电子专业技术课程设计多功能数字时钟.docx
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电子专业技术课程设计多功能数字时钟
电子技术课程设计---多功能数字时钟
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电子技术课程设计
数字钟的设计
一、设计任务与要求
1.能直接显示“时”、“分”、“秒”十进制数字的石英数字钟。
2.可以24小时制或12小时制。
3.具有校时功能。
可以对小时和分单独校时,对分校时的时候,停止分向小时进位。
校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟。
4.整点能自动报时,要求报时声响四低一高,最后一响为整点。
5.走时精度高于普通机械时钟(误差不超过1s/d)。
二、方案设计与认证
1、课题分析
数字时钟一般由6个部分组成,其中振荡器和分频器组成标准的秒信号发生器,由不同进制的计数器,译码器和显示器组成计时系统。
秒信号送入计数器进行计数,把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示出来。
“时”显示由二十四进制计数器、译码器和显示器构成,“分”、“秒”显示分别由六十进制计数器、译码器构成。
其原理框图如图1所示。
2、方案认证
(1)振荡器
振荡器是计时器的核心,主要用来产生时间标准信号,也叫时基信号。
数字钟的精度,主要取决于时间标准信号的频率及稳定度。
振荡器的频率越高,计时的精度就越高,但耗电量将增大。
一般采用石英晶体振荡器经过分频后得到这一信号,也可采用由555定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号。
(2)分频器
振荡器产生的时基信号通常频率都很高,要使它变成能用来计时的“秒”信号,需由分频器来完成。
分频器的级数和每级的分频次数要根据时基频率来定。
例如,目前石英电子钟多采用32768Hz的标准信号,将此信号经过15级二分频即可得到周期为1s的“秒”信号。
也可选用其他频率的时基信号,确定好分频次数后再选择合适的集成电路。
(3)计数器
数字钟的“秒”、“分”信号产生电路都由六十进制计数器构成,“时”信号产生电路由二十四进制计数器构成。
“秒”和“分”计数器用两块十进制计数器来实现是很容易的,它们的个位为十进制,十位为六进制,这样,符合人们通常计数习惯。
“时”计数也可以用两块十进制计数器实现,只是做成二十四进制。
上述计数器均可用反馈清零法来实现。
(4)译码显示电路
因本设计选用的计数器全部采用二-十进制集成块,因而计数器的译码显示均采用BCD-七段显示译码器,显示器采用共阴极或共阳极的七段显示数码管。
(5)校时电路
在刚开机接通电源或计时出现误差时,都需要对时间进行校正。
校“时”电路的基本原理是将周期为0.5s的脉冲信号直接引进“时”计数器,同时将“分”计数器置零,让“时”计数器快速计数,在“时”的指示达到需要的数字后,切断0.5s的脉冲信号。
(6)整点报时电路
数字钟整点报时是最基本的功能之一。
此电路要求每当“分”和“秒”计数器计到59分50秒时,便自动驱动音响电路,在10s内自动发出5次鸣叫声。
要求每隔1s叫一次,每次持续时间为1s,共响5次,并且前四次为低音,最后一响为高音,此时计数器正好为整点(“0”分“0”秒)。
三、单元电路设计与参数计算
(1)振荡器及分频器
方案一:
石英晶体的振荡频率为4MHz,不能用来作为数字时钟的输入信号,必须将它变为1s的脉冲信号。
所以,还要对时钟进行分频。
由图2可知,4MHz晶振的输出送到U1芯片分频。
U1芯片选用MCI406414级二分频器,由输出端Q14得到214分频的脉冲信号,fQ14=4MHz/214=4MHz/16384≈244.141Hz。
再经U2(仍选用MCI4060)芯片进行28分频,由输出端Q8可得到周期为1s的脉冲信号,fQ8=244.141Hz/256≈0.594Hz,其周期为1/fQ8=1/0.594Hz≈1.048s。
可以用U1芯片的Q12、Q13端为整点报时提供频率分别为1000Hz和500Hz的信号,因为fQ12=4/212MHz=4/4096MHz=976.56Hz,fQ13=4/213MHz=4/8192MHz=488.281。
(2)时、分、秒计数电路
有了秒脉冲信号,则可按照60s为1min,60min为1h,24h为一天来设定时、分、秒计数电路。
分和秒计数器都是模为60的计数器,采用中规模集成电路十进制计数器至少需要两片。
“秒”个位计数器的时钟CP信号是由分频器提供的周期为1s的脉冲信号,“分”个位计数器的CP信号是由秒计数器提供的进位信号,“分”计数器的进位信号送至“时”个位计数器的CP端。
它们的个位是十进制计数器,而十位是六进制计数器,其计数规律为00—01—…—58—59—00…,当计满60时产生一个进位信号。
因此,可选用一片双重BCD加法计数器CC4518。
采用反馈清零的方法实现六十进制计数器,其电路如图4所示。
“时”计数器是二十四进制计数电路,也可选用一片CC4518采用反馈清零的方法实现二十四进制。
其电路如图5所示。
(3)译码显示电路
译码显示电路的功能是将“时”、“分”、“秒”计数器输出的4位代码翻译并显示相应的十进制数的状态,通常译码器和显示器是配套使用的,如果选用共阴极发光二极管数码显示器BS201/202,则译码显示电路可采用CC4511BCD七段译码驱动器。
其引脚排列如图6所示。
(4)校时电路
校时电路如图7所示。
3个控制开关S1、S2、S3分别用来实现“时”、“分”、“秒”的校准。
开关处于正常位置时,分别接高电平,门3、门6、门8被封锁,校准信号不能通过3个门,所以“时”、“分”、“秒”的计数器按正常计数。
当按下S1至“校时”位置时,S1闭合,门3打开,由分频器CC4060送来0.5s的脉冲信号直接进入“时”计数器,使小时指示每0.5s计一个字,达到快速校时的目的,同时0.5s的脉冲信号送入“分”计数器的置0端,使“分”置0。
“时”校准后,放开开关S1。
当按下开关S2至“校分”位置时,和“校时”的原理一样,将0.5s的脉冲信号直接送入“分”计数器的CPA端的“秒”计数器的置0端,使“分”指示快速计数,同时将“秒”计数器置0。
“分”校准后,放开开关S2.
“秒”校准控制着一个RS触发器(实际电路可用双D触发器74LS74集成块中的一个D触发器来实现RS的功能)的状态。
当S3处于正常位置时,触发器置“1”,Q/端输出低电平,关闭门8,Q端输出高电平,使门7打开,“秒”信号正常进入“秒”计数器,使时钟正常计时。
当按下开关S3至“校秒”位置则触发器置“0”,Q端输出低电平,关闭门7,Q/端输出高电平,打开门8使0.5s的脉冲信号进入“秒”计数器,此时,“秒”计数器快速计时,待“秒”校准后,放开按键S3,使其恢复正常位置。
(5)整点报时电路
整点报时电路如图8所示,包括控制门电路和音响电路两部分。
第一部分为控制门电路部分。
当“分”和“秒”计数器计到59分50秒时,从59分50秒到59分59秒之间,只有“秒”个位在计数,而“秒”的十位,“分”的个位,“分”的十位中C=QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不变。
将它们相与,即C=QC4QA4QD3QA3QC2QA2作为控信号,去控制门15和门16。
在每小时的最后10s内C=1。
门15输入端加有频率2048Hz的信号B(可取自分频器CC4060的Q4端),同时又受QD1和QA1的控制,即C在59s时,QD1QA1C=1,门16被关闭,门15打开,B信号通过门15;门16输入端加有频率1024Hz的信号A(可取自分频器Q5端),同时又受QD1和QA1控制,即C在51s、53s、55s、57s时,QD1/QA1C=1,门15被关闭,门16打开,A信号通过门16。
则Z=QD1QA1CB+QD1/QA1CA,即可实现前四响为1024Hz的低音,后一响为2048Hz的高音,最后一响完毕正好整点。
第二部分为音响电路部分。
该电路选用射极跟随器,推动扬声器发声。
三极管选用高频小功率管3DG4,三极管基极串联2kΩ限流电阻,是为了防止电流过大烧坏扬声器。
报时所需的2048Hz和1024Hz音频信号,分别取自分频电路。
四、总原理图及元器件清单
1、总原理图
2、元件清单
序号
元器件名称
规格型号
数量
备注
1
石英晶体振荡器
32768Hz
1
2
十进制计数器
CC4518
3
3
共阴极七段译码驱动器
CC4511
6
4
四2输入与非门
74LS00
6
5
双4输入与非门
74LS20
2
6
14位二进制计数器/分频器和振荡器
CC4060
1
7
双D边沿触发器
74LS74
1
8
数码管
BS201
6
9
三极管
3DG4
1
10
电阻
100KΩ、200KΩ
1、48
11
扬声器
1
12
开关
3
五、安装与调试
按照数字钟的电路逻辑图进行安装。
注意走线整齐,布线合理,器件的悬空端、清0端、置1端要正确处理等。
然后根据先局部后整机的原则,按照系统所划分的功能模块,沿着信号的流向,分级进行调试。
调试步骤如下:
(1)接通电源逐级调试。
如果出现错误,可先检查各芯片的电源线是否接上,并保证有正常的工作电压。
(2)用万用表在CC4060的3脚测量输出电压,若指针左右摆动,且周期为0.5s,则正常。
同样,用万用表测分频电路的输出信号,若为1s,则正常。
(3)检查各级计数器的工作情况。
将“秒”信号送入“秒”计数器,检查个位、十位是否按10s、60s进位,若不能正常显示,则需检查计数器CC4518、译码驱动器CC4511和数码管的工作状态。
若不能正常进行60进制,则需检查产生清零信号的74LS00芯片是否正常。
可按同样方法检查“分”和“时”计数器的工作情况。
(4)检查校时电路的工作情况是否满足校时要求,若不正常,则需检查74LS00及74LS74芯片的工作状态。
(5)将时间调整到59分50秒,观察整点报时电路能否正常工作,若不正常,则需检查相应的74LS20芯片的工作状态。
(6)当所有功能模块调整好后,再进行整机联调,直至数字钟能进行正常工作。
六、结论与心得
经测试,该设计结果符合实验要求
要做好该实验还要注意以下事项:
1.要求学生根据原理和芯片引脚图,分功能设计原理图,并根据接线顺序分步骤验证。
2.容易出现故障为接触不良。
a)集成块引脚方向预先弯好对准面包板的金属孔,再小心插入。
b)导线的剥线长度与面包板的厚度相适应(比板的厚度稍短)。
c)导线的裸线部分不要露在板的上面,以防短路。
d)导线要插入金属孔中央。
3.按照原理图接线时首先确保可靠的电源和接地。
4.注意芯片的控制引脚必须正确接好。
5.检查故障时除测试输入、输出信号外,要注意电源、接地和控制引脚。
6.要注意芯片引脚上的信号与面包板上插座上信号是否一致(集成块引脚与面包板常接触不良)。
7.为了便于测试,可将2Hz信号直接输入到各级计数器。
8.接校时电路时可接模拟信号输入(如1Hz和2Hz)测试输出信号的切换正确后,再将秒进位和分进位信号接到校时电路,再接校时电路输出到分计数器和时计数器。
从较时电路接入信号时,必须将原进位信号拔掉。
心得体会:
通过这十几课程设计,使我们重新学习了模电和数电知识,学会了将理论与实践结合了起来。
感觉到知道的搜集和综合的必要性。
除此之外,还特别学会了pretel画图软件。
当然仅仅通过这几天的学习还远远不够的,现在学的只是个入门,但我对它已经有了浓厚的兴趣,可以肯定的是今后我会进一步深入去学习它,达到应用实践的
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