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1、数字电子技术 项目七-数字钟电路设计与装调,项目要求,该电路要能够实现时、分、秒的显示，在整点时鸣响，并且具有时和分校时的功能。 项目目标 掌握数字钟的基本组成。 熟悉数字钟各组成部分的作用。 熟悉电路中信号的传递过程。,电路功能整体简介,数字钟一般由信号源、计数器、译码器/驱动器、显示器以及校时和报时等几部分组成。,专题1 信号源,专题目标： 掌握信号源的作用及制作。 掌握信号源的工作原理。 掌握分频电路的原理 理解怎样提高数字钟的时钟信号精度。,方案一：555集成定时器构成信号源,555集成定时电路构成振荡器：,方案二：采用石英晶体振荡器,利用石英晶体振荡器产生时间标准信号，经分频后得到秒
2、时间脉冲。因此数字钟的精度取决于石英晶体振荡器。从数字钟的精度考虑，晶振频率越高，钟的计时准确度就愈高，但这将使振荡器的耗电量增大，分频电路的级数也要增加，因此一般选取石英晶体频率为32678HZ（或100KHZ），这样也便于分频得到1HZ的信号。,分频电路的设计,石英晶体振荡器产生的32768HZ的时间标准信号，并不能用来直接计时，要把它分成频率为1HZ的秒信号，因此需对它进行215次分频。,专题2 计数及译码驱动电路,专题要求： 制作完成时、分、秒的计数电路以及译码驱动电路并检验其功能。 专题目标： 掌握构成N进制计数器的方法及电路的制作。 掌握译码器在电路中的作用，并完成电路搭建。 熟悉
3、计数器之间信号的传递过程。 熟悉电路的调试及故障分析。,7.2.1秒和分计数器的制作,秒和分计数器都是六十进制计数器，其连接方法可以完全相同。使用不同的集成块其连接方法也不尽相同，一般采用两只十进制计数器构成六十进制计数器。 1.选用集成块介绍 本设计推荐采用CD4518双十进制加法计数器。,六十进制计数器的实现 所谓六十进制计数器即该计数器每统计六十个脉冲信号，就完成了一个计数循环，然后再从头开始计数。在上图中，当第二只计数器计数到6时，即Q3Q2Q1Q00110，所以Q2和Q1上的高电平经过与非门和反相器输出高电平到CR端，对两只计数器同时清零，CR上的高电平维持时间很短，然后又恢复低电平
4、，计数器从头再开始计数。由于该计数器的有效状态是从0000 00000101 1001（059）共60个（0110 0000是暂稳态，不属于有效状态），所以在一个计数循环内共计数60个，所以这是一个六十进制的计数器。,利用这种方法就可以做出作出秒和分的计数器，那么分的时钟信号从哪里来呢？分的时钟信号是一分钟才来一个下降沿，也就是在秒完成一个计数循环时产生一个下降沿，把这个下降沿输入到分的时钟信号上即可，CR端上的信号满足这个要求，所以把秒计数器CR端和分的时钟信号直接相连即可。,7.2.2时计数器的制作,时计数器的制作还是选用CD4518，其实现方法和分、秒计数器的方法相类似。时计数器可以做成
5、二十四进制或者十二进制的，二十四进制的电路图如图,7.2.3译码驱动电路的制作,译码电路采用专用译码器。其功能是将“时”、“分”、“秒”计数器中计数的输出状态（8421BCD）翻译成七段数码管能显示十进制数所要求的电信号，然后经数码显示器，把数字显示出来。,数码管按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 CD4518的输出和CD4511的输入在进行连接时，一定要对应连接（即Q3-A3,Q2-A2,Q1-A1,Q0-A0）。,专题3 校时电路,专题要求： 制作完成时、分的校时电路。 专题目标： 掌握校时的原理 理解开关的消抖功能
6、,7.3.1方案一：用单刀双掷开关实现校时,用单刀双掷开关实现校时是最简单的一种方法， 如示意图 ： 校时功能的实现：以分计时电路为例。由前述已知，分计数器的时钟信号就是秒的进位信号，即一分钟才来一个下降沿，所以分计数器一分钟才计一个数，如果改变分计数器的时钟信号频率，使频率升高，例如改变为一秒钟就来一个下降沿，则分计数器的计数速度就变得很快，当在很短时间内跳变到标准时间时，再切换到原来分计数器正常计数的频率，这样就完成了对分计时器的校时。在图7.20中，标准信号就是1HZ的脉冲信号，进位信号就是秒向分的进位信号，而单刀双掷开关的1脚是和分计数器的时钟信号相连接。,7.3.2方案二：用门电路实
7、现校时,该电路由门电路和开关等组成，如图7-22所示。该校准电路可以用来实现校准时和分。正常工作时开关拨向右边，门5输出高电平，门4输出低电平，正常输入信号通过门3和门1输出，加到个位计数器的CP脉冲端。作为校“时”电路时正常输入信号是“分”进位信号，校准信号可以用秒脉冲信号，需要校准时将开关拨向左边，校准信号（秒脉冲）就可以通过门2和门1送到时个位计数器的计数输入端。“分”校准与“时”校准是相同的。只是输入信号不同。与非门5和与非门4构成的是一个基本RS触发器，开关打向右边时，即使开关有抖动，与非门5的输出都始终为高电平不变，实现了消抖功能。,专题4 整点报时电路,专题要求： 制作完成整点报
8、时电路，要求在差10秒到整点时开始产生每隔一秒鸣叫一次的响声，声音共6次，每次持续1秒。前五声为低音500HZ左右，后一声为高音1KHZ左右。 专题目标： 理解整点报时的电路原理。 熟悉整点报时电路的调试和故障分析。,根据在差10秒到整点时的计数器输出特点，可以有不同的设计方法，下面介绍一种利用与非门构成的整点报时电路。,当分和秒计数器计到59分50秒时，“分”十位QDQCQBQA0101，“分”个位QDQCQBQA1001，“秒”十位QDQCQBQA0101，“秒”个位QDQCQBQA0000，从59分50秒到60分0秒（0分0秒），只有“秒”个位在计数，最后到整点时全部置“0”。在59分5
9、0秒到59分59秒，门1的输入全为高电平，门2输入除“秒”个位QA外也是高电平，那么当秒个位QA0时门2输出低电平，这个时间正对应是50秒、52秒、54秒、56秒、58秒。在这几个时间点上，500HZ的振荡信号可以通过门3，再经过门4送出音响电路，发出五次音响。而当时间达到整点时，门2输出为1，500HZ的信号不能通过门3。此刻在分十位有一个反馈归零信号QCQB，把它引来触发由门6、门7构成的基本RS触发器并使门6的输出为高电平“1”，这时1KHZ振荡信号可以通过门5，再经门4，送入音响电路，在整点时，报出最后一响。触发器的状态保持1S时间后被“秒”个位QA作用回到零，整个电路结束报时。报时所
10、需的500HZ和1KHZ信号可以从分频电路中取出，频率分别为512HZ和1024HZ。,专题5 功能部件的装配和检修,专题要求： 根据前面已学知识制作完整的数字钟电路。 专题目标： 掌握数字钟功能部件之间的连接。 熟悉功能部件之间的信号传递。 熟悉数字钟的故障分析和排除方法。,7.5.1功能部件之间的连接,1时钟源与计数器及校时电路之间的连接 时钟源提供的信号（或分频信号）送至秒个位计数器的CP输入端；时钟源提供的信号同时送至校分电路和校时电路的校准输入端。 2计数器与计数器之间的连接 将秒计数器的清零信号送至校分电路的正常输入端作为向分计数器的进位信号；分计数器的清零信号送至校时电路的正常输
11、入端作为向时计数器的进位信号。 3计数器与译码显示器之间的连接 作为信号连接，将各计数器的Q3Q2Q1Q0分别送至相应译码器的DCBA端即可，并将每个译码器的输出与数码管的输入对应接入。 4计数器与整点报时电路之间的连接 按照原理图连接实物。,7.5.2数字钟的装配,1列出元器件清单 根据设计思想和设计方法，必须首先确定要使用哪些元器件，同时要考虑不同元器件间的电气特性的匹配问题，确保电路功能能够稳定实现。 2画出实物连接图 根据数字钟系统逻辑图，结合每个功能部件的设计方法，画出实物连接图，这样在装配时就可以根据实物连接图进行器件之间的实物连接。注意，要反复检查实物连接图的正确性，因为借助实物
12、连接图，可以很方便的进行故障分析。 3装配 （1）布局 本设计可以在面包板上进行安装插接，首先要熟悉面包板的结构和要使用的器件(个数、引脚等)，然后在面包板上对器件进行总体布局。 (2)连接顺序 根据实物连接图，按照信号的传递方向，逐级进行实物连接。注意，每完成一个功能部件都要验证该部件能够正确地实现功能，然后再连接下一级部件，这样做的最大好处在于提高电路制作的成功率。,（3）使用导线 使用线径为O.50.6mm的塑料单芯导线，要求线头剪成450斜口，以便能方便的插入面包板。线头剥皮长度约为68mm，使用时应全部插入，既保证良好接触，又避免裸露在外与其它导线发生短路。 (4) 布线 要求横平竖
13、直、整齐清楚，尽可能使用不同颜色的导线，以利检查。走线不要跨越集成电路。布线的顺序一般是先电源和地线，再布固定电平线，最后按照流程逐级连接信号线，以免漏线。 4调试 在调试之前一定要再认真检查电路，主要发现有无短路、集成块插反等明显的错误，避免烧坏集成块。通电，验证功能是否和设计要求相符合。实际上，如果每完成一个功能部件都验证该部件能够正确地实现功能，那么通电后，电路是能正常工作的；否则，就去检查部件之间的连线，就一定能够找到问题所在。,7.5.3故障分析,1秒对应的两位数码管无法计数 遇到这类故障，常用的方法就是从时钟源电路开始，逐级查找。用示波器观察时钟源电路的输出，观察是否有振荡信号输出
14、；也可以用一个LED指示灯来做一个简单的判断（LED 的阴极接地，阳极接时钟电路的输出），如果LED发光，则可以暂且认为时钟源电路是正常工作的。然后验证分频电路是不是正常工作的，用万用表判断时钟源电路的输出和分频电路的输入之间是正常连接的（使用万用表的电阻挡，两者之间的电阻为零），然后用LED观察分频电路的1HZ输出，如果LED一闪一闪，则可以判断分频电路是正常工作的，如果LED一直亮或者处于灭的状态，则要深入到分频电路的内部查找问题，有可能是内部连接的问题或者分频电路中的集成块没有工作，先用万用表的欧姆档判断集成块的电源、地和功能引脚是否可靠连接正确，然后再判断集成块之间的连线。 在排查完分
15、频电路之后，先检查秒个位计数器的CP是否有1HZ的脉冲信号输入，然后检查秒计数器的电源、地和功能引脚（尤其是CR端电压应该为零）是否可靠连接，然后检查该集成块的其他连线是否正确。 如果遇到秒的个位计数而十位无法计数，则要重点排查十位所对应计数器（CD4518）的CP输入和个位计数器的进位之间是否可靠连接。 在此要提醒读者注意的是：用万用表判断两个引脚之间是否可靠连接，就是测两个引脚之间的电阻是否为零，如果不为零则说明没有实际导通，有可能存在虚接现象。 分和小时的计数问题也可以采用上述方法，他们的工作原理是一样的。,2秒对应的两位数码管不是60进制计数 遇到计数器能够计数但是模不是60时，要重点
16、查找秒十位计数器的Q2Q1输出端和CR端之间连接是否正确。先检查秒计数器在连接过程中所使用到的与非门和反相器集成块的电源和地是否可靠连接，然后检查秒十位计数器的Q2Q1输出端和与非门的输入之间，与非门的输出和反相器的输入之间，反相器的输出和秒计数器集成块的CR之间的连接是否正确。 也不排除所使用到的与非门和反相器集成块被损坏，读者可以思考怎样判断这两个集成块是否正常工作？,3分计数器无法计数 可以先采用故障1的排除方法，在此基础上重点排查秒的进位信号和分计数器的CP之间的连线是否正确。 4整点时不报时 这种情况最好的办法就是去排查电路的连线是否正确，大部分都是因为线路的连接错误而出现这种故障。还要排查与非门和反相器集成块的电源和地是否连接正确。如果是五声低音不能正常发声，可以参照图7-23 门电路构成的报时电路，将3号与非门的1脚置1，如果能够发出声音则可以断定是3号与非门的左半部分电路出现的问题，否则就去查右半部分。如果五声低音可以正常发声，最后一声高音不能正常发音，重点检查的对象就是与非门4、5、6、7的连接。总之，遇到这种问题时，
