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1、数字钟数字逻辑课程设计报告 (2009-01-05 09:35:09)标签：数字钟进制 led 数码管计数分类：日志器晶体振荡器数字逻辑 课程设计报告 杂谈设计目的熟悉集成电路的引脚安排.掌握各芯片的逻辑功能及使用方法.了解面包板结构及其接线方法.了解数字钟的组成及工作原理.熟悉数字钟的设计与制作.设计要求1. 设计指标时间以 24 小时为一个周期;显示时 , 分, 秒;有校时功能 , 可以分别对时及分进行单独校时, 使其校正到标准时间;计时过程具有报时功能, 当时间到达整点前5 秒进行蜂鸣报时;为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号.2. 设计要求画出电路原理图( 或仿真
2、电路图 );元器件及参数选择;电路仿真与调试;PCB文件生成与打印输出.3. 制作要求 自行装配和调试 , 并能发现问题和解决问题 .4. 编写设计报告 写出设计与制作的全过程 , 附上有关资料和图纸 , 有心得体会 .设计原理及其框图1. 数字钟的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 3-1所示为数字钟的一般构成框图 .图 3-1数字钟的组成框图晶体振荡器电路晶体振荡器电路给数字钟
3、提供一个频率稳定准确的32768Hz 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.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 .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60 进制计数器 , 而根据设计要求 , 时个位和时十位计数器为12 进制计数器 .译码驱动电路译码驱动电路将计数器输出的 8421
4、BCD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 .数码管数码管通常有发光二极管(LED) 数码管和液晶(LCD) 数码管 , 本设计提供的为LED数码管 .2. 数字钟的工作原理1) 晶体振荡器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.图 3-2 所示电路通过 CMOS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 ,CMOS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
5、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性, 从而保证了输出频率的稳定和准确 .晶体 XTAL的频率选为 32768HZ. 该元件专为数字钟电路而设计, 其频率较低 , 有利于减少分频器级数 .从有关手册中 , 可查得 C1,C2 均为 30pF. 当要求频率准确度和稳定度更高时, 还可接入校正电容并采取温度补偿措施 .由于 CMOS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
6、电阻有利于提高振荡频率的稳定性 .非门电路可选74HC00.图 3-2 COMS晶体振荡器2) 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2 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(215), 即实现该分频功能的计数器相当于 15 极 2 进制计数器 . 常用的 2 进制计数器有 74HC393等.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 CD40
7、60还包含振荡电路所需的非门 , 使用更为方便 .CD4060计数为 14 级 2 进制计数器 , 可以将 32768HZ的信号分频为2HZ,其内部框图如图3-3所示 , 从图中可以看出,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3-3 CD4046内部框图3) 时间计数单元时间计数单元有时计数, 分计数和秒计数等几个部分.时计数单元一般为元为 60 进制计数器12 进制计数器计数器, 其输出为两位, 其输出也为8421BCD码 .8421BCD码形式; 分计数和秒计数单一般采用10 进制计数器74HC390来实现时间计数单元的计数功能. 为减少器件使用数
8、量, 可选 74HC390,其内部逻辑框图如图 2.3 所示 . 该器件为双 2 5-10 异步计数器 , 并且每一计数器均提供一个异步清零端 ( 高电平有效 ).图 3-4 74HC390(1/2) 内部逻辑框图秒个位计数单元为10 进制计数器 , 无需进制转换 , 只需将 QA与 CPB(下降沿有效 ) 相连即可.CPA( 下降没效 ) 与 1HZ 秒输入信号相连 ,Q3 可作为向上的进位信号与十位计数单元的 CPA 相连 .秒十位计数单元为6进制计数器 , 需要进制转换 . 将 10 进制计数器转换为 6 进制计数器的电路连接方法如图3-5所示 , 其中 Q2 可作为向上的进位信号与分个
9、位的计数单元的CPA相连 .图3-5 10进制6 进制计数器转换电路分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同, 只不过分个位计数单元的Q3 作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CPA相连 , 分十位计数单元的Q2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的CPA相连 .时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同, 但是要求 , 整个时计数单元应为12 进制计数器 , 不是 10 的整数倍 , 因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行12 进制转换.利用 1片 74HC390实现 12 进制计数功能的电路如图3-6 所示 .另外,图 3-6所示电路中 , 尚余
10、-2 进制计数单元 , 正好可作为分频器 2HZ输出信号转化为 1HZ信号之用 .图 3-6 12进制计数器电路4) 译码驱动及显示单元计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出 , 选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流, 选用 CD4511作为显示译码电路, 选用LED数码管作为显示单元电路.5) 校时电源电路当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正. 通常 , 校正时间的方法是: 首先截断正常的计数通路, 然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端, 校正好后 , 再转入正常计时状态即可.根据要
11、求 , 数字钟应具有分校正和时校正功能, 因此 , 应截断分个位和时个位的直接计数通路,并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中. 图 3-7 所示即为带有基本RS触发器的校时电路,图 3-7带有消抖动电路的校正电路6) 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语音提示.根据要求 , 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. 报时电路选74HC30,选蜂鸣器为电声器件.元器件1. 实验中所需的器材5V电源 .面包板 1 块.示波器 .万用表 .镊子 1把.剪刀 1把.网络线 2 米/ 人.共阴八段数码管6 个.CD4511集成块 6 块 .CD4060集成块 1 块 .74HC390集成块 3 块.74HC51集成块 1 块 .74HC00集成块 5 块 .74HC30集成块 1 块 .10M电阻 5 个.500 电阻 14 个 .30p 电容 2 个 .32.768k 时钟晶体1 个 .蜂鸣器 .2. 芯片内部结构图及引脚图图 4-1 7400四 2 输入与非门图 4-2 C
