电子钟设计.doc

设计（论文）题目: 简易数字钟电路设计 学 生 姓 名: 专 业: 电子信息工程 评 阅 人: 2011年 10 月 20 日目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 绪 论31.1 课题背景31.2 数字钟的应用31.3 设计任务3第2章 数字电子中系统具体设计过程与实现42.1 数字钟系统构成42.2 工作原理5第3章 单元电路63.1 分频器电路63.2 60进制计数器的设计73.3 24进制计数器73.3 12进制计数器83.4 译码显示电路83.5 校时电路的设计103.6 报时电路113.7 电路总图13致 谢14参考文献15附录 部分芯片引脚图与功能表16湖南安全技术职业学院毕业设计摘 要数字电子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，因此得到广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电子电路，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。数字钟可适用于自动打铃、自动广播，也适用于节电、节水及自动控制多路电器设备。它是由数子钟电路、定时电路、放大执行电路、电源电路组成。为了简化电路结构，数字钟电路与定时电路之间的连接采用直接译码技术。具有电路结构简单、动作可靠、使用寿命长、更改设定时间容易、制造成本低等优点。关键词：数字电路；12进制计数器；24进制计数器；60进制计数器；译码与显示电路AbstractA digital clock is a kind of digital circuit technology, minutes and seconds when the timing device, and the mechanical clock is higher than the accuracy and intuitive, and no machinery, has more longer service life, so it has been widely used.From the principle of digital clock is a kind of typical digital circuits, including the assembly logic circuit and the sequential circuits. At present, a digital clock function is more and more strong, and a variety of special options. Applicable for automatic digital clock rung, automatic broadcasting, also suitable for electricity, water and automatic control and electrical equipment. It is by several children clock circuit, timing circuit, amplifier circuit, the power circuit implementation. In order to simplify the circuit structure, a digital clock circuit and timing circuits using direct connection between decoding technology. With simple structure, reliable operation, long service life, change the setting time for easy and manufacturing cost etc. KEY WORDS：Digital circuit; 12 N Counters; 24 N Counters; 60 N Counters; decoding and display circuit 16第1章 绪 论1.1 课题背景电子技术中的工作信号可以大分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号是指时间上和数值上都是连续变化的信号；数字信号是指时间和数值上都是断续变化的离散信号。例如，电子表的秒信号、生产中自动记录零件数的计数信号、由计算机键盘输入到计算机的信号等它们的变化发生在一系列离散是瞬间，数值大小的增减总是最小数量单位的整数倍。传输、处理数字信号的电路称为数字电路。1.2 数字钟的应用数字电子钟具有走时准确，一钟多用等特点，在生活中已经得到广泛的应用。虽然现在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但是人们对电子产品的应用要求越来越高，数字钟不但可以显示当前的时间，而且可以显示日期、农历 、以及星期等，给人们的生活带来了方便。另外数字钟还具备秒表和闹钟的功能，且闹钟铃声可自选，使一款电子钟具备了多媒体的色彩。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。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。电子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、剧院、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，使电子钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。1.3 设计任务本设计任务如下：1、综合应用所学知识，掌握设计控制电路的基本思路和方法，设计一个简易数字钟电路电路原理图和完成数字时钟的设计工作；2、时钟现实内容包含：小时、分钟、秒3、计时方式包括十二小时制和二十四小时制两种形式；第2章 数字电子中系统具体设计过程与实现2.1 数字钟系统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。图2.1所示为数字钟构成框图。图 2.1 数字钟构成图数字钟系统由以下部分构成：1、晶体振荡器电路：晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768z的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。2、分频器电路：分频器电路将32768HZ的高频方波信号经32768（）次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。3、时间计数器电路：时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为六十进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为二十四进制计数器。4、译码驱动电路：译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。5、整点报时电路：一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波,较复杂的也可以是实时音乐提示。本时钟整体功能：数字电子钟能以秒为最小时间单位计时，同时应能用数字直观显示当前的时与分，可以手动校时，可以设定闹钟时间，以及整点报点的功能。2.2 工作原理数字钟的工作原理是：由晶体振荡器电路给出的信号经过分频后得到1Hz的标准信号，作为秒计数器的计数脉冲；当秒计数器计满60后，向分计数器发出进位脉冲；分计数器计满60后，向时计数器发出进位脉冲；小时按照24小时和12小时进制规律计数（原理图中以24小时为例）。计数器的输出分别驱动译码电路，数码管显示时间。当时钟出现误差时可以通过控制开关进行校时校分。第3章 单元电路3.1 分频器电路通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到1Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级二进制计数器来实现。例如，将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768（），即实现该分频功能的计数器相当于十五级二进制计数器。从尽量减少元器件数量的角度来考虑，这里可选多极二进制计数电路CD4060和CD4040来构成分频电路。CD4060和CD4040在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。CD4060计数为十四级二进制计数器，可以将32768z的信号分频为2z，其内部框图如图2所示，从图3.1-1中可以看出，CD4060的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。图 3.1-1 CD4046内部框图 图 3.1-2 CD4040内部框图CD4040计数器的计数模数为4096（），其逻辑框图如图3.1-2。如将32768Hz信号分频为1Hz，则需外加一个八分频计数器，故一般较少使用CD4040来实现分频。综上所述，可选择CD4060同时构成振荡电路和分频电路。照图5.1，在和之间接入振荡器外接元件可实现振荡，并利用时计数电路中多一个二分频器（后述）可实现十五级二分频，即可得1Hz信号。.3.2 60进制计数器的设计“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是六十进制，它由一级十进制计数器和一级六进制计数器连接构成。如图3.2所示由CC40161构成的六十进制计数器。首先将两片CC40161设置成十进制加法计数器，将两片计数器并行进位则最大可实现一百进制的计数器。现要设计一个六十进制的计数器，可利用“反馈清零”的方法实现。当计数器输出“2Q32Q22Q12Q0、1Q3Q2Q1Q0=0110、0000”时，通过门电路形成一置数脉冲，使计数器归零。图3.2 60进制计数器电路图3.3 24进制计数器同理当个位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0100”，十位计数器状态为“Q3Q2Q1Q0=0010”时，要求计数器归零。图3.3 24进制计数器图3.3 12进制计数器同理当个位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0010”，十位计数器状态为“Q3Q2Q1Q0=0001”时，要求计数器归零。图3.4 12制计数器图3.4 译码显示电路数字电路和计算机电路中对数据的都采用二进制数处理，即使是十进制数也都采用BCD码，但是要将显示出来使用BCD码是非常不直观的。字符译码器可以将BCD码表示的数值以人们习惯的字符在形式显示出来。CD4511就是一片常用的字符译码显示驱动器，它将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。其外部收引脚与逻辑功能如图3.5所示。真值表如表3.6所示。图3.5 CD4511外部收引脚与逻辑功能表 3.6 CD4511真值表INPUTS输入OUTPUTS 输出LE D C B A a b c d e f g DISPLAY显示XXLXXXXHHHHHHH8XLHXXXXLLLLLLL消隐LHHLLLLHHHHHHL0LHHLLLHLHHLLLL1LHHLLHLHHLHHLH2LHHLLHHHHHHLLH3LHHLHLLLHHLLHH4LHHLHLHHLHHLHH5LHHLHHLLLHHHLH6LHHLHHHHHHLLHL7LHHHLLLHHHHHHH8LHHHLLHHHHLLHH9LHHHLHLLLLLLLL消隐LHHHLHHLLLLLLL消隐LHHHHLLLLLLLLL消隐LHHHHLHLLLLLLL消隐LHHHHHLLLLLLLL消隐LHHHHHHLLLLLLL消隐HHHXXXX锁 存锁存CD4511的功能如下：（1）基本逻辑功能BCD码-7段字符显示译码驱动器。输入：D，C，B，A，4位组成的BCD，高电平有效。输出：a，b，c，d，e，f，g 7个笔画驱动端，高电平有效。查CD4511的技术参数25mA。因此CD4511能直接驱动共阴极LED数码管。 （2）辅助功能端从真值表中可以看出另外3个输入端的作用。LE端：高电平有效，当LE1时，输出将保持LE从“0”跳变“1”时的显示结果而无论输入数据是否变化。此端也称为“锁存”端。译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。（4）译码CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。（5）消隐BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐输出J的电平为J= =（C+B）D+BI如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。8421 BCD 码对应的显示见下图：图 3.7 BCD码对应显示3.5 校时电路的设计数字种启动后,每当数字钟显示与实际时间不符,需要根据标准时间进行校时。校正“秒”时，采用等待校时。校正“分”、“时”的原理比较简单，采用加速校时。对校时电路的要求是 :1在小时校正时不影响分和秒的正常计数 。2在分校正时不影响秒和小时的正常计数 。如图3.4所示，当开关向下打时，因为校正信号和0相与的输出为0，而开关的另一端接高电平，正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处于正常计时状态；当开关向上打时，情况正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态。与非门可选74LS00，非门则可用与非门2个输入端并接来代替节省芯片。因此实际使用时，须对开关的状态进行消除抖动处理，图3.8为加2个0.01uF的电容。图3.8 校时电路图3.6 报时电路根据作品要求，电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5、9和5，因此可将分计数器十位的Q和Q 、个位的Q和Q及秒计数器十位的Q和Q相与，从而产生报时控制信号。所选的蜂鸣器为电声器件，蜂鸣器是一种压电电声器件，当其两端加上一个直流电压时酒会发出鸣叫声，两个输入端是极性的，其较长引脚应与高电位相连，图3.9的三极管时为了驱动蜂鸣器。图3.9 报时电路图3.7 电路总图图 3.10 电路总图致 谢很兴奋，设计终于完成了。这其中虽然有很多不足之处，但却是我自己不断地查阅资料、思考，询问和动手的结果。这篇论文，我很认真的在准备。经过一段的学习和忙碌，本次设计已经接近尾声，作为一个设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的一再的督促指导，以及一起工作的同事们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。这次论文设计是一次难得的锻炼机会，让我能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。在平时学习理论知识的时候，我们应该更注重实践。这次的论文设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多数字钟电路，这些都是我们自己可以实现的，以前那些神秘的东西在不断的学习过程中变得不再那么神秘，我相信，在以后，经过自己的努力，有更多的谜底会被揭开。通过这次课程设计，我还加深了理论知识的学习。这次的设计电路我用到了计数器、译码器等，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比书上说的多很多，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。模电课程设计学到得方法在这里可以继续使用，比如MULTISIM等学习软件，给设计提供了很大的便利。在这我要感谢所有的老师，为我们打下专业知识的基础；没有老师们的谆谆教诲就没有我们学业上的进步，我们有幸在农大度过时间，是老师们给了我们知识的洗礼，让我们充实了自己，提高了适应社会，贡献社会的能力。同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢xx大学的大力栽培。参考文献1数字电子技术与逻辑设计教程第三版，徐明 主编 电子工业出版社 。2电子线路设计实验测试第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社。3电子线路综合设计实验教程刘鸣 主编 天津大学出版。4 电子电路课程设计张豫滇、苏起虎 主编 河海大学出版社5 电工电子基础实验王玉秀 主编 东南大学出版社附录 部分芯片引脚图与功能表74HC390引脚图与功能