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1、娄底职业技术学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目 多功能数字钟设计与制作 学生姓名 学 号 专 业 应用电子技术 班 级 06 级电子大一班 指导教师 老师 完成日期 2008 年 12 月 30 日 湖南省娄底职业技术学院教务处制 2 目录 摘要摘要 3 前言 3 1 数字钟的组成和基本工作原理 4 1 1 振荡器 5 1 2 分频器电路 5 1 3 计数器 5 1 4 译码显示电路 5 1 5 校时电路 5 1 6 报时电路 5 2 设计步骤与方法 6 2 1 振荡电路 6 2 2 分频器电路 6 2 3 计数器 7 2 3 1 计数器六十进制的接法 8 2 3 2 二十四进制计数器
2、的接法 8 2 4 译码显示电路 10 2 5 校时电路 11 2 6 整点报时电路 12 2 6 1 控制门电路部分 12 2 6 2 音响电路部分 13 3 组装与调试 15 3 1 接通电源逐步调试 15 3 2 按顺序对电路连线和调试 15 4 结束语 15 5 附录 16 6 参考文献 17 3 多功能数字钟设计与制作多功能数字钟设计与制作 学生 指导老师 娄底职业技术学院 摘要摘要 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 安装使用也方便 同时在日期中 它以
3、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 关键字关键字 晶体振荡器 分频器 计数器 显示器和校时电路 前言前言 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 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
4、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
5、 电路主要使用集成计数器 例如 CD4060 CD4518 译码集成电路 例如 CD4511 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 本次毕业设计得到娄底职业技术学院电子信息工程系钟新跃老师的大力支持 他 提出了许多的意见和建议 在此表示衷心的感谢 由于本人能力有限 在设计中难免会出现错误与不足 希望各位老师及读者给予 批评并提出宝贵意见 4 1 数字钟的组成和基本工作原理数字钟的组成和基本工作原理 数字钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路 它的计时周期是 24 小时 由于计数器的起始时间不可能与标准时间 如北京时间 一致所以采用校
6、准功能和报 时功能 数字钟电路主要由译码显示器 校准电路 报时电路 时计数 分计数 秒计数 器 振荡电路和单次脉冲产生电路组成 其中电路系统由秒信号发生器 时 分 秒 计数器 译码器及显示器 校准电路 整点报时电路组成 秒信号产 生器是整个系统的时基信号 它直接决定计时系统的精度 一般用石英晶体振荡器加 分频器来实现 将标准秒信号送入 秒计数器 秒计数器 采用 60 进制计数器 每累计 60 秒发出一个 分脉冲 信号 该信号将作为 分计数器 的时钟脉冲 分 计数器 也采用 60 进制计数器 每累计 60 分钟 发出一个时脉冲信号 该信号将被 送到时计数器 时计数器采用 24 进制计时器 可实现
7、对一天 24 小时的计时 译码显 示电路将 时 分 秒 计数器的输出状态通过显示驱动电路 七段显示译 码器译码 在经过六位 LED 七段显示器显示出来 整点报时电路时根据计时系统的输 出状态产生一个脉冲信号 然后去触发一音频发生器实现低 高音报时 校准电路时 用来对 时 分 秒 显示数字进行校对调整的 如图 1 所示多功能数字钟 的组成框图 译码驱动译码驱 动 时十位 计数 分频器 电路 分频器 电路 振荡器电 路 译码驱动译码驱动译码驱动译码驱 动 时个位 计数 分十位 计数 分十位 计数 秒十位 计数 秒十位 计数 校时电 路 校分电 路 图 1 数字钟组成框图 5 1 1 振荡器振荡器
8、振荡器是数字钟的核心 其的作用是产生一个频率标准时间频率信号 然后再由分频 器分秒脉冲 因此 振荡器频率的精度与稳定度基本决定了数字电子钟的质量 振荡器的 稳定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 采用石英晶体振荡器经过分频 得到这一个频率稳定准确的 32768Hz 的方波信号 保证数字钟的走时准确及稳定 1 2 分频器电路分频器电路 分频器电路将 32768 z 的高频方波信号经 32768 215 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 本次设计是运用了 CD4060
9、分频器进行分频 分频电路可提供 512HZ 和 1024HZ 的频率 在经 CD4040 分频器进 行一分频 为此电路输送一秒脉冲 1 3 计数器计数器 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 60 进制计 数器 通常用 2 个十进位计数器的集成片组成 其中 秒 个位是十进制 秒十位为六进制 可采用反馈归零变 秒 十位为六进制 实现秒的六十进制 分 计数器原理也一样 而 根据设计要求 1 4 译码显示电路译码显示电路 是将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来 被人们的视觉器官所接受 显示器 件选用
10、 LED 七段数码管 在译码显示电路输出信号的驱动下 显示出清晰 直观的数 字符号 并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流 1 5 校时电路校时电路 实际的数字钟电路由于秒信号的精确性和稳定性不可能做到完全 绝对 准确无误 加之电路中其它原因 数字钟总会产生走时误差的现象 因此 电路中就应该有校准 时间功能的电路 1 6 报时电路报时电路 当数字钟显示整点时 应能报时 要求当数字钟的 分 和 秒 计数器计到 59 分 50 秒时 驱动音响电路 要求每隔一秒音响电路呜叫一次 每次叫声的时间持续 1 秒 10 秒钟内自动发出五声呜叫 且前四声低 最后一声高 正好报整点 6 2 设计步骤与方法设
11、计步骤与方法 2 1 振荡电路振荡电路 晶体振荡器是构成数字式时钟的核心 它保证了时钟的走时准确及稳定 如图 2 所示电路通过非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路 这个电路中 非门 U1 与 晶体 电容和电阻构成晶体振荡器电路 U2 实现整形功能 将振荡器输出的近似于正 弦波的波形转换为较理想的方波 输出反馈电阻 R1 为非门提供偏置 使电路工作于放 大区域 即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器 电容 C1 C2 与晶体构成一个 谐振型网络 完成对振荡频率的控制功能 同时提供了一个 180 度相移 从而和非门 构成一个正反馈网络 实现了振荡器的功能 由于晶体具有较高的频率稳定性及准确
12、性 从而保证了输出频率的稳定和准确 晶体 XTAL1 的频率选为 32768Hz 其中 C1 的 值取 5 20 pF C2 为 30pF C1 作为校正电容可以对温度进行补偿 以提高频率准确度 和稳定度 由于电路的输入阻抗极高 因此反馈电阻 R1 可选为 10M 较高的反馈电 阻有利于提高振荡频率的稳定性 图 2 振荡电路图 2 2 分频器电路分频器电路 由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 实现分频器的电路是计数器电路 一般采用多级 2 进制计数 器来实现 例如 将 32767Hz 的振荡信号分频为 1Hz 的分频倍数为 327
13、67 2 即 实现该分频功能的计数器相当于 15 极 2 进制计数器 本实验中采用 CD4060 来构成分 频电路 CD4060 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 计数为最高为 14 级 2 进制计数器 首先由 U1 CD4060 的 Q14 第 3 脚 产生 2Hz 的振荡信号 然后由二进制计数器 CD4040 和两个 U3A 74LS20 U3B 74LS20 组成 120 计数器分频 从 U3B 的输出端输出一个的分脉冲 作 为分钟计数器的分钟信号 按键开关 S 作为分钟调时有手动脉冲开关 每按动一次 从 U
14、3B 的输出端输出一个脉冲 同时 U2 的 Q1 管脚输出秒脉冲信号驱动发光二极管 LED1 LED2 作为秒指示 因为 2Hz 的信号经 1 位二进制计数器分频后为 1Hz 如图 3 7 所示 图 3 分频电路 2 3 计数器计数器 秒脉冲信号经过级计数器 分别得到 秒 个位 十位 分 个位 十位以及 时 个 位 十位的计时 秒 分 计数器为 60 秒为 1 分 60 分为 1 小时 24 小时为 1 天的计 数周期 分别组成两个六十进制 秒 分 一个二十四进制 时 的计数器 将这 些计数器适当地连接 就可以构成秒 分 时的计数 实现计时的功能进制计数器 它们都可以用两个 二 十进制 计数器
15、来实现 六十进制计数器和二十四进制计数器 均可由双 BCD 加法计数器 CC4518 组成 因为一片 CC4518 内含有两个十进制计数器 因此用一片 CC4518 就可以构成六十进制或二十四进制计数器了 选取 CC4518 和与非 门 CC4511 采用反馈复位法构成的六十进制和二十四进制加法计数器电路分别见图 4 a 和图 4 b 所示 1Cp 1 1EN 2 1Cr 7 1Q1 3 1Q2 4 1Q3 5 1Q4 6 Vss 8 Vdd 16 2Cr 15 2Q4 14 2Q3 13 2Q2 12 2Q1 11 2EN 10 2CP 9 A 4518 1 VCC 位位位位 5V 位位位位
16、位位位位位 图 4 a 计数器六十进制 8 2 3 1 计数器六十进制的接法计数器六十进制的接法 图 4 a 个位为十进制 故 EN 1 Cr 0 计数到 9 以后自动清零 向高位进位信号采用 Q4Q3Q2Q1 1001 将 Q4 Q1送入与非门 与非门的输出可以做进位信号 因为 当 Q4 Q1不 同时为 1 Y 为 1 当 Q4 Q1同时为 1 时 Y 为 0 同时计数器到 9 后自动清零 这时 Y 又变为 1 即出现了一个上升沿 十位接成六进制 利用 Q4Q3Q2Q1 0110 的信号清零 同时结合高位进位 2 3 2 二十四进制计数器的接法二十四进制计数器的接法 个位为进制计数器 当计数器计数到 24 时 即十位为 0010 个位为 0100 时 同时清零 达到了二十四进制计数器的目的 即高位的 Q2 底位的 Q3送入与非门做清零信号 如图 4 b 二十四进制计数器 1Cp 1 1E N 2 1Cr 7 1Q1 3 1Q2 4 1Q3 5 1Q4 6 Vss 8 Vdd 16 2Cr 15 2Q4 14 2Q3 13 2Q2 12 2Q1 11 2E N 10 2CP 9 A 4
