多功能数字钟的设计Word格式.docx
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2.1设计要求..............................................................6
2.2设计目的..............................................................6
2.3设计指标..............................................................7
2.3.1基本功能..........................................................7
2.3.2扩展功能..........................................................7
3主体电路的设计..........................................................7
3.1数字钟的构成.........................................................7
3.2数字钟电路系统的组成框图.............................................7
3.2.1振荡器的设计.....................................................8
3.2.2分频器的设计.....................................................9
3.3.1.1时分秒计数器的设计............................................10
3.3.1.2校时电路的设计................................................12
3.3.1.3主体电路的装调................................................13
4.功能扩展电路的设计....................................................15
4.1定时控制电路的设计..................................................15
4.2仿广播电台正点报时电路的设计........................................15
4.3报整点时数电路的设计................................................17
4.4触摸报整点时数电路的设计............................................19
5电路仿真调试.........................................................19
5.1实验过程中遇到的问题及解决方法......................................19
5.1.1面包板和芯片的测试..............................................19
5.1.2时间计数电路的连接与测试........................................19
5.1.3校正电路........................................................19
6总结..................................................................20
6.1心得体会............................................................207.参考文献...........................................................21
8.附录.................................................................21
元器件列表...............................................................21
摘要
多功能数字钟采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。
具有时间显示、闹钟设置、报时功能、校正作用。
走时准确、显示直观、精度、稳定等优点。
电路装置十分小巧,安装使用也方便。
同时在日期中,它以其小巧,价格低廉,走时精度高,使用方便,功能多,便于集成化而受广大消费的喜爱。
数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。
目前,数字钟的功能越来越强,并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。
从有利于学习的角度考虑,这里主要介绍以中小规模集成电路设计数字钟的方法。
经过了数字电路设计这门课程的系统学习,特别经过了关于组合逻辑电路与时序逻辑电路部分的学习,我们已经具备了设计小规模集成电路的能力,借由本次设计的机会,充分将所学的知识运用到实际中去。
本次课程设计要求设计一个数字钟,基本要求为数字钟的时间周期为24小时,数字钟显示时、分、秒,数字钟的时间基准一秒对应现实生活中的时钟的一秒。
供扩展的方面涉及到定时自动报警、按时自动打铃、定时广播、定时启闭路灯等。
因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
关键字:
晶体振荡器,分频器,计数器,显示器和校时电路。
1.引言
20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
数字钟已成为人们日常生活中:
必不可少的必需品,广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术,使数字钟具有走时准确、性能稳定、集成电路有体积小、功耗小、功能多、携带方便等优点,,因此在许多电子设备中被广泛使用。
电子钟是人们日常生活中常用的计时工具,而数字式电子钟又有其体积小、重量轻、走时准确、结构简单、耗电量少等优点而在生活中被广泛应用,因此本次设计就用数字集成电路和一些简单的逻辑门电路来设计一个数字式电子钟,使其完成时间及星期的显示功能。
本次设计以数字电子为主,分别对1S时钟信号源、秒计时显示、分计时显示、小时计时显示、整点报时及校时电路进行设计,然后将它们组合,来完成时、分、秒的显示并且
有整点报时和走时校准的功能。
并通过本次设计加深对数字电子技术的理解以及更熟练使用计数器、触发器和各种逻辑门电路的能力。
电路主要使用集成计数器、译码集成电路、LED数码管及各种门电路和基本的触发器等,电路使用5号电池共电,很适合在日常生活中使用。
由于本人能力有限,在设计中难免会出现错误与不足,希望老师给予批评并提出宝贵意见。
2.设计要求及目的
2.1设计要求
本课题是设计一个多功能数字钟,以数字形式显示时,分,秒的时间,要求有手动校时分秒的基本功能,以及定时控制,仿广播电台正点报时,自动整点报时或触摸报整点时数的扩展功能。
2.2设计目的
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具
有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。
数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。
因此,我们此次设计与制做数字钟就是为了了解数字钟的原理,从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。
2.3设计指标2.3.1基本功能
1.准确计时,以数字形式显示时、分、秒的时间
2.小时的计时要求为“12翻1”,分和秒的计时要求为60进位3.校正时间2.3.2扩展功能
1.定时控制
2.仿广播电台正点报时3.报整点时数4.触摸报整点时数
3主体电路的设计
3.1数字钟的构成
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。
3.2数字钟电路系统的组成框图
图1数字钟电路系统的组成方框图
主体电路是由功能部件或单元电路组成的。
在设计这些电路或选择部件时,尽量选用同类型的器件,如所有功能部件都采用TTL集成电路或都采用CMOS集成电路。
整个系统所用的器件种类应尽可能少。
下面介绍各功能部件与单元电路的设计。
3.2.1振荡器的设计
振荡器是数字钟的核心。
石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率调整。
它还具有压电效应,在晶体某一方向加一电场,则在与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,这种压电谐的频率即为晶体振荡器的固有频率如果精度要求不高,可采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器。
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电路。
一般来说,振荡器的频率越高,计时精度越高。
如图2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的标准脉冲图2晶体振荡器电路
如果精度要求不高也可以采用由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。
这里设振荡频率fo=1kHz,电路参数如图3所示:
+5V
5.o图3555振荡器电路
3.2.2分频器的设计
提供功能扩展电路所需要的信号,如仿电台报时用的1kHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。
3.38421码制,5421码制
表用四位二进制码的十六种组合作为代码,取其中十种组合来表示0-9这十个数字
符号。
通常,把用四位二进制数码来表示一位十进制数称为二-十进制编码,也叫做BCD码,见表1。
表18421码制和5421码制
图4分频器设计电路
3.3.1分频器的具体工作原理
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的信号,如图4所示,仿电台报时用的1kHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等.选用3片中规模集成电路计数器74LS90可完成上述功能.因每片为1/10分频,3片级联则可获得所需要的频率信号,即第一片的Q0端的输出频率为500Hz,第二片的Q3端输出的是10Hz,第三片的Q3端输出为1Hz.
3.3.1.1时分秒计数器的设计
分和秒计数器都是模数M=60的计数器,其计数规律为00—01—„—58—59—00„选74LS92作为十位计数器,74LS90作为个位计数器,再将他们级联组成模数M=60的计数器。
图5分秒计数器逻
辑电路图
时计数器
特殊进制计数
到12时59分
器再输入一个
自动显示为01
日常生活中习
选用74LS191是一个“12翻1”的器,即当数字钟运行59秒,秒的个位计数秒脉冲时,数字钟应时00分00秒,实现惯常用的计时规律。
和74LS74。
图6时计数器逻辑电路图
3.3.1.2校时电路的设计
当数字钟接通电源或者计数出现误差时,需要校正时间。
校时是数字钟应具备的基本功能。
一般电子手表都具有时,分,秒等校时功能。
为了使电路简单,这里只进行分和小时的校时。
如图7所示为校时电路逻辑图。
对校时电路的要求是,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。
校时方式有“快校时”和“慢校时”两种,“快校时”是通过开关控制,使计数器对1Hz的校时脉冲计数。
“慢校时”是用手动产生单脉冲作为校时脉冲。
图8示电路为校“时”,校“分”电路。
其中S1为校“分”用的控制开关,S2为校“时”用的控制开关,他们的控制功能如图表示。
校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲,当S1或S2分别为“0”时可以进行快校时。
如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供,则可以进行慢校时。
需要注意的是,校时电路是由与非们构成的组合逻辑电路,开S1或S2为“1”或“0”时,可能会产生抖动,接电容C1,C2可缓解抖动。
所以实际使用时,一般会接一个RS触发器,
将其改为去抖动开关电路。
图7校时电路逻辑图
图
.
1
2
校
时
开
图8校时开关的功能
3.3.1.3主体电路的装调
①根据数字钟系统组成框图,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钟的各功能电路。
②级联时如果出现时序配合不同步,或尖峰脉冲干扰,引起逻辑错乱,则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,这可能是电源电流的跳变引起的,则可在集成电路期间的电源端Vcc加退耦滤波电容。
通常用几十个微法的大电容与0.01F的小电容相并联作为退耦滤波电路。
③画数字钟的主体逻辑电路图。
经过级联并纠正设计方案中的错误不不足之处后,再测试电路的逻辑功能是否满足设计要求。
最后画出满足设计要求的总体逻辑电路图,如果因为实验器材有限,则其中秒计数器的个位和时计数器的十位可采用发光二极管指示,因
而可以省去2片译码
器贺2片数码显示
器。
④数字钟从
原理上讲是一种典
型的数字电路,可以
由许多中小规模集
成电路组成,所以可
以分成许多独立的
电路。
由石英晶体振
荡器、分频器、计数
器、译码器、显示器
和校时电路组成,石
英晶体振荡器产生
的信号经过分频器
作为秒脉冲,秒脉冲
送入计数器计数,计
数结果通过"
时"
、"
分"
秒"
译码器显
示时间。
其中以校正
电路代替时间计数
电路中的时、分、秒
之间的进位,当校时
电路处于正常输入
信号时,时间计数电
路正常计时,但当分
校正时,其不会产生
向时进位,而分与时
的校位是分开的,而图9数字钟主体电路逻辑图
校正电路也是一个独立的电路。
电路的信号输入由晶振电路产生,并输入各电路。
整个数
字钟主体电路逻辑如图9所示。
4.功能扩展电路的设计
4.1定时控制电路的设计
数字钟在指定的时刻发出信号,或驱动音响电路“闹时”(这里用可用指示灯来代替音响电路);
或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。
不管是闹还是控制,都要求时间准确,即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。
例如要求6时59分发出闹钟信号,持续时间为1分钟
这是对应数字中的时个位计数器的状态(Q3Q2Q1Q0)H=0110,分十位计数器的状态为
(Q3Q2Q1Q0)M2
=0101,分个位计数器的状态为(Q3Q2Q1Q0)M1=1001。
若将上述技术其输出为
1的所有输出端经过与门电路去控制指示灯,可以使指示灯正好在6点59分亮,持续1分钟后熄灭,所以闹时控制信号Z的表达式为
Z=
(Q2Q1)H1∙(Q2Q0)M2∙(Q3Q0)M1
图10定时电路示意图
4.2仿广播电台正点报时电路的设计
仿广播电台正电报时的电路的设计要求是:
每当数字钟计时块要到正点时发出声响,通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响,以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。
仿广播电台正点报时的电路如图11所示。
这里采用的都是TTL与非门,如果用其他器
件,则报时电路还会简单一些。
图11仿电台报时电路
设4声低音(约500Hz)分别发生在59分51秒,53秒,55秒和57秒,最后一声高音(约1KHz)发生在59分59秒,它们的持续时间均为1秒。
如表2所示
表2秒个位计数器的状态
4.3报整点时数电路的设计
报整点时数电路的功能是:
每当数字钟计时到整点时发出声音,且几点响几声。
实现这一功能的电路主要由以下几个部分组成。
●减法计数器完成几点响几声的功能。
即从小时计数器的整点开始进行减法计数,直到零为止。
减法计数器选用74LS191组成,各控制端的作用如下
☉LD为置数端。
当LD=0时将小数计数器的输出经数据输出端D0D1D2D3的数据置入☉RC为溢出负脉冲输入端,当减计数到0时,RC输出一个负脉冲☉U/D为加/减控制器。
U/D=1时减法计数☉为减法计数脉冲,兼作音响电路的控制脉冲
●编码器将小时计数器的5个输出端Q4,Q3,Q2,Q1,Q0按照“12翻1”的编码要求转换为减法计数器的4个输入端D3,D2,D1,D0所需要的BCD码。
编码器的真值表如表3所示
表3编码器的真值表
●逻辑控制电路控制减法计数器的清零和置数。
控制音响电路的输入信号。
图12报整点时数的电路
根据以上要求,采用了如图12所示的报时整点时数的电路。
其中编码器时由与非门
实现的组合逻辑电路,其输出的逻辑表达式由5变量的卡诺图可得。
CP减计数
RC
分十位
Q2M2
图13各点的波形
4.4触摸报整点时数电路的设计
在有些场合(如夜间),不便于直接看显示时间,希望数字钟有触摸报时功能。
即触摸数字钟的某端,能够报当时的整点时数。
根据功能要求,不难设想在图9所示的电路基础上,增加一些触发脉冲控制电路,或将自动报时改为触摸报时电路即可。
产生触摸控制脉冲的电路有单次脉冲产生器,555集成电路定时器,单稳态触发器等。
5电路仿真调试
5.1实验过程中遇到的问题及解决方法
5.1.1面包板和芯片的测试
测试面包板各触点是否接通;
有时电路不通的原因是因芯片引脚接触不良而造成的,因此,确认芯片是否接触良好是非常重要的。
5.1.2时间计数电路的连接与测试
六进制、十进制都没有什么大的问题,只是芯片引脚的问题,只要重新插过芯片就可以解决了。
但在六十进制时,按图接线后发现,显示器上的数字总是100进制的,而不是六十进制,检测后发现无论是线路的连通还是芯片的接触都没有问题。
最后,在重对连线时发现是线路接错引脚造成的,改过之后,显示就正常了。
5.1.3校正电路
因引脚接错而造成错误,所以校正电路是完全按照仿真图所连的,在测试时,开始进行时校时时,没有出现问题,但当进行到分校时时,发现计数电路的秒电路开始乱跳出错。
因此,电路一定是有地方出错了,在反复对照后,发现是因为在接入校正电路时忘了把秒十位和分个位之间的连线拿掉而造成的,因此,在接线时一定要注意把多余的线拿掉。
6总结
6.1心得体会
20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵,工作的忙碌容易使人忽略了时间,忘记了要做的事情,当事情不是很重要的时候,这种遗忘无伤大雅。
但是,一旦重要事情,一时的耽误可能酿成大祸。
所以,要制作一个定时系统。
随时提醒那些容易忘记时间的人。
而钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便。
数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,运运超过老式钟表,钟表的数字化给人们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报时功能。
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、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。
因此,这次课程设计制作数字钟,对我们来说有着很现实的意义。
通过这次对数字钟的设计与制作,让我了解了设计电路的程序,数字钟的原理与设计理念,也让我对各种应用电路有了更深刻的了解,同时也看到了自己存在很多不足之处。
在不断的选择和调试过程中,我对元器件,设备仪器有了更实际性的了解体会,自己搞不懂的地方,首先在书本上找原理自己琢磨,如果还是找不出问题所在,就和同学一起讨论研究,最终找出了问题所在。
通过对电路的改进,使得自己的设计更好。
在与同学共同讨论的同时,不但解决了自己的实际问题,也锻炼的相互协作的能力,并且切实体会到了合作的乐趣。
经过这次课程设计,将理论与实际相结合,把抽象的理论原理运用到实际的设计过程中,让我对理论有了更切实际的理解。
不但学会了运用所学知识解决实际问题的能力,也提高了自己实际动手能力和解决困难的应变力。
更重要的时通过这次课程设计让我学会了很多书本上学不到的东西,如何将所学知识付诸实践,体会到了相互协作解决问题在社会实践中的重要性。
7.参考文献
[6]方建邦《通信电子电路基础》
[7]陈安凯《最新集成电路数据手册》
[8]王港元《电子电工实践指导》
8.附录
元器件列表
1.共阴数码管6个
2.74LS486个
3.74LS907个
4.74LS1911个
5.74HC00集成块4块
6.74HC30集成块1块器1个
7.555振荡
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- 多功能 数字 设计