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A功能数字钟的电路设计
功能数字钟的电路设计
数字钟是采用数字电路实现“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。
钟表的数字化在提高报时精度的同时,也大大扩展了它的功能,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、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。
1、设计目的
1)掌握数字钟的设计、组装与调试方法。
2)熟悉集成电路的使用方法。
2、设计任务与要求
1)时钟显示功能,能够以十进制显示“时”、“分”、“秒”。
2)具有校准时、分的功能。
3)整点自动报时,在整点时,便自动发出鸣叫声,时长1s。
选做:
1)闹钟功能,可按设定的时间闹时。
2)日历显示功能。
将时间的显示增加“年”、“月”、“日”。
3、数字钟的基本原理及电路设计
一个具有计时、校时、报时、显示等基本功能的数字钟主要由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路、报时电路等七部分组成。
石英晶体振荡器产生的信号经过分频器得到秒脉冲,秒脉冲送入计数器计数,计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器译码,并通过显示器显示时间。
数字钟的整机逻辑框图如下:
图1数字钟整机逻辑图
振荡器
方案一:
由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。
图2555与RC组成的多谐振荡器图
分析:
图中的C2为保护电容,其取值并没有什么要求。
在本设计中,我假设输出的脉冲的占空比为2/3,并且把555与RC组成的多谐振荡,参考书本上的方案得出占空比
故得到R1=R2。
又有电路的振荡周期
T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2
得T=(R1+2R2)Cln2=10
S。
我在实验中取电容为10nf。
带入式中,可以得出R1=R2=48KΩ。
在这里取两个47KΩ电阻和滑动电阻2KΩ。
仿真结果如图所示,误差还是比较低的。
方案二:
石英晶体振荡器。
石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整,它是电子钟的核心,用它产生标准频率信号,再由分频器分成秒时间脉冲。
用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图3所示。
利用两个非门G1和G2自我反馈,使它们工作在线形状态,然后利用石英晶体Z1来控制振荡频率。
振荡器振荡频率的精度与稳定度基本上决定数字钟的准确度,晶振频率越高,计时准确度越高。
目前常见的石英晶振频率是4MHz时,则振荡器输出频率为4MHZ。
在multism中用到频率为32768HZ的石英晶体振荡器,则振荡器的输出频率为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。
下图为4MHZ和32768hz的石英晶体振荡器电路图,在本设计中就不介绍了。
图3石英晶体振荡电路
综合以上分析得出结论:
由于数字钟的设计要求精度高,而采用石英晶体振荡器产生的脉冲频率稳定度高且精确度高,555与RC组成的多谐振荡器的精确度较低,不稳定且电路复杂,与石英晶体振荡电路相比易知石英振荡电路具有振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整等特点,因此根据数字钟本身对精确度要求较高的特点。
在本课程设计MULTISIM中采取的是定时器555振荡器,因为经过多次的仿真,用石英晶体振荡器在multisim软件中仿真不了,得不到实验想得到的效果。
而且用定时器仿真的误差也不是很多,在仿真中可以做到比较准确。
因此,本设计还是选择用定时555振荡器。
分频器
如上图中的用定时器555震荡器得出了频率为1Khz,即周期为1ms的信号,在做实物中要相对应时钟的1秒一个信号,因此要用分频器,把1KHZ的频率经过分频器得到1HZ的信号。
在本设计中用到的是74LS90分频器,74LS90既可以作为计数器也可以作为分频器,在计数器那里有介绍。
经过调试,结果如下图所示:
555振荡器和分频器总图:
图4555振荡器和分频器总图
输出1ms,频率为1KHZ,如上图图2中的显示;
输出10ms,频率为100HZ。
如图:
图5一级分频
输出为100ms,频率为10hz的截图:
图6二级分频
输出为1s,频率为1hz。
计数器
首先分析74LS90的引脚,功能。
如下图所示:
图774LS90的内部结构与芯片引脚
74LS90逻辑电路图如图所示,它由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成,在74LS90计数器电路中,设有专用置“0”端R1、R2和置位(置“9”)端S1、S2。
QA、QB、QC、QD为四位二进制输出。
74LS90具有如下的五种基本工作方式:
(1)五分频:
即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。
(2)十分频(8421码):
将QA与CK2联接,可构成8421码十分频电路。
(3)六分频:
在十分频(8421码)的基础上,将QB端接R1,QC端接R2。
其计数顺序为000~101,当第六个脉冲作用后,出现状态QCQBQA=110,利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。
(4)九分频:
QA→R1、QD→R2,构成原理同六分频。
(5)十分频(5421码):
将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端
CK1,即可构成5421码十分频工作方式。
此外,据功能表可知,构成上述五种工作方式时,S1、S2端最少应有一端接地;构成五分频和十分频时,R1、R2端亦必须有一端接地。
本设计整个计数器电路由秒计数器、分计数器、时计数器串接而成。
秒计数器和分计数器各自由一个十进制计数器和一个六进制计数器串接组成,形成两个六十进制计数器。
时计数器可由两个十进制计数器串接并通过反馈接成二十四制计数器。
在主体电路中时、分、秒计数器可以采用集成计数器74LS90,用级联异步清零的方法,分别设计为24进制和60进制计数器。
以下分别分析24进制和60进制的原理和应用。
第一:
24进制
图824进制计数器
如上图所示,二十四进制计数器是由两个74LS90串起来的。
方法:
首先将每片74LS90构成十进制计数器;
然后级联组成100进制计数器;
最后采用“整体反馈清零”方法实现:
即用十位的Q1和个位的Q2送和R01、R02,这样,计数范围变为00~23,即24进制计数器。
在个位输出为0100(即4)时马上送到清零处,同时进位到十位既系给十位脉冲。
十位的输出达到0011时马上就送到清零处。
这样以来就实现了二十四进制的计数器。
第二:
60进制计数器。
同理24进制得出如图所示:
图960进制计数器
同理是在个位输出为1001即9时,把脉冲输给十位,使十位得以进位,然后个位清零重新计数,知道十位输出为0110即6时就马上清零。
如此循环下去。
经过两个60进制串联而成秒与分的计数器然后在串联一个24进制的时计数器,就可以完成了时钟的计数。
译码器和显示器
译码器由六片74LS48组成,74LS48驱动器是与8421BCD编码计数器配合用的7段译码驱动器。
一片74LS48驱动一只数码,72LS48是集电极开路输出,为了限制数码管的导通电流,在72LS48的输出与数码管的输入端之间均应串有限流电阻。
于是在仿真实验中用到了电阻里面的RPACK_VARIABLE_2X7。
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。
74LS48芯片可以直接对8421BCD码进行译码,而且74LS48芯片具有脉冲消隐输入、消隐输入、灯测试输入端可以对电路进行简单测试,方便测试电路和检查错误。
把它对应的管脚与数码管管连接起来。
就组成了显示电路。
参考数电书本上的七段半导体数码管的每一段的工作电流在10mA左右。
所以电阻的取值:
(5-1.66)/10mA=334Ω。
考虑到电线,器件的电阻,于是在实验中取值为300Ω的电阻组。
74LS48译码器译码的是高电平,所以对应的显示器应为共阴极显示器。
在本设计中用的是解码七段排列显示器,即包含译码器的七段显示器。
通过74LS48译码器把74LS90的输出端相对应译码到七段译码显示管。
译码管的颜色可以改变,效果如总图所示。
本系统用七段发光数码管来显示译码器输出的数字,发光数码管有两种:
共阳极或共阴极。
74LS247驱动器是低电平输出,采用共阳极数码管。
74LS48驱动是高平输出,采用共阴极数码管。
本课程设计中用到的是74LS48驱动器,于是在选择显示管的时候选择共阴极数码管,在左上方显示的是CK字样的。
另外在仿真实验中可以用到双七段显示管为了美观与及方便观看。
如图中显示。
校时电路
刚接通电源或走时不准时,都需要进行时间校准。
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,同时,通过开关控制。
方案分析:
第一:
实现校时电路的方法有很多,采用基本R-S触发器构成单脉冲发生器是其中的一种,校准电路由基本RS触发器和“与”门组成,基本RS触发器的功能是产生单脉冲,主要作用是起防抖动作用。
未拨动开关K时,“与非”门G2的一个输入端接地,基本RS触发器处于“1”状态,这是数字钟正常工作,“分”进位脉冲能进入“分”计数器。
拨动开关K时,“与非”门G1的一个输入端接地,于是基本RS触发器转为“0”状态。
秒状态可以直接进入“分”计数器,而“分”进位脉冲被阻止进入,因而能较快地校准分计数器的计数值。
校准后,将校正开关恢复原位,数字钟继续进行正常计时工作。
电路如图3。
图10校时电路
第二:
校正时间的方法是:
首先截断正常的计数通路,然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态即可。
根据要求,数字钟应具有分校正和时校正功能,因此,应截断分个位和时个位的直接计数通路,并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。
图所示为所设计的校时电路。
其中10nF的电容起到了防抖动的作用。
图11校时电路图
方案分析:
两个校时电路方案对比,第一个的防抖动措施更加好,设备更完善,可是这样做过于复杂,需要的成本也更高。
所以本课程设计中取用了第二个方案,既能够实现防抖动的功能,同时也不会很复杂,看上去一目了然,做出实物也经济点。
图中开关可以分别控制和调整时和分。
例如在开始运行的时候,电路会给一个随机信号,这时显示小时的显示管显示的不是00时刻,然而当我们需要调零的时候,就可以按下开关,让校时电路运行,此时24进制的计数器就会运行而不影响分计数器和秒计数器的运行。
当小时计数器记到我们想要的数据的时候我们就关了开关。
这样子就起到了调整时间的功能。
整点报时电路。
此电路比较简单,整点报时要求在分和秒上。
在59分59秒的时候就响一下,于是可以设计是通过两个四输入门74LS21加上一个74LS08与门把数据送到蜂鸣器BUZZER中就可以了。
在59分59秒时的二进制代码为0101100101011001。
如图所示:
图12简单整点报时电路
总电路图
图中用到三个指示灯来检查能否进行报时,三个同时亮的时候就是整点报时了。
效果如图所示。
(由于图片比较大,用单页截图看不了所有的零件。
所以用到了Photoshop软件把三部分拼在一起)
所需器件清单
器件名称
型号
原件序号
参数
数量
双共阴七段显示管
SEVEN_SEG_TWO-DIGIT_COM_K_
U3,U6,U7,
5mA/1.66V
3个
欧姆电阻排
RPACK7
R1,R2,R3,R4,R5,R6
300Ω
6个
译码器
74LS48
U1,U2,U4,U5,
U12,U13
6个
计数器
74LS90
U9,U10,U16,
U17,U18,U19,U36,U37,U38
9个
与门
74S08
U8A,U23A,U20A,
U22A,U21A,U34A
6个
与非门
74LS01
U24A,U25A,U26A,U28A,U29A,U30A
6个
反相器(非门)
74S04
U27A,U31A
2个
四输入与门
74S21
U33A,U33B
2个
电容
104
C1,C2,C3
10nF
3个
电容
C4
110pf
1个
电阻
R7,R8
3.3kΩ
2个
电阻
R9,R10
47KΩ
2个
电源电压
VCC
5V
3个
滑动电阻
R11
2KΩ
1个
蜂鸣器
BUZZER
U32
2KHZ/1V/0.05A
1个
单刀双掷开关
J1,J2
2个
振荡器
LM555
U35
1个
指示灯
X1,X2,X3
2.5V
3个
电线
_
若干
4、心得体会
在短短的一个星期的课程设计里面,我整天都泡在了电子的世界里,学了不少东西,特别是对multisim的了解,以前模电课程设计中也是用multisim来仿真,不过这次是更加深入的了解,毕竟学习是无尽界。
在本次课程设计,是结合了数电书本的内容来运用的,例如在开始做仿真的时候要想到了一个大概的框架,应该怎么做,用到什么芯片等等之类的考虑。
也根据课程设计的要求是要用到振荡器来起振来输入信号的。
于是就看书本第十章的555振荡器和石英晶体振荡器,不过书本上介绍的是555振荡器的比较多比较详细,也是我就对555振荡器进行了深入的了解,并且不断地在仿真中找到一些规律。
还有芯片的,因为芯片是个整体的结构,而我想要用到他的时候我应该是要了解它的内部结构,还有引脚的功能,清零端信号输入端输出端等等都要了解,然而了解内部的结构就与我在书本上学的东西有很大的关系了。
例如74LS90里面有触发器,而当我了解到了所有触发器包括D型、JK触发器、RS触发器等等这些,我就会对这个芯片更快的了解。
还有一些芯片外部的连接问题,就是用到了逻辑关系的。
总之在昨晚课程设计后感觉整本书都重新看了一遍,温故而知新,使得我的在电子这方面的只是了解了更多,而且我在做仿真时并没有觉得厌烦,反而觉得很有趣,特别是当一部分的电路做出后心情会更加的愉快,就这样我对学习的兴趣又加深了。
当然在仿真中有比较多的事是决解不了的。
我仍然还对multisim里面的时间的问题有很多的疑问,好像仿真系统里面的时间跟我们现实中的时间是不一致是不同步的,它里面的一秒中在我们现实中走了差不多有一分钟了。
查了一些资料不过都没有涉及或者提到这些问题。
5、参考文件
1、《Multisim电路与电子技术仿真实验》-广东工业大学实验教学部2008年8月
2、《数字电子技术基础(第五版)》-清华大学电子学教研组编、阎石主编高等教育出版社
3、《电子产品设计》-何元清编著北京大学出版社
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