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课程设计数字电子钟设计报告
多功能数字钟设计与制作
学生:
指导老师:
【摘要】:
多功能数字钟是采用数字电路实现用数字显示时间的计时装置。
主要由振荡器、分频器、计时器、译码显示及扩展电路几部分构成。
具有时间显示、校时校分及闹钟设置、整点报时等扩展功能并且具有走时准确、显示直观、稳定等优点深受人们喜爱。
关键字:
振荡器、分频器、计时器、译码显示、报时
1.数字钟的组成及基本原理
图1-1数字钟组成框图
如图A所示,数字钟电路系统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钟的基本功能,即:
能准确计时,以数字形式显示小时、分秒的时间;小时计时以“24进1”,分和秒的计时以“60进1”;具有校正时和分的功能。
扩展电路完成数字钟的扩展功能。
1、系统的工作原理:
振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字中的时间基准,然后经分频器输出标准秒脉冲。
秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满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送显示器显示,计时出现误差时可以进行校时、校分。
各扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。
2、各单元电路的基本原理:
1.1振荡器电路
振荡器是数字钟的核心。
振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟的准确程度。
一般来说,振荡器的频率越高,计时精度越高,但耗电量增大且分频级数多。
一般有如下几种方案构成振荡器电路:
方案1.、如图1-1所示为电子手表集成电路(如5c702)中的晶体振荡器电路,常取晶振的频率为32768Hz,因其内部有15级2分频集成电路,所以输出端正好可得到1Hz的标准脉冲。
该方案优点是走时准确及稳定,集成度高,所需芯片少。
方案2、由集成电路定时器555与RC组成的多谐振器,电路图如图1-2。
输出频率为1000Hz。
该方案的优点是起振容易,振荡周期调节范围广,缺点是频率稳定性差,精度低,所以在本实验中不宜使用。
方案3、由集成逻辑门与RC组成的对称式多谐振荡器,可以输出频率为1MHz的脉冲。
该方案的优点是精度高,集成简单,所需元器件少。
由于此次设计所提供的芯片主要是74ls00且方案三精度较高,连线简单所以选用方案三。
(图参见P139黄封面书)
1.2分频器电路
分频器的功能主要有两个:
一是产生标准秒脉冲信号,二是提供功能扩展电路所需要的信号。
选用中规模集成芯片74ls90可以完成上述功能,用6个级联即可以得到1Hz的脉冲,该方案原理简单,易于调试,且可以得到各种频率的脉冲,适合功能的扩展。
因此此次设计选用该方案。
1.3计数器电路
分和秒都是模M=60的计数器,它们的个位都是十进制计数器,而十位则是六进制计数器。
时计数器是一个“24翻1”的特殊进制计数器,即当数字钟的计时器运行到23时59分59秒时,秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时,数字钟应自动显示为00时00分00秒,实现日常生活中习惯用的计时规律。
修改由于都不多于十进制,则可以用6个中规模集成电路计数器74ls90来实现计数。
该方案功能灵活,芯片统一便于调试与组装。
1.4译码显示电路
译码显示电路的作用是将时分秒计数器输出的4位2进制代码翻译并显示出相应的十进制的状态。
通常译码器与显示器是配套使用的,如果选择共阴极发光二极管数码显示器BS201/202,则译码驱动器应选配74ls48或CD4511。
修改本设计中使用的就是BS201与CD4511配套使用。
1.5校时校分电路
当数字钟接通电源或者计时出现误差时,均需要校正时间。
对校时电路的要求是,在进行小时校正时不影响分和秒的计时,同理,在进行分校正时不影响时和秒的正常计数。
其实现方法可以是将校时校分信号直接加到分、时计数器上,因此校时校分电路实际上是一个输入信号的转换开关。
以下是几种方案:
方案1:
简单的手动开关,如图1-4-1所示,正常工作时,s指向A,校时时只需使s指向B。
这种电路简单,但是开关的通断产生随机的机械抖动信号,不易控制其稳定性。
方案2:
如图1-4-2所示,用三个与非和一个可调电位实现信号的转换,当正常工作时,电位器动滑头指向B,这时CP=C0;当需要校时,动滑头指向A,此时CP等于秒脉冲,两个电容可以滤去滑动中产生的干扰信号。
方案3:
三个与非门和基本RS触发器。
基本RS触发器可以完全消除开关的机械抖动,是最佳的一种校时校分电路。
2.2分频器
本设计采用6片74ls90级联成
分频电路得到1Hz频率脉冲,且可以得到用于扩展电路所需要的各种频率。
具体接线图如下图2-2
2.3、时分秒计数器
选用6片74ls90来实现计数功能,其中分个位、秒个位及时个位是十进制,分十位和秒十位是六进制,时十位只能显示0、1、2三个数字。
如图2-3-1。
分计时和秒计时中当Q1、Q2全为1时,R01、R02均为高,计时器清零实现60进制。
如图2-3-2,时计数中当十位Q1和个位Q2均为1时,十位个位上R01、R02全为高,计时器清零实现24进制。
2.4译码显示电路
本设计使用BS201和CD4511配套使用实现译码显示功能。
左图为一个一码显示的配套电路,本次设计中需使用6套来显示我们所需要观察到的数字。
2.5校时校分电路
本次设计采用方案3,用三个与非门和基本RS触发器来实现校分/时功能。
其中基本RS触发器可以完全消除开关的机械抖动。
具体电路如图2-5
1.实验目的
※掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路及数字逻辑电路系统的设计、安装、测试方法;
※进一步巩固所学的理论知识,提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力;
※提高电路布局﹑布线及检查和排除故障的能力;
※培养书写综合实验报告的能力。
2.实验题目描述和要求
(1)设计一个有“时”、“分”、“秒”(24小时59分59秒)显示,且有校时功能的电子钟;
(2)用中小规模集成电路组成电子钟,并在实验箱上进行组装、调试;
(3)画出框图和逻辑电路图,写出设计、实验总结报告;
(4)选做:
整点报时。
在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出500Hz音频信号,在59分59秒时输出1000Hz信号,音频持续1s,在1000Hz音频结束时刻为整点。
3.设计报告内容
3.1实验名称
数字电子钟
3.2实验目的
·掌握数字电子钟的设计、组装与调试方法;
·熟悉集成电路的使用方法。
3.3实验器材及主要器件
(1)cc40192(6片)
(2)cc4011(6片)
(3)74LS2O(2片)
(4)共阴七段显示器(6片)
(5)电阻、电容、导线等(若干)
3.4数字电子钟基本原理
数字电子钟的逻辑框图如图3-4所示。
它由555集成芯片构成的振荡电路、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。
555集成芯片构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为秒脉冲,秒脉冲送入计数器,计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。
图3-4
3.5数字电子钟单元电路设计、参数计算和器件选择
(一)计数器
秒脉冲信号经过6级计数器,分别得到“秒”个位、十位、“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。
“秒”“分”计数器为六十进制,小时为二十四进制。
(1)六十进制计数
由分频器来的秒脉冲信号,首先送到“秒”计数器进行累加计数,秒计数器应完成一分钟之内秒数目的累加,并达到60秒时产生一个进位信号,所以,选用两片cc40192和一片cc4011组成六十进制计数器,来实现六十进制计数。
其中,“秒”十位是六进制,“秒”个位是十进制。
如图3-4-3-1所示。
图3-4-3-1所示(60进制计数构造)
(2)二十四进制计数
“12翻1”小时计数器是按照“01——02——03——……——22——23——00——01——02——……”规律计数的,这与日常生活中的计时规律相同。
在此实验中,它是由两片cc40192和一片cc4011构造成的同步二十四计数器,利用异步清零端实现起从23——00的翻转,其中“24”为过渡状态不显示。
其中,“时”十位是3进制,“时”个位是十进制。
如图3-4-3-2所示.
如图3-4-3-2所示.
(二)显示器
本系统用七段发光二极管来显示译码器输出的数字,显示器有两种:
共阳极显示器或共阴极显示器。
74LS48译码器对应的显示器是共阴极显示器。
(三)校时电路
当数字钟走时出现误差时,需要校正时间。
校时电路实现对“时”“分”“秒”的校准。
在电路中设有正常计时和校对位置。
本实验实现“时”“分”的校对。
对校时的要求是,在小时校正时不影响分和秒的正常计数;在分校正时不影响秒和小时的正常计数。
需要注意的时,校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路,开关S1或S2为“0”或“1”时,可能会产生抖动,为防止这一情况的发生我在原本接校时脉冲的端口接到了实验装置的“单次脉冲”端口,这样既时限内了防抖动,又可以利用手动操作来完成校时。
校时电路图
3.6数字电子钟电路图
3.7数字电子钟的组装与调试
由图中所示的数字中系统组成框图按照信号的流向分级安装,逐级级联。
这里的每一级是指组成数字中的各个功能电路。
级联时如果出现时序配合不同步,或剑锋脉冲干扰,引起的逻辑混乱,可以增加多级逻辑门来延时。
如果显示字符变化很快,模糊不清,可能是由于电源电流的跳变引起的,可在集成电路器件的电源端Vcc加退藕滤波电容。
通常用几十微法的大电容与0.01μF的小电容相并联。
4.实验结论
通过运用数字集成电路设计的24小时制的数字电子时钟,经过试验,成功实现了一下基本功能:
1.能准确计时,以数字形式显示时、分、秒的时间。
2.能实现整点报时的功能,并分别在51秒、53秒、55秒、57秒、59秒实现了“四短一长”的报时效果。
3.能定时控制,且能惊醒校正时间(通过开关调时、分)。
5.实验心得
通过这次数字电子钟的课程设计,我们才把学到的东西与实践相结合。
从中对我们学的知识有了更进一步的理解,而且更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。
虽然这只是一次简单的课程设计,但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤,和设计中应注意的问题。
设计本身并不是有很重要的意义,而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。
各个芯片能够完成什么样的功能,使用芯片时应该注意那些要点。
同一个电路可以用那些芯片实现,各个芯片实现同一个功能的区别。
另外,我还渐渐熟悉了mutisim这个仿真软件的各个功能,让我体会到了期中的乐趣,还在电脑制作文档的过程中,使我对办公软件有了更进一步的了解和掌握。
参考文献
1.现代数字电路与逻辑设计清华大学出版社北京交通大学出版社.
2.模拟电子技术(修订版)清华大学出版社北京交通大学出版社
3.模拟电子技术教程电子工业出版社
5.朱定华主编.电子电路测试与实验.北京:
清华大学出版社,2004.
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