多功能数字钟的设计...doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date多功能数字钟的设计.学 号:佳木斯大学信息电子技术学院2011级专业综合实训报告题目: 多功能数字时钟姓 名:于旺班 级:电气工程及其自动化二班学 号:11100740127指导教师:刘云鹏摘 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
2、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
3、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
4、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
5、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。在高度发达信息化的21世纪,人们总是那么忙碌.时间对我们来说总是那么宝贵,在我们的日常工作、学习、生活中,时间概念愈加显得重要。生活工作中班车要准点,上班要准时,开会要有时间限制;工业生产中,每一道工序都要有严格的时间限制,这样才能做到井井有条;严谨的科技研究中,时间更是重中之重。能够准确的了解并且实时性的知道时间,是我们学习、工作、生
6、活中不可或缺的。机械式钟表虽然也可以告知人们时间,也可以定时,显示日历。但是由于受到机械结构、动力和体积的限制,在功能、性能以及造价上都没办法与电子时钟相比。电子钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置,广泛应用于个人家庭,室外广场,汽车站和火车站等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品目录1. 引言62. 设计要求及目的72.1 设计要求72.2 设计目的72.3 设计指标72.3.1 基本功能72.3.2 扩展功能73 主体电路的设计83.1 数字钟的构成83.2 数字钟电路系统的组成框图83.2.1 振荡器的设计83.2.2分频器的设计93.3.1.1 时分秒计数器的设
7、计113.3.1.2 校时电路的设计123.3.1.3 主体电路的装调134. 功能扩展电路的设计154.1 定时控制电路的设计154.2 仿广播电台正点报时电路的设计154.3 报整点时数电路的设计174.4 触摸报整点时数电路的设计195 电路仿真调试195.1 实验过程中遇到的问题及解决方法195.1.1 面包板和芯片的测试195.1.2 时间计数电路的连接与测试195.1.3 校正电路196 总结206.1 心得体会20 参考文献21. 附录21元器件列表212. 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
8、,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
9、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
10、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(英文:oscillator)是用来产生重复电子讯号(通常是正弦波或方波)的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。种类很多,按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器;按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等;按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。振荡
11、器(英文:oscillator)是一种能量转换装置将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。其构成的电路叫振荡电路。低频振荡器(low-frequency oscillator,或称LFO)是指产生频率在0.1赫兹到10赫兹之间交流讯号的振荡器。这个词通常用在音讯合成中,用来区别其他的音讯振荡器。振荡器主要可以分成两种:谐波振荡器(harmonic oscillator)与弛张振荡器(relaxation oscillator)。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。种类很多,按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器;按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器
12、、音叉振荡器等;按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。 主要适用于各大中院校、医疗、石油化工、卫生防疫、环境监测等科研部门作生物、生化、细胞、菌种等各种液态、固态化合物的振荡培养。自激多谐振荡器也叫无稳态电路.两管的集电极各有一个电容分别接到另一管子的基极,起到交流耦合作用,形成正反馈电路,当接通电源的瞬间,某个管子先通,另一只管子截止,这时,导通管子的集电集有输出,集电极的电容将脉冲信号耦合到另一只管子的基极使另一只管子导通.这时原来导通的管子截止.这样两只管子轮流导通和截止,就产生了震荡电流。由于器件不可能参数完全一致,因此在上电的瞬间两个三
13、极管的状态就发生了变化,这个变化由于正反馈的作用越来越强烈,导致到达一个暂稳态.暂稳态期间另一个三极管经电容逐步充电后导通或者截止,状态发生翻转,到达另一个暂稳态.这样周而复始形成振荡。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
14、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。 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: 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3 555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
15、音频信号等。3.3 8421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1 8421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 从电路结构来看,分频器本质上是由电容器和电感线圈构成的LC滤波网络,高音通道是高通滤波器,它只让高频信号通过而阻止低频信号;低音通道正好相反,它只让低音通过而阻止高频信号;中音通道则是一个带通滤波器,除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过,高频成份和低频成份 分频器原理都将被阻止。在实际的分频器
16、中,有时为了平衡高、低音单元之间的灵敏度差异,还要加入衰减电阻;另外,有些分频器中还加入了由电阻、电容构成的阻抗补偿网络,其目的是使音箱的阻抗曲线心理平坦一些,以便于功放驱动。位于功率放大器之后,设置在音箱内,通过LC滤波网络,将功率放大器输出的功率音频信号分为低音,中音和高音,分别送至各自扬声器。连接简单,使用方便,但消耗功率,出现音频谷点,产生交叉失真,它的参数与扬声器阻抗有的直接关系,而扬声器的阻抗又是频率的函数,与标称值偏离较大,因此误差也较大,不利于调整。将音频弱信号进行分频的设备,位于功率放大器前,分频后再用各自独立的功率放大器,把每一个音频频段信号给予放大,然后分别送到相应的扬声
17、器单元。因电流较小故可用较小功率的电子有源滤波器实现,调整较容易,减少功率损耗,及扬声器单元之间的干扰。使得信号损失小,音质好。但此方式每路要用独立的功率放大器,成本高,电路结构复杂,运用于专业扩声系统二、分频器与功率的分配构成音箱的高、低音单元,各自的标称功率是不一样的,而在实际节目信号的功率谱中,高频、低频信号的比例也是不一样的,因此将各种信号统计平均后,就得到了图1所示的模拟信号功率谱.将图1的功率谱进行计算,就得到了图2所示的功率分配曲线.在选择分频点时,一定要考虑功率的分配问题,使高音单元留有一定的余量。图2表示20Hz20kHz的总功率规一化为100%,把20Hz至某频率f所占功率
18、为总功率的百分数,应用举例如下。如分频点为2?5kHz的二分频系统,由图2的横座标2?5kHz到曲线相交,从纵座标读出百分数,则20Hz2.5kHz的功率比例为87%,2?5kHz20kHz的功率比例为13%。当总功率为100W时,则低音功率W低=10087%=87W,高音功率W高=10013%=13W。使用上面的功率分配关系时,还请注意扬声器单元的功率标准。一般产品标注是额定最大正弦功率(RMS),而有的制造厂为了商业目的,,标注峰值功率或称为音乐功率,但数值一般却是RMS功率的24倍。三、分频方式的选择分频方式虽然有6dB/oct型、18dB/oct型、3dB降落点交叉型及12dB/oct
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