数字时钟设计(毕业论文)[28页]

《数字时钟设计(毕业论文)[28页]》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字时钟设计(毕业论文)[28页]（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、目录前言:1设计目的32.设计功能要求33 电路设计43.1设计方案43.2单元电路的设计43.2.1主体电路部分53.2.1.1振荡电路53.2.1.2计数电路93.2.1.3 校时电路143.2.1.4译不马与显示电路163.2.2扩展功功能电路的设计183.2.2.1定时控制电路184.调试204.1主体电路部分214.2扩展电路部分225总结22致谢23参考文献2426附录刖R :中国是世界上最早发明计时仪器的国家。有史料记载，汉武帝太初年 间（纪元前104-101年）由落下阂创造了我国最早的表示天体运行的仪器 浑天仪。东汉时期（公元130年）张衡创造了水运浑天仪，为世界上 最早的以水

2、为动力的观测天象的机械计时器，是世界机械天文钟的先驱。 盛唐时代，公元725年张遂（又称一行）和梁令瓒等人创制了水运浑天铜 仪，它不但能演示天球和日、月的运动，而且立了两个木人，按时击鼓， 按时打钟。第一个机械钟的灵魂一一擒纵器用于计时器，这是中国科学家 对人类计时科学的伟大贡献。它比十四世纪欧洲出现的机械钟先行了六个 世纪。第一只石英钟出现在二十世纪二十年代，从三十年代开始得到了推广, 从六十年代开始，由于应用半导体技术，成功地解决了制造日用石英钟问 题，石英电子技术在计时领域得到了广泛的应用。并取代机械钟做了更精 确的时间标准。早在1880年，法国人皮埃尔居里和保罗雅克居里就 发现了石英晶

3、体有压电的特性，这是制造钟表“心脏”的良好材料。科学 家以石英晶体制成的振荡计时器和电子钟组合制成了石英钟。经过测试， 一只高精度的石英钟表，每年的误差仅为3-5秒。1942年，著名的英国格 林尼治天文台也开始采用了石英钟作为计时工具。在许多场合，它还经常 被列为频率的基本标准，用于日常测量与检测。大约在1970年前后，石 英钟表开始进入市场，风靡全球。随着科学的进步，精密的电子元件不断 涌现，石英钟表也开始变得小巧精致，它既是实用品，也是装饰品。它为 人们的生活提供方便，更为人们的生活增添了新的色彩。在现行情况下 根据简单实用强的、走时准确进行设计。而实验证明，钟表的振荡部分采 用石英晶体作

4、为时基信号源时，走时更精确、调整更方便。钟是一种计时 的器具，它的出现开拓了时间计量的新里程。提起时钟大家都很熟悉，它 是给我们指明时间的一种计时器，并且我们每天都要用到它。二十世纪八 十年代中国的钟表业经历了一场翻天覆地的大转折。其表现在三个方面:(1) 从生产机械表转为石英电子表;(2) 曾占据中国消费市场四十多年的大型国有企业突然被刚刚冒起的 “组业”所取代，钟表生产中心转向中国南方沿海一带；(3) 中国钟表业发展从以机芯为龙头改为以手表外观件为龙头。这场转折以迅雷不及掩耳的速度，冲击着传统的中国钟表工业。中国的 钟表业从技术简单、零件少的石英钟机芯制造入手。最初石英钟机芯全 靠从日本、

5、德国进口，1989年开始完全自己生产，包括模具的制造加工。 近十余年，逐渐提高机芯质量的稳定性，同时转向对手表机芯研制与开 发。目前石英钟表机芯生产主要在福建省福州、广东东莞、番禺；机械 钟表机芯在上海、山东等地。现在我国的电子业发展非常快速，电子业的发展有利于钟表业的发 展。在中国钟表发展史上，国产机芯研制的失败已经成为过去，“组装 业”作为新兴钟表工业的起步阶段也已成为过去。一支新的充满智慧的 钟表精英在成长。我们相信在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子 工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。 我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新，培育出

6、拥有 自主知识产权的品牌。这正是中国钟表业发展的希望。数字钟被广泛用于个人家庭，车站，码头、办公室等公共场所,成为人 们日常生活中的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的 广泛应用，使得数字钟的精度，运用超过老式钟表，钟表的数字化给人们 生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。 诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自 动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动 启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及 扩大其应用，有着非常现实的意义。1设计目的设计一种多功能数字钟，该数字钟具有基本功能和扩展功能两

7、部分。 其中，基本功能部分的有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间 和校时功能。扩展功能部分则具有：定时控制、自动报整点时数和触摸 报正点的功能。数字钟的电路也是由主体电路和扩展电路两部分构成， 在电路中，基本功能部分由主体电路实现，而扩展功能部电路实现。这 两部分都有一个共同特点就是它们都要用到振荡电路提供的1Hz脉冲信 号。在计时出现误差时电路还可以进行校时和校分，为了使电路简单所 设计的电路不具备校秒的功能。并且要用数码管显示时、分、秒，各位 均为两位显示，扩展部分要有相应的响应电路。分则由扩展2设计功能要求基本功能：(1) 时的计时要求为“12翻1”，分和秒的计时要求为60进制(2

8、) 准确计时，以数字形式显示时，分，秒的时间(3) 校正时间扩展功能：(1) 定时控制；(2) 仿广播电台报时功能；(3) 自动报整点时数；(4) 触摸报整点时数；3 电路设计3.1设计方案秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器个位进位，分计数器计满60后 向小时计数器个位进位并且小时计数器按照“12翻1”的规律计数。计 数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时电路进行校时、校分、 校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行扩展功能。3.2单元电路的设计数字电子钟的设计方法很多种，例如，可用中小规模集成电路组成 电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电

9、子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等。在本次设计，电路是由许多单元电路组成的，因此首先必须对各 个单元电路进行设计。3.2.1主体电路部分主体电路部分的电路主要由振荡电路、计数电路、显示电路以及校时 电路四大部分组成。下面将对各部分电路进行设计。3.2.1.1振荡电路振荡电路由振荡器和分频器产生1Hz时钟脉冲和扩展部分所需的频 率，下面对振荡器和分频器两部分进行介绍。(1) 振荡器数字电路中的时钟是由振荡器产生的，振荡器是数字钟的核心。振 荡器的稳定度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说， 振荡器的频率越高，计时精度越高。它利用某种反馈方式产生时钟信号。 对数字电路来说，振荡器的输

10、出的幅度范围为0v-5v的方波信号而不是 锯齿波、三角波或其他形式。典型的振荡器是弛豫振荡器，它通过一个 RC网络将反相器的输出反馈回来并存在一定的工作延迟时间。基本的电 路如图2所示。7 40 4T? 07 40 4卅在上述电路中，RI-C网络由第一个反相器驱动，具有RC特性曲线 的响应信号被反馈给反相器的输入。当电容上的电压达到施密特触发器 输入反相器的门限电压的时候，反相器的状态发生改变，并输出一个新 的电压值。这个输出电压经过一定的延迟时间再次通过RI-C反馈回来, 直到电容电压再次达到门限电压为止。用施密特触发器输入器件(如74HC04),但是由于电容的参考电压 在每个临界点都耍发生

11、变化，所以施密特触发器不是必需的。由于电容 与输出相连，每次状态改变时，电容的充电电压会超过5V。从这一点来 说，输出电压会改变电容的充电电压，直到电容两端的电压变为74HC04 的门限电压（2.5V）为止。振荡器输出状态的改变发生在电容上的电压 达到2. 5V时。弛豫振荡器对许多低成本而精度要求又不高的场所非常适合，但是 并不推荐在任何有精度要求的实际应用电路采用它。如果想要获得高的精度，就应该在振荡电路中使用石英晶体作振源。 在数字钟的设计与制作中应采用石英晶体振荡器，因为石英晶体具有压 电效应，是一个压电器件。当交流电压加在晶体两端，晶体先随电压变 化产生对应的变化，然后机械振动又使晶体

12、表面产生交变电荷。当晶体 几何尺寸和结构一定时，它本生有一个固定的机械频率。当外加交流电 压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电 荷量最多，外电路的交流电流最强，于是产生振荡，因此将石英晶体按 一定方位切割成片，两边傅以电极，焊上引线，再用金属或玻璃外壳封 装即构成石英晶体。石英晶体的固有频率十分稳定。另外石英晶体的振 动具有多谐性，除了基频振动外，还有奇次谐次泛音振动，对于石英晶 体，既可利用基频振动，也可利用泛音振动。前者称为基频晶体，后者 称为泛音晶体，晶片厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片 厚度越薄。将石英晶体作为高Q值谐振回路元件接入反馈电路中，就组

13、 成了晶体振荡器。在设计中所用的振荡器的电路图如图3所示。该电路 能产生1MHz的方波脉冲振荡信号。图3(2) 分频器分频器的作用是将由石英晶体产生的高频信号分频成基时钟脉冲信 号和扩展部分所需的频率。在此电路中，分频器的功能主要有两个：一 是产生标准脉冲信号；二是功能扩展电路所需的信号，如仿电台用的lKHz 的高频信号和500Hz的低频信号等在此电路中作为分频器的元件 是:CD4518oCD4518可以组成二分频电路和十分频电路。用CD4518组成二分频 的电路如图4；用CD4518组成十分频的电路如图5；在本次设计中所用 的分频器的电路图如图6。电路经过十分频后将晶振来的1MHz的振荡脉

14、冲变为1Hz的脉冲信号，该信号作为计数器的计数脉冲使用。输入00输出EN0CrCP输入CrCP输出清零1MHZ AAA图6输入输出CKCREN上升沿LH加计数LL上升沿加计数下降沿LXXL上升沿保上升沿LL持HL下降沿XLX全为L上表:CD4518的功能表振荡器和分频器两部分构成振荡电路，它的电路图如图7所示。根据图7可知电路的工作原理是：石英晶体振荡器提供的频率为 1MHz, CD4518组成十分频电路。并且一个CD4518可以组成两个十分频 电路即：CD4518的引脚2与引脚6组成一个十分频电路而引脚10与引 脚14组成另一个十分频电路。晶振的输出接入第一块CD4518的输入引 脚2,经过一次十分频，频率变为lOOKHz。输出引脚6接入同一块CD4518 的引脚10经第二次分频，频率变为lOKHzo输出引脚接人第二块CD4518 的输入引脚2再经一次分频，频率变为lKHz。这样经过六次分频最后可 以得到1Hz的频率。AAA 740474041 MHZ5-25 pF74041 KO.OluFENQ0CKQiQ2CLRQ3A451834 y62TENQ0ACKQiQ2CLRQ3A451 83461 KHZAENQ0CKQiQ2CLRQ3245183TTENQOICKQi7Q2ICLRQ3A10KHZ451834y62TENQ（）CKQiQ2CLRQ3