QC与QB做反馈端，经过与非门输出控制清零端（CLR），接成六进制形式。个位与十位计数器之间采用同步级联复位方式，将个位计数器的进位输出控制端（RCO）接至十位计数器的容许端（ENT）,完成个位对十位计数器的进位控制。将个位计数器的RCO端和十位计数器的QC与QA经过与门由CO端输出，作为六十进制的进位输出脉冲信号。当计数器的状态为59时，CO端输出高电平，在同步级连方式下，容许高位计数器（分钟的个位计数器）计数。电路创建完成后，进行仿真实验时，利用信号源库中的1HZ方波信号作为计数器的时钟脉冲源。 由于电子钟的分钟只有在秒钟的显示数码管为59时方会跳一下，因此将秒钟的进位分钟个位计数器的容许端（ENT），再由分钟个位计数器的进位（RCO）以及容许端（ENT）通过与门输入十位计数器的容许端（ENT）。电路图如图9所示。（2）时钟电路的设计利用两片74160同步十进制计数器可以实现二十四递增计数器。个位与十位计数器均接成十进制计数器形式，采用同步级连复位方式。选择十位计数器的输出端QB和个位计数器的输出端QC通过与非门控制两片计数器的清零端（CLR）,当计数器的输出状态为00010010时，立即译码反馈清零，实现二十四进制递增计数器。电路图如图10所示。由于电子钟的时钟只有在分钟和秒钟的显示数码管为5959时方会跳一下，因此将分钟以及秒钟的进位通过一个与门输入时钟个位计数器的容许端（ENT），再由个位计数器的进位（RCO）以及容许端（ENT）通过与门输入十位计数器的容许端（ENT）。电路图如图11所示。3.5 校时较分电路的设计校时校分电路是电子钟不可缺少的部分，每当电子钟与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。S与D、F三个单刀双掷开关分别是时校正、分校正开关。开关S公共端接入的是一个与门，这个与门的输出端是接入时钟的个位计数器的容许端（ENT），开关S的另外两端是接分钟的进位输出（CO）以及一个手动CP；开关D的公共端接入与开关S相连的与门的另一输入端，另外两端分别接入秒钟的进位输出（CO）与手动CP；这两个开关控制了校时电路，当开关D与开关S都掷于手动CP端时，可以通过手动调节时间。开关F公共端与分钟电路的个位计数器的容许端（ENT）相连，另外两端分别与秒钟的进位输出（CO）以及一手动CP相连，开关F控制了校分电路，F掷于CP端时，可手动调节来进行分钟的校对。3.6 整点报时电路的设计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语音提示。根据要求，电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，在离整点10s时，自动发出鸣叫声，步长1s，每隔1s鸣叫一次，共鸣叫5次。前4响是低音，在51s、53s、55s、57s时鸣叫；最后1响为高音，在59s时鸣叫，最后1响结束时为整点。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。可以得到秒个位计数器的状态，结果如下表所示:CP（秒）Q3Q2Q1Q0功能500000 510001鸣低音520010停530011鸣低音540100停550101鸣低音560110停570111鸣低音581000停591001鸣高音表二 秒计数器的状态鸣叫声音都持续一秒，则根据上表可得：秒计数器的Q3为0时，500HZ输入音响，Q3为1时，1000HZ输入音响。分计数器显示“59”，即分计数器的输出为01011001；秒计数器的十位显示“5”，即秒计数器的十位计数器的输出为0101时，只需要控制秒个位计数器，就能实现仿电台整点报时。用EWB仿真时用一个灯泡代替蜂鸣器,灯泡亮时表示电路正在报时，表示蜂鸣器在鸣叫。四 硬件安装与调试4.1硬件各部分的测试（1）面板测试：测试面板各触点是否接通，用导线接发光二极管，根据二极管的发光情况判断，面板各个部分的信号输入情况来判断电路。（2）线的测试打开5V电压开关，将线的一端接地，另外一端接到一个灯泡，根据灯泡亮与否来判断线的好坏，灯泡亮表示线是好的，否则，是坏的。在硬件安装之前每根线都有测试。（3）七段显示器与七段译码器的测量数字电子钟有用到6个显示译码管。测量好坏是用4根线来测试它是否从0到9变化；变化时好的没有出现乱码说明显示译码管是好的，否则为坏的。4根线都接地时，它显示为0；第一、第二、第三根线接地时，显示为1；第一、二、四根线接地时显示为2；第一、二根线接地时，显示为3；第一、三、四根线接地时，显示为4；第一、三根线接地时，显示为5；第一、四根线接地时显示为6；第一根线接地时，显示为7；第二、三、四根线接地时，显示为8；第二、三根线接地时，显示为9。经过测量，我们的实验箱内有一个显示译码管是坏的。（4）芯片的测试芯片测试有两种方法，一种是通过接线来测试其功能，满足功能要求说明芯片是好的，否则是坏的；另外一种是直接用学校提供的机器进行好坏识别。（5）单刀双掷开关的检测将单刀双掷开关的公共端接到高电平+5V，另外两端分别接两个开关，通过灯泡亮与否判断开关的好坏。通过检测才发现，实验箱上单刀双掷开关的公共端标注有误。（6）蜂鸣器的检测蜂鸣器正极那端接+5V，负极接地，打开电源，听是否有鸣叫，有则蜂鸣器是好的，否则为坏的。4.2 硬件安装当以上所有检测无误之后，就开始进行硬件安装。根据电路图，将所有要用到的芯片安装到电路板上。硬件安装时根据EWB仿真电路一个模块一个模块的进行。首先，将电源+5V以及接地端与电路板相连。其次，进行秒计时电路的安装，经检查无误后，将秒钟的进位信号接出；再进行分钟计时电路的安装，经检查无误后，将分钟的进位信号接出；再进行时钟计时电路的安装。主要电路安装完成后观察电子钟是否准确、正常的工作，观察秒钟到分钟是否有进位，观察59分59秒时候时钟是否进位等等。当以上无误后，再进行校时电路的安装，这里接线有用到开关，以及一个手动CP。最后后是进行仿电台整点报时电路的安装。4.3硬件调试要点（1）用示波器检测555定时器与RC组成的多谐振荡器输出信号和波形，输出频率应为1000HZ。（2）将1000HZ信号送入分频器，用示波器检测各级分频器的输出频率 符合要求。（3）将1HZ秒脉冲分别送入时、分、秒计数器，检查各组计数器的工作情况。（4）当分频器和计数器调试正常后，观察电子钟是否准确、正常的工作。（5）观察校时电路的功能是否满足要求。（6）观察仿电台整点报时电路的功能是否满足要求。4.4硬件调试由于实验箱内有1Hz、1000Hz、500Hz频率，我们可以直接使用从实验箱内使用它们，故硬件调试要点的（1）（2）可以省略。（1）时间计数电路的连接与测试在连接电路时，秒计数器和分计数器很成功的完成，但是偶尔会出现秒的个位计数器到9的时候不向十位计数器进位；秒计数器在向分计数器进位时，按图接线后发现，秒计数器计到五十九时，有时向分进位，有时不进，我反复仔细的检查，也没有发现接错了线。我重新检查了芯片，还是没有找出原因，然后发现是线路接触不良造成的。然而，时计数器的接线并不成功，刚开始接线的时候一直都是时计数器接不出来，反复的检查线路都没有问题，我想可能是线接触不良，当时不知道怎么解决这个问题，只好把线都拔了，重新接线，后来才知道应该接个寄存器，使电路更稳，这就提示我在实验过程中应该认真仔细把每一部分的电路设计做好，才能使整个电路正常运行。（2）校时电路的连接与调试连接校正电路的过程中,时和分都能正常校正时,但是开关有时候由于接触不良导致不是校正的时候也开始跳动，后来我们换了开关，以及与开关相连的线，才渐稳定下来。但是偶尔由于CP的原因，导致校时和校分时，跳动不是很正常。（3）报时系统的连接与调试根据课题要求，数字电子钟显示系统能在正点前是蜂