电子技术课程设计---多功能数字时钟.doc

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。时显示器时译码器时计数器分显示器分译码器分计数器秒显示器秒译码器秒计数器校时电路分频器振荡器整点报时电路图12、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32768 Hz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4 MHz，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MCI4064 14级二分频器，由输出端Q14得到214分频的脉冲信号，fQ144 MHz/214=4 MHz/16384244.141Hz。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，fQ8244.141Hz/2560.594Hz，其周期为1/ fQ8=1/0.594Hz1.048s。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=4/212M Hz=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0001585900，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CQC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不变。将它们相与，即CQC4QA4QD3QA3QC2QA2作为控信号，去控制门15和门16。在每小时的最后10s内C1。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，QD1QA1C1，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/ QA1C1,门15被关闭，门16打开，A信号通过门16。则ZQD1QA1CB+ 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2 k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32768Hz12十进制计数器CC451833共阴极七段译码驱动器CC451164四2输入与非门74LS0065双4输入与非门74LS202614位二进制计数器/分频器和振荡器CC406017双D边沿触发器74LS7418数码管BS20169三极管3DG4110电阻100K、200K1、4811扬声器112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，达到应用实践的目的。