1、東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)1 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 課程設(shè)計(jì)多功能數(shù)字 時(shí)鐘 姓名： xxxxxx 學(xué)號(hào)：xxxxx 專業(yè)：xxxxxxx 學(xué)院：xxxxxxx 學(xué)院 指導(dǎo)老師：xxxxxxx 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)2 二零一二年六月 中文摘要： 加入世貿(mào)組織以后，中國(guó)會(huì)面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)。這種競(jìng)爭(zhēng)將是 一場(chǎng)科技實(shí)力、管理水平和人才素質(zhì)的較量，風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)遇共存， 同時(shí)電子產(chǎn)品的研發(fā)日新月異，不僅是在通信技術(shù)方面數(shù)字化 取代于模擬信號(hào)，就連我們的日常生活也進(jìn)于讓數(shù)字化取締。 說(shuō)明數(shù)字時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，而且滲透于我們生活的方方面面。 就拿我們生活的實(shí)例來(lái)說(shuō)明一下“數(shù)字”給我們帶來(lái)

2、的便捷。 下面我們就以數(shù)字鐘為例簡(jiǎn)單介紹一下。數(shù)字鐘我們聽(tīng)到這幾 個(gè)字，第一反應(yīng)就是我們所說(shuō)的數(shù)字，不錯(cuò)數(shù)字鐘就是以數(shù)字 顯示取代模擬表盤(pán)的鐘表，在顯示上它用數(shù)字反應(yīng)出此時(shí)的時(shí) 間，相比模擬鐘能給人一種一目了然的感覺(jué)，不僅如此它還能 同時(shí)顯示時(shí)、分、秒。而且能對(duì)時(shí)、分、秒準(zhǔn)確校時(shí)，這是普 通鐘所不及的。與此同時(shí)數(shù)字鐘還能準(zhǔn)確定時(shí)，在你所規(guī)定的 時(shí)間里準(zhǔn)確無(wú)誤的想你發(fā)出報(bào)時(shí)聲音，提醒你在此時(shí)所需要去 做的事。與舊式鐘表相比它更適用于現(xiàn)代人的生活。 在畢業(yè)之際恰好遇上學(xué)校的課程電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)論文。因而在 所學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)上做了以下課程設(shè)計(jì)。希望給大家?guī)?lái)方便的 同時(shí)，使自己對(duì)所學(xué)專業(yè)有進(jìn)一步的了解！

3、東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)3 目錄 前言：.2 1.設(shè)計(jì)目的 .4 2.設(shè)計(jì)功能要求 .4 3.電路設(shè)計(jì).5 3.1 設(shè)計(jì)方案.5 3.2 單元電路的設(shè)計(jì) .5 3.2.1 主體電路部分 .6 3.2.1.1 振蕩電路 .6 3.2.1.2 計(jì)數(shù)電路.7 3.2.1.3 校時(shí)電路.12 3.2.1.4 譯碼與顯示電路 .14 3.2.2 擴(kuò)展功功能電路的設(shè)計(jì) .15 3.2.2.1 定時(shí)控制電路 .15 4.調(diào)試.17 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)4 4.1 主體電路部分 .18 4.2 擴(kuò)展電路部分 .19 5.總結(jié).19 致 謝.19 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).19 前言

4、： 中國(guó)是世界上最早發(fā)明計(jì)時(shí)儀器的國(guó)家。有史料記載，漢武帝太初年間 （紀(jì)元前104-101年）由落下閎創(chuàng)造了我國(guó)最早的表示天體運(yùn)行的儀器渾天 儀。東漢時(shí)期（公元130年）張衡創(chuàng)造了水運(yùn)渾天儀，為世界上最早的以水為動(dòng) 力的觀測(cè)天象的機(jī)械計(jì)時(shí)器，是世界機(jī)械天文鐘的先驅(qū)。盛唐時(shí)代，公元725年 張遂（又稱一行）和梁令瓚等人創(chuàng)制了水運(yùn)渾天銅儀，它不但能演示天球和日、 月的運(yùn)動(dòng)，而且立了兩個(gè)木人，按時(shí)擊鼓，按時(shí)打鐘。第一個(gè)機(jī)械鐘的靈魂 擒縱器用于計(jì)時(shí)器，這是中國(guó)科學(xué)家對(duì)人類(lèi)計(jì)時(shí)科學(xué)的偉大貢獻(xiàn)。它比十四 世紀(jì)歐洲出現(xiàn)的機(jī)械鐘先行了六個(gè)世紀(jì)。 第一只石英鐘出現(xiàn)在二十世紀(jì)二十年代，從三十年代開(kāi)始得到了推廣，從

5、 六十年代開(kāi)始，由于應(yīng)用半導(dǎo)體技術(shù)，成功地解決了制造日用石英鐘問(wèn)題，石 英電子技術(shù)在計(jì)時(shí)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。并取代機(jī)械鐘做了更精確的時(shí)間標(biāo) 準(zhǔn)。早在1880年，法國(guó)人皮埃爾居里和保羅雅克居里就發(fā)現(xiàn)了石英晶體 有壓電的特性，這是制造鐘表“心臟”的良好材料?？茖W(xué)家以石英晶體制成的 振蕩計(jì)時(shí)器和電子鐘組合制成了石英鐘。經(jīng)過(guò)測(cè)試，一只高精度的石英鐘表， 每年的誤差僅為3-5秒。1942年，著名的英國(guó)格林尼治天文臺(tái)也開(kāi)始采用了石英 鐘作為計(jì)時(shí)工具。在許多場(chǎng)合，它還經(jīng)常被列為頻率的基本標(biāo)準(zhǔn)，用于日常測(cè) 量與檢測(cè)。大約在 1970 年前后，石英鐘表開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，風(fēng)靡全球。隨著科 學(xué)的進(jìn)步，精密的電子元件不

6、斷涌現(xiàn)，石英鐘表也開(kāi)始變得小巧精致，它既是 實(shí)用品，也是裝飾品。它為人們的生活提供方便，更為人們的生活增添了新的 色彩。 在現(xiàn)行情況下根據(jù)簡(jiǎn)單實(shí)用強(qiáng)的、走時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行設(shè)計(jì)。而實(shí)驗(yàn)證明，鐘 表的振蕩部分采用石英晶體作為時(shí)基信號(hào)源時(shí)，走時(shí)更精確、調(diào)整更方便。鐘 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)5 是一種計(jì)時(shí)的器具，它的出現(xiàn)開(kāi)拓了時(shí)間計(jì)量的新里程。提起時(shí)鐘大家都很熟 悉，它是給我們指明時(shí)間的一種計(jì)時(shí)器，并且我們每天都要用到它。二十世紀(jì) 八十年代中國(guó)的鐘表業(yè)經(jīng)歷了一場(chǎng)翻天覆地的大轉(zhuǎn)折。其表現(xiàn)在三個(gè)方面： （1）從生產(chǎn)機(jī)械表轉(zhuǎn)為石英電子表； （2）曾占據(jù)中國(guó)消費(fèi)市場(chǎng)四十多年的大型國(guó)有企業(yè)突然被剛剛

7、冒起的“組業(yè)” 所取代，鐘表生產(chǎn)中心轉(zhuǎn)向中國(guó)南方沿海一帶； （3）中國(guó)鐘表業(yè)發(fā)展從以機(jī)芯為龍頭改為以手表外觀件為龍頭。 這場(chǎng)轉(zhuǎn)折以迅雷不及掩耳的速度，沖擊著傳統(tǒng)的中國(guó)鐘表工業(yè)。中國(guó)的鐘表業(yè) 從技術(shù)簡(jiǎn)單、零件少的石英鐘機(jī)芯制造入手。最初石英鐘機(jī)芯全靠從日本、德 國(guó)進(jìn)口，1989 年開(kāi)始完全自己生產(chǎn)，包括模具的制造加工。近十余年，逐漸提 高機(jī)芯質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)轉(zhuǎn)向?qū)κ直頇C(jī)芯研制與開(kāi)發(fā)。目前石英鐘表機(jī)芯生 產(chǎn)主要在福建省福州、廣東東莞、番禺；機(jī)械鐘表機(jī)芯在上海、山東等地。 現(xiàn)在我國(guó)的電子業(yè)發(fā)展非常快速，電子業(yè)的發(fā)展有利于鐘表業(yè)的發(fā)展。在 中國(guó)鐘表發(fā)展史上，國(guó)產(chǎn)機(jī)芯研制的失敗已經(jīng)成為過(guò)去， “組裝業(yè)

8、”作為新興鐘 表工業(yè)的起步階段也已成為過(guò)去。一支新的充滿智慧的鐘表精英在成長(zhǎng)。 我們相信在科技高速發(fā)展的今天，鐘表業(yè)運(yùn)用當(dāng)今材料工業(yè)、電子工業(yè)和 其他領(lǐng)域的最新技術(shù)，一定會(huì)生產(chǎn)出代表中國(guó)科學(xué)水平的產(chǎn)品。我們希望鐘表 業(yè)的精英們?cè)谔岣咧圃旒夹g(shù)水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的品牌。 這正是中國(guó)鐘表業(yè)發(fā)展的希望。 數(shù)字鐘被廣泛用于個(gè)人家庭,車(chē)站, 碼頭、辦公室等公共場(chǎng)所,成為人們?nèi)粘?生活中的必需品。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得 數(shù)字鐘的精度,運(yùn)用超過(guò)老式鐘表, 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的 方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)

9、自動(dòng) 打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、自動(dòng)起閉路燈、定時(shí)開(kāi)關(guān)烘箱、通斷動(dòng) 力設(shè)備、甚至各種定時(shí)電氣的自動(dòng)啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基 礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)6 1.設(shè)計(jì)目的 設(shè)計(jì)一種多功能數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘具有基本功能和擴(kuò)展功能兩部分。其中， 基本功能部分的有準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間和校時(shí)功能。 數(shù)字鐘的電路也是由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分構(gòu)成，在電路中，基本功能部 分由主體電路實(shí)現(xiàn)，而擴(kuò)展功能部電路實(shí)現(xiàn)。這兩部分都有一個(gè)共同特點(diǎn)就是 它們都要用到振蕩電路提供的 1Hz 脈沖信號(hào)。在計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差

10、時(shí)電路還可以進(jìn) 行校時(shí)和校分，為了使電路簡(jiǎn)單所設(shè)計(jì)的電路不具備校秒的功能。并且要用數(shù) 碼管顯示時(shí)、分、秒，各位均為兩位顯示，擴(kuò)展部分要有相應(yīng)的響應(yīng)電路。分 則由擴(kuò)展 2.設(shè)計(jì)功能要求 基本功能： （1）時(shí)的計(jì)時(shí)要求為“12 翻 1” ，分和秒的計(jì)時(shí)要求為 60 進(jìn)制 （2）準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)，分，秒的時(shí)間 （3）校正時(shí)間 擴(kuò)展功能： （1）定時(shí)控制； （2）仿廣播電臺(tái)報(bào)時(shí)功能； （3）自動(dòng)報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)； 3.電路設(shè)計(jì) 3.1 設(shè)計(jì)方案 根據(jù)設(shè)計(jì)要求首先建立了一個(gè)多功能 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖，框圖如 圖 1 所示。 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)7 時(shí)顯示器分顯示器秒顯示器

11、時(shí)譯碼器分譯碼器秒譯碼器 時(shí)計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器 校時(shí)電路 振蕩器分頻器 整點(diǎn)報(bào)時(shí) 觸摸報(bào)時(shí) 仿電臺(tái)報(bào) 定時(shí)控制 主體電路擴(kuò)展電路 圖 1 由圖 1 可知，電路的工作原理是：多功能數(shù)字鐘電路由主體電路和擴(kuò)展電 路兩大部分組成。其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴(kuò)展電路完成數(shù)字鐘 的擴(kuò)展功能。 振蕩器產(chǎn)生的高脈沖信號(hào)作為數(shù)字鐘的振源，再經(jīng)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。 秒計(jì)數(shù)器計(jì)滿 60 后向分計(jì)數(shù)器個(gè)位進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器計(jì)滿 60 后向小時(shí)計(jì)數(shù)器個(gè) 位進(jìn)位并且小時(shí)計(jì)數(shù)器按照“12 翻 1”的規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送 顯示器。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)電路進(jìn)行校時(shí)、校分、校秒。擴(kuò)展電路必須在主體電 路正常運(yùn)行

12、的情況下才能進(jìn)行擴(kuò)展功能。 3.2 單元電路的設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)方法很多種，例如，可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘； 也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘； 還可以利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子鐘等。 在本次設(shè)計(jì)，電路是由許多單元電路組成的，因此首先必須對(duì)各個(gè)單元 電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.2.1 主體電路部分 主體電路部分的電路主要由振蕩電路、計(jì)數(shù)電路、顯示電路以及校時(shí)電路四 大部分組成。下面將對(duì)各部分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.2.1.1 振蕩電路 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)8 振蕩電路由振蕩器和分頻器產(chǎn)生 1Hz 時(shí)鐘脈沖和擴(kuò)展部分所需的頻率，下 面對(duì)振蕩器和分頻

13、器兩部分進(jìn)行介紹。 （1）振蕩器 （2）分頻器 振蕩器和分頻器兩部分構(gòu)成振蕩電路，它的電路圖如圖 7 所示。 根據(jù)圖 7 可知電路的工作原理是：石英晶體振蕩器提供的頻率為 1MHz，CD4518 組成十分頻電路。并且一個(gè) CD4518 可以組成兩個(gè)十分頻電路即： CD4518 的引腳 2 與引腳 6 組成一個(gè)十分頻電路而引腳 10 與引腳 14 組成另一個(gè) 十分頻電路。晶振的輸出接入第一塊 CD4518 的輸入引腳 2，經(jīng)過(guò)一次十分頻， 頻率變?yōu)?100KHz。輸出引腳 6 接入同一塊 CD4518 的引腳 10 經(jīng)第二次分頻，頻 率變?yōu)?10KHz。輸出引腳接人第二塊 CD4518 的輸入引

14、腳 2 再經(jīng)一次分頻，頻率 變?yōu)?1KHz。這樣經(jīng)過(guò)六次分頻最后可以得到 1Hz 的頻率。 12 A 7404 12 A 7404 12 A7404 1K 0.01uF 5-25pF1MHZ CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q

15、3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 100KHZ 10KHZ 1KHZ 100HZ 10HZ 1HZ 圖 7 3.2.1.2 計(jì)數(shù)電路 計(jì)數(shù)器是一種計(jì)算輸入脈沖的時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計(jì)數(shù)的輸入信號(hào)就是時(shí)序 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘脈沖，它不僅可以計(jì)數(shù)而且還可以用來(lái)完成其他特定的邏輯功能， 如測(cè)量、定時(shí)控制、數(shù)字運(yùn)算等等。 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)9 數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路是用兩個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路和“12 翻 1”計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn) 的。數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)可以用反饋清零法。當(dāng)計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)時(shí)，反饋 門(mén)不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來(lái)時(shí)，反

16、饋信號(hào)將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模 的循環(huán)計(jì)數(shù)。以六十進(jìn)制為例，當(dāng)計(jì)數(shù)器從 00，01，02，59 計(jì)數(shù)時(shí)，反 饋門(mén)不起作用，只有當(dāng)?shù)?60 個(gè)秒脈沖到來(lái)時(shí)，反饋信號(hào)隨即將計(jì)數(shù)電路清零， 實(shí)現(xiàn)模為 60 的循環(huán)計(jì)數(shù)。 下面將分別介紹 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和“12 翻 1”小時(shí)計(jì)數(shù)器。 （一）60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 電路如圖 8 所示 R0(1) 6 R0(2) 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 11 QC 9 QD 8 74LS92_2 R0(1) 2 R0(2) 3 R9(1) 6 R9(2) 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 9 QC 8 QD 11 74LS90_5 GN

17、D GND+5V +5V 圖 8 電路中，74LS92 作為十位計(jì)數(shù)器，在電路中采用六進(jìn)制計(jì)數(shù)；74LS90 作為 個(gè)位計(jì)數(shù)器在電路中采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)。當(dāng) 74LS90 的 14 腳接振蕩電路的輸出脈 沖 1Hz 時(shí) 74LS90 開(kāi)始工作，它計(jì)時(shí)到 10 時(shí)向十位計(jì)數(shù)器 74LS92 進(jìn)位。下面對(duì) 電路中所用的主要元件及功能介紹。 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74LS90 74LS90 是二五十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端 CKA 和 CKB。其中， CKA 和組成一位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；CKB 和組成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；若將0Q321Q Q Q 與 CKB 相連接，時(shí)鐘脈沖從輸入，則構(gòu)成了 8421BCD 碼十進(jìn)制

18、計(jì)數(shù)器。0QACP 74LS90 有兩個(gè)清零端 R0（1） 、R0（2） ，兩個(gè)置 9 端 R9（1）和 R9（2） ，其 BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)序如表 1，二五混合進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)序如表 2，74LS90 的管腳圖 如圖 9。 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)10 R0(1) 2 R0(2) 3 R9(1) 6 R9(2) 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 9 QC 8 QD 11 74LS90 圖 9 表 1 BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)序 表 2 二五混合進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)序 異步計(jì)數(shù)器 74LS92 所謂異步計(jì)數(shù)器是指計(jì)數(shù)器內(nèi)各觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)不是來(lái)自于同一外接輸 入時(shí)鐘信號(hào)，因而觸

19、發(fā)器不是同時(shí)翻轉(zhuǎn)。這種計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度慢。一異步計(jì) 數(shù)器 74LS92 是 二六十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即 CKA 和組成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，0Q CKB 和在 74LS92 中為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng) CKB 和相連，時(shí)鐘脈沖從321Q Q Q0Q CKA 輸入，74LS92 構(gòu)成十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS92 的管腳圖如圖 10。 CK DQCQBQAQ 00000 10001 20010 30011 40100 50101 60110 70111 81000 91001 CK AQBQCQDQ 00000 10001 20010 30011 40100 51000 61001 71010 81011 9110

20、0 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)11 R0(1) 6 R0(2) 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 11 QC 9 QD 8 74LS92 圖 10 （二） “12 翻 1”小時(shí)計(jì)數(shù)器電路 （1） 電路如圖 11 所 示 CLK 3 D 2 SD 4 CD 1 Q 5 Q 6 74LS74A P0 15 P1 1P2 10 P3 9 Q0 3 Q12 Q26 Q3 7 RC 13 TC12 CLK 14 CE 4 U/D 5 PL 11 74LS1 91 45 6 U9B74LS00 1 2 3 U9A 74LS00 11 1213 U10D 74LS00 GND R

21、1 3.3K +5V 8 9 U8D 74LS04 +5v CP 圖 11 “12 翻 1”小時(shí) 計(jì)數(shù)器是按照“010203040506070809 10111201”規(guī)律計(jì)數(shù)的，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表 3 所示。 表 3“12 翻 1”小時(shí)計(jì)時(shí)時(shí)序 十位 個(gè)位十位 個(gè)位 CKQ10Q03 Q02 Q01 Q00CK Q10Q03 Q02 Q01 Q00 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)12 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1

22、8 9 10 11 12 13 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 （二）電路的工作原理 由表可知：個(gè)位計(jì)數(shù)器由 4 位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器 74LS191 構(gòu)成，十位 計(jì)數(shù)器由雙 D 觸發(fā)器 74LS74 構(gòu)成 ，將它們組成 “12 翻 1”小時(shí)計(jì)數(shù)器。 由表可知：計(jì)數(shù)器的狀態(tài)要發(fā)生 兩次跳躍：一是：計(jì)數(shù)器計(jì)到 9，即個(gè)位 計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為 =1001 后，在下一計(jì)數(shù)脈沖的作用下計(jì)數(shù)器進(jìn)入03020100Q Q Q Q 暫態(tài) 1010，利用暫態(tài)的兩個(gè) 1 即使個(gè)位異步置 0，同時(shí)向十位計(jì)數(shù)器

23、進(jìn)0301Q Q 位使 =1；二是計(jì)數(shù)到 12 后，在第 13 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖作用下個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)10Q 應(yīng)為 =0001，十位計(jì)數(shù)器的 =0。第二次跳躍的十位清“0”和03020100Q Q Q Q10Q 個(gè)位置“1”的輸出端、來(lái)產(chǎn)生。對(duì)電路中所用的主要元件及功能10Q01Q00Q 介紹。 D 觸發(fā)器 74LS74 在電路中用到了 D 觸發(fā)器 74LS74，74LS74 的管腳圖如圖 12。 D 2 Q 5 Q 6 CLK 3 4 1 PRE CLR A 74LS74 圖 12 下面將介紹一些有關(guān)觸發(fā)器的內(nèi)容： 觸發(fā)器，它是由門(mén)電路構(gòu)成的邏輯電路，它的輸出具有兩個(gè)穩(wěn)定的物理狀 態(tài)（高電平和低電

24、平） ，所以它能記憶一位二進(jìn)制代碼。觸發(fā)器是存放在二進(jìn)制 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)13 信息的最基本的單元。按其功能可為基本 RS 觸發(fā)器觸、JK 觸發(fā)器、D 觸發(fā)器 和 T 觸發(fā)器。 這幾種觸發(fā)器都有集成電路產(chǎn)品。其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)數(shù) JK 觸發(fā)器和 D 觸 發(fā)器。不過(guò)，深刻理解 RS 觸發(fā)器對(duì)全面掌握觸發(fā)器的工作方式或動(dòng)作特點(diǎn)是至 關(guān)重要的。事實(shí)上，JK 觸發(fā)器和 D 觸發(fā)器是 RS 觸發(fā)器的改進(jìn)型，其中 JK 觸發(fā) 器保留了兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，而 D 觸發(fā)器只保留了一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端。D 觸發(fā)器有 邊沿 D 觸發(fā)器和高電平 D 觸發(fā)器。74LS74 為一個(gè)電平 D 觸發(fā)器。 計(jì)數(shù)

25、器 74LS191 74LS191 的管腳圖如圖 13 CTEN 4 D/U 5 CLK 14 LD 11 MAX/MIN 12 RCO 13 A 15 QA 3 B 1 QB 2 C 10 QC 6 D 9 QD 7 74LS191 圖 13 3.2.1.3 校時(shí)電路 （一）電路如圖 14 所示 8 9 10 U10C 74LS00 12 3 U11A 74LS00 11 1213 U10D 74LS00 R3 3.3kC1 0.01uF S1 GND 1011 U8E 74LS04 1HZ S2/M2 Q2 +5V 圖 14 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)14 （二）電路的工作原

26、理 校時(shí)電路的作用是：當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者出現(xiàn)誤差時(shí)，校正時(shí)間。校時(shí) 是數(shù)字鐘應(yīng)具有的基本功能。一般電子表都具有時(shí)、分、秒等校時(shí)功能。為了 使電路簡(jiǎn)單，在此設(shè)計(jì)中只進(jìn)行分和小時(shí)的校時(shí)。校時(shí)有“快校時(shí)”和“慢校 時(shí)”兩種， “快校時(shí)”是通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對(duì) 1Hz 校時(shí)脈沖計(jì)數(shù)。 “慢校 時(shí)”是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作校時(shí)脈沖。圖中 S1 校分用的控制開(kāi)關(guān)，S2（總圖） 為校時(shí)用的控制開(kāi)關(guān)，它們的控制功能如表 4 所示，校時(shí)脈沖采用分頻器輸出 的 1Hz 脈沖，當(dāng) S1 或 S2 分別為“0”時(shí)可以進(jìn)行“快校時(shí)” 。如果校時(shí)脈沖由 單次脈沖產(chǎn)生器提供，則可以進(jìn)行“慢校時(shí)” 。 表 4 校時(shí)開(kāi)關(guān)的功

27、 能 S1S2 功能 11 計(jì)數(shù) 10 校分 00 校時(shí) 表 4 （三）對(duì)電路中所用的主要元件及功能介紹 在此電路中，用到的元器件有兩塊四 2 輸入與非門(mén) 74LS00 、一塊六反相 器 74 LS04、兩個(gè)電容、兩個(gè)電阻以及兩個(gè)開(kāi)關(guān)。 （1）四-2 輸入與非門(mén) 74LS00 集成邏輯門(mén)是數(shù)字電路中應(yīng)用十分廣泛最基本的一種器件，為了合理的使 用和充分利用其性能，必須對(duì)它的主要參數(shù)和邏輯功能進(jìn)行測(cè)試。74LS00 與非 門(mén)的主要參數(shù)為： 輸出高電平：指與非門(mén)有一個(gè)以上輸入端接地或接低電平時(shí)的輸出電平值。 輸出低電平：指與非門(mén)的所有輸入端均接高電平時(shí)的輸出電平值。 開(kāi)門(mén)電平：指與非門(mén)輸出處于額定低

28、電平時(shí)允許輸入高電平的最小值。 關(guān)門(mén)電平：指與非門(mén)輸出處于高電平狀態(tài)時(shí)允許輸入低電平的最大值。 電壓傳輸特性：是指門(mén)的輸出電壓隨輸入電壓而變化的曲線，由它可以得 到門(mén)電路的輸出高電平、輸出低電平、關(guān)門(mén)電平和開(kāi)門(mén)電平等。 低電平的輸出電源電流；是指輸入所有端都懸空，輸出端空載時(shí)，電源提 供器件的電流。 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)15 高電平輸出電源電流：是指輸出端空載，每個(gè)門(mén)各有一個(gè)以上的輸入端接 地，電源提供給器件的電流。 低電平輸入電流：是指被測(cè)輸入端接地，其余輸入端懸空時(shí)，由被測(cè)輸入 端流出的電流值。 高電平輸入電流：指被測(cè)輸入端接高電平，其余輸入端接地，流入被測(cè)輸 入端的電

29、流值。 扇出系數(shù)：門(mén)電路能驅(qū)動(dòng)同類(lèi)門(mén)的個(gè)數(shù)，它是衡量門(mén)電路負(fù)載能力的一個(gè) 參數(shù)，TTL 與非門(mén)有兩種不同性質(zhì)的負(fù)載，即灌電流負(fù)載和拉電流負(fù)載，因此 有兩種扇出系數(shù)。即低電平扇出系數(shù)和高電平扇出系數(shù)。 3.2.1.4 譯碼與顯示電路 （一）電路如圖 15 所示 BI/RBO4 RBI 5 LT 3 A 7 B 1 C 2 D 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 74LS48 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g DPY_7-SEG 圖 15 （二）電路的工作原理 譯碼是編碼的相反過(guò)程，譯碼器是將輸

30、入的二進(jìn)制代碼翻譯成相應(yīng)的輸出 信號(hào)以表示編碼時(shí)所賦予原意的電路。常用的集成譯碼器有二進(jìn)制譯碼器、二 十制譯碼器和 BCD7 段譯碼器、顯示模塊用來(lái)顯示計(jì)時(shí)模塊輸出的結(jié)果。 （三）對(duì)電路中的主要元件及功能介紹 （1）譯碼器 74LS48 譯碼器是一個(gè)多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼 進(jìn)行“翻譯” ，變成相應(yīng)的狀態(tài)，使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號(hào)輸出。譯碼器 在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示，還用于 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)16 數(shù)字分配，存儲(chǔ)器尋址和組合控制信號(hào)等。譯碼器可以分為通用譯碼器和顯示 譯碼器兩大類(lèi)。在電路中用的譯碼器是共

31、陰極譯碼器 74LS48，用 74LS48 把輸 入的 8421BCD 碼 ABCD 譯成七段輸出 a-g，再由七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。 74LS48 的管腳圖如圖 16。在管腳圖中，管腳 LT、RBI、BI/RBO 都是低電平是起 作用，作用分別為： LT 為燈測(cè)檢查，用 LT 可檢查七段顯示器個(gè)字段是否能正常被點(diǎn)燃。 BI 是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。 RBI 是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅。BI/RBO 是共用輸出端， RBO 稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端 RBI，在多位十進(jìn)制數(shù)表示時(shí)，把多 余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。也可用共陰譯碼器 74LS248，CD45

32、11。 圖圖 1616 BI/RBO 4 RBI 5 LT 3 A 7 B 1 C 2 D 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g14 74LS48 （2）顯示器 SM421050N 在此電路圖中所用的顯示器是共陰極形式，陰極必須接地。SM421050N 的 管腳功能圖如圖 17 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g DPY_7-SEG 圖 17 主體電路部分是由上面的以上的各個(gè)單元電路組成的。 3.2.2 擴(kuò)展功功能電路的設(shè)計(jì) 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)17 3.2.2.1 定時(shí)控制電路

33、數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧時(shí)” ；或?qū)δ逞b置的電 源進(jìn)行接通或斷開(kāi)“控制” 。不管是鬧時(shí)還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號(hào)的 開(kāi)始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。 （一）設(shè)計(jì)電路如圖 18 所示 1 2 4 5 6 UZ1A 74LS20 13 12 10 9 8 UZ1B 74LS20 4 5 6 UZ4B 74LS03 1 2 3 UZ4A 74LS03 1 2 3 UZ9A 74LS00 4 5 6 UZ9B 74LS00 RZ4 1K RZ3 22 LS1 SPEAKER Q1 3DG130 +5V SZ3 SW +5V 1KHZ RL 3.3K +5V 圖 18

34、（二）電路的工作原理 在這里將舉例來(lái)說(shuō)明它的工作原理。要求上午 7 時(shí) 59 分發(fā)出鬧時(shí)信號(hào)，持 續(xù) 1 分鐘。設(shè)計(jì)如下： 7 時(shí) 59 分對(duì)應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為，分32101()0111HQ Q Q Q 十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為，分個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為32102()0101MQ Q Q Q ，若將上述計(jì)數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過(guò)與門(mén)電路32101()1001MQ Q Q Q 去控制音響電路，就可以使音響電路正好在 7 點(diǎn) 59 分響，持續(xù) 1 分鐘后（即 8 點(diǎn)）停響。所以鬧時(shí)控制信號(hào) Z 的表達(dá)式為 0 11SQ2101202301()()()HMMZQ Q QQ QQ QM 式

35、中，M 為上午的信號(hào)輸出，要求 M=1。 如果用與非門(mén)實(shí)現(xiàn)的邏輯表達(dá)式為： 210122301()(0)()HMMZQ Q QMQ QQ Q 在該電路圖中用到了 4 輸入二與非門(mén) 74LS20，集電極開(kāi)路的 2 輸入四與非 門(mén) 74LS03，因 OC 門(mén)的輸出端可以進(jìn)行“線與” ，使用時(shí)在它們的輸出端與電源 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)18 +5V 端之間應(yīng)接一電阻 RL。RL 的值由下式?jīng)Q定： min max CCOH L OHIH VV R nImI max min CCOL L OLIL VV R ImI =0.4V,=0.4mA,=2.4V,=50uA,=8mA,=100U

36、a;m 為負(fù)載門(mén)maxOLVILIminOLVIHIOLIOHI 輸入端總個(gè)數(shù)。 取 RL=3.3K。如果控制 1KHz 高音和驅(qū)動(dòng)音響電路的兩極與非門(mén)也采用 OC 門(mén)，則 RL 的值應(yīng)該重新計(jì)算。 由電路圖可以看見(jiàn)，上午 7 點(diǎn) 59 分，音響電路的晶體管導(dǎo)通，則揚(yáng)聲器發(fā) 出 1KHz 的聲音。持續(xù) 1 分鐘到 8 點(diǎn)整晶體管因?yàn)檩斎攵藶椤?”而截止，電路 停鬧。 （三）對(duì)電路中所用的主要元件及功能介紹 在電路中所用到的元件有 74LS03，74LS20 等。 （1）四 2 輸入與非門(mén) 74LS03，只要輸入變量有一個(gè)為 0 則輸出為 1，只有輸入 全為 1，輸出才為 0. 74LS03 的

37、管腳圖如圖 19 圖 19 1 2 3 & 74LS03 （2）二 4 輸入與非門(mén) 74LS20，四個(gè)輸入端有一個(gè)為 0，則輸出為 1，只有全部 輸入為 1，輸出才為 0. 74LS20 的管腳圖如圖 20 所示。 1 2 4 5 6 & A 74LS20 圖 20 A 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)19 4.調(diào)試 在本設(shè)計(jì)中，為了設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，我在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行了部分調(diào)試，因?yàn)?電路太復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)箱上不可能整體電路進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試后，我就自己焊接了 一個(gè)試驗(yàn)板進(jìn)行調(diào)試。以確保最后能很好的完成其各部分功能。調(diào)試后，我就 畫(huà) PCB 圖，用來(lái)制印制板。因?yàn)?PCB 圖先畫(huà)，后經(jīng)過(guò)反復(fù)考慮

38、振蕩電路部分 改進(jìn)了，最后用的是 1MHZ 的晶振經(jīng)過(guò)三片 CD4518 六次分頻就能得到 1HZ 的 頻率。所以在印制板外加了一個(gè)振蕩部分電路。 4.1 主體電路部分 振蕩電路部分 我先用的是 32768HZ 的晶振和反向器 74LS00 接兩個(gè)電阻和兩個(gè)電容組成的 振蕩電路，產(chǎn)生 32768HZ 的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò) 15 級(jí)二分頻后得到 1HZ 的基準(zhǔn)脈沖。 擴(kuò)展部分所需的頻率可以從 5 級(jí)二分頻得到 1024HZ 六級(jí)二分頻得到 512HZ 但是 這樣用的集成塊較多，時(shí)間延遲較長(zhǎng)。用 555 產(chǎn)生多諧振蕩方波也可，就是精 確度和穩(wěn)定度不高。后來(lái)我就用的 1MHZ 的晶振產(chǎn)生 1MHZ 的頻

39、率經(jīng)過(guò) 74LS90 組 成的二-五-十的分頻器，可很好的擴(kuò)展部分所需的頻率。只是要用六塊 74LS90，后來(lái)我查了手冊(cè)，發(fā)現(xiàn) 4518 有兩片十進(jìn)制分頻器，功能與 74LS90 又 基本上相同，這樣就可少用集成塊，減少時(shí)間延時(shí)。 在現(xiàn)用電路調(diào)試中，晶振的輸出頻率為 1MHz，用三片 CD4518 組成了六 級(jí)十分頻電路，在調(diào)試中我對(duì)每級(jí)分路進(jìn)行了測(cè)試。在第一級(jí)分頻后出現(xiàn)的脈 沖信號(hào)為 100KHz，經(jīng)過(guò)第二級(jí)得到了 10KHz 的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，這樣一級(jí)級(jí)的分頻， 經(jīng)過(guò)六次分頻后得到了標(biāo)準(zhǔn)的 1Hz 脈沖信號(hào)。 計(jì)數(shù)電路部分 （1）小時(shí)計(jì)數(shù)部分 這部分電路較復(fù)雜，在第一次焊接完成后的調(diào)試顯示中，發(fā)

40、現(xiàn)小時(shí)的十位 沒(méi)有變化，經(jīng)過(guò)分析、檢查發(fā)現(xiàn) 74LS74 的 3 腳沒(méi)有接上。 （2）秒計(jì)數(shù)電路部分 這部分的調(diào)試中順利得到了結(jié)果即：秒計(jì)數(shù)器的個(gè)位能準(zhǔn)確以十進(jìn)制形式 計(jì)數(shù)；秒計(jì)數(shù)器的十位也能準(zhǔn)確以六進(jìn)制的形式計(jì)數(shù)。當(dāng)秒計(jì)數(shù)器的個(gè)位計(jì)數(shù) 到 9 后自動(dòng)向秒計(jì)數(shù)器的十位計(jì)數(shù)。 （3）分計(jì)數(shù)電路部分 東華理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)20 這部分的調(diào)試電路與秒計(jì)數(shù)器的電路一樣，在調(diào)試中不同的是秒計(jì)數(shù)電路 的個(gè)位計(jì)數(shù)器 74LS90 的 14 腳接入振蕩電路部分的輸出端，而分計(jì)數(shù)電路的個(gè) 位計(jì)數(shù)器 74LS90 的 14 腳本該接校時(shí)電路，但是由于校時(shí)電路作為最后調(diào)試的 電路， 所以在調(diào)試中 74LS90 的 14 腳與單次脈沖連接。 調(diào)試的結(jié)果是：這部分的結(jié)果與秒計(jì)數(shù)電路部分的結(jié)果一樣。 校時(shí)電路部分 在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)中，需要用到兩個(gè)校時(shí)電路，兩個(gè)校時(shí)電路的功能相同， 它們不同的是在電路的設(shè)計(jì)時(shí)，校分電路比校時(shí)電路少一個(gè)反相器，這是因?yàn)?74LS191 為高電平有效而 74LS90 為低電平有