电子课程设计数字钟设计.doc

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1、重庆大学电子技术基础课程设计 摘要摘 要数字电子钟广泛应用于各类场合，数字电路具有电路简单、可靠性高、成本低等优点，本设计以数字电路为核心来设计数字电子钟。数字电子钟是采用数字电路实现对时,分,秒数字显示的计时装置。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度等超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且扩展了钟表的报时功能。本设计电路由计时电路、动态显示电路、控制电路、显示电路等部分组成，在数码管上显示24小时计时的时刻，并且具有校时、报时的功能。 数字钟计时的标准信号应该是频率相当稳定的1HZ秒脉冲，所以以石英晶体振荡器设置标准时间源。数字钟计时周

2、期是24小时，因此必须设置24小时计数器，为使数字钟走时与标准时间一致，设计了校时电路。设计中采用开关控制校时直接用秒脉冲分别对“时”，“分”计数器进行校时操作。能进行整点报时，在从59分50秒开始，每隔1秒钟发出一次“嘟”的信号，连续10次，此信号结束达到整点。关键字 报时电路 校时电路 振荡器 分频器 译码器 计数器 I重庆大学电子技术基础课程设计 目录目录摘 要I一 设计任务11.1目的11.2设计要求及指标1二 数字电子钟的组成和基本工作原理22.1 振荡器32.2 分频器32.3 计数器42.4 译码显示电路52.5 校时电路62.6 报时电路6三 设计步骤与方法73.1 振荡电路7

3、3.2 分频器电路83.3 计数器83.4 译码显示电路103.5 校时电路113.6 整点报时电路11四 电路板的组装、焊接与调试124.1 电路板的组装、焊接124.2 调试原则及顺序124.3 调试过程中出现的问题及解决方法。13五 总结14六 收获与体会15致 谢16附 录17附录A 元件清单17附录B 元件管脚图18附录C protues仿真图19参 考 文 献20II重庆大学电子技术基础课程设计 设计任务 一 设计任务 设计一个具有计时、显示“时、分、秒”、校时功能和整点报时功能的数字电子钟。 1.1目的（1）掌握数字电子钟的设计方法； （2）掌握常用数字集成电路的功能和使用。1.

4、2设计要求及指标(1)时间计数电路采用24进制，从00开始到23后再回到00；(2)各用2位数码管分别显示时、分、秒；(3)具有手动校时和校分功能，可以分别对时、分进行单独校正；(4)计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器共10次。设计相关提示：(1)为了保证计时的稳定及准确，须由晶体振荡器提供时间基准信号；(2)数字钟由晶体振荡器、计数器、译码器和显示器电路所组成；(3)振荡器产生的时钟信号经过分频器形成1秒信号，秒信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来20重庆大学电子技术基础课程设计 数字电子钟的组成和基本工作原理 二 数字电子钟的组成

5、和基本工作原理数字电子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）一致所以采用校准功能和报时功能。数字钟电路主要由振荡电路、校准电路、报时电路、时计数、分计数、秒计数器，译码显示器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，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

6、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。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，然后去触发蜂鸣器实现报时。校准电路时用来对“时”、“分”显示数字进行校对调整的。数字电子钟原理如图2-1所示。石英晶体振荡器和分频器产生稳定的校时信号（2Hz）和“秒”计时信号(1Hz)。对“秒”计时信号进行60进制计数，形成“分”计时信号和秒计数值；再对“分”计时信号进行60进制计数，形成

7、“时”计时信号和分计数值；进一步对“时”计时信号进行24进制计数得到时计数值。秒计数值、分计数值和时计数值译码显示时间。“秒”计时信号1HZ32768Hz校时信号2Hz译码驱动译码驱动时十位计数分频器电 路分频器电 路晶体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控制电路校分控制电路图2-1 数字钟组成框图2.1 振荡器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,然后再由分频器得到秒脉冲,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，本设计选用晶体振荡器电

8、路，保证数字钟的走时准确及稳定。2.2 分频器分频器电路将32768z的高频方波信号经HC4060后16384（214）次分频后得到2Hz的方波信号，然后信号再经过74LS74分频产生1HZ信号供秒计数器进行计数，为此电路输送一秒脉冲。分频器实际上也就是计数器。HC4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，RESET为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主从触发器。图2-2 HC4060原理图2.3 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

9、“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。“时”计数器直接采用反馈清零法来实现24进制。本设计中采用的计数器为74ls60，74LS160是中规模集成同步十进制加法计数器，具有异步清零和同步预置数的功能。使用74LS160通过置零法或置数法可以实现任意进制的计数器。先对74LS160的基本功能进行测试，并将计数器的工作状态填入表2-3中。l 异步清零：当 0时，Q 0Q1Q2Q30。l 同步预置：当 0时，在时钟脉冲

10、CP上升沿作用下，Q 0D0，Q1D1， Q2D2，Q3D3。l 锁存：当使能端 EPET=0时，计数器禁止计数，为锁存状态。l 计数：当使能端EPET1时，为计数状态。时钟CP异步清除同步置数EP ET工 作 状 态0 异步清零10 同步预置110 1锁存11 0 锁存111 1计数表2-3 74LS160的逻辑功能表2.4 译码显示电路 将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来。显示器件选用LED七段数码管。在七段显示译码器7448输出信号的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。 表2-4 七段显示译码器7448真值表2.5 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绝对准确无

11、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。由于开关的灵敏性问题，容易造成在校时很不稳定，一般在校时电路中加入防抖动电路，这样才能真正地进行人工校时。图2-5 校时电路计时信号校时信号（2Hz）校时计时计时信号或校时信号2.6 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，驱动蜂鸣器，蜂鸣器响10次。接控制脉冲图2-6报警电路重庆大学电子技术基础课程设计 设计步骤与方法 三 设计步骤与方法3.1 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3-1所示电路通过COMS反

12、相器构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，输出反馈电阻R1为电路提供偏置，使电路工作于放大区域，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，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X1的频率选为32768Hz。其中C1的值取30 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3-1 晶体振荡器 3.2 分频器电路由数字钟的晶体振荡器输出频率较高，

13、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32767，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HC4060和74LS74来构成分频电路。HC4060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。HC4060计数为最高为14级2进制计数器，首先由U1(HC4060)的Q14(第3脚)产生2Hz的振荡信号,然后经过74LS74输出一个的分脉冲,作为秒钟计数器的秒钟信号 (因为2Hz的信号经1位二

14、进制计数器分频后为1Hz)。如图3-2所示。图3-2 分频器3.3 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74ls160计数器来实现。60进制采用反馈清零构成的六十进制和二十四进制加法计数器电路分别见图3-3-1和图3-3-2所示(一) 计数器六十进制的接法图3-3-1个位为十进制.故CEP=1,CET

15、=1，计数到9以后自动清零,此时低位进位端输出为1,高位使能端有效,在一个上升沿脉冲作用下高位加1,当高位输出为0110时，与非门输出为0,两个计数器清零，此时与非门输出端变为1，即产生一个上升沿脉冲，形成进位信号。图3-3-1 计数器六十进制(二) 计数器二十四进制的接法同理，图3-3-2个位为十进制.故CEP=1,CET=1，计数到9以后自动清零,此时低位进位端输出为1,高位使能端有效,在一个上升沿脉冲作用下高位加1,当高位输出为0010，低位输出为0100时，与非门输出为0,两个计数器清零，此时与非门输出端变为1，即产生一个上升沿脉冲，形成进位信号。图3-3-2 计数器二十四进制在两个这

16、个电路中，计数器的控制脉冲由CP端输入，低位CEP,CET接高电平，高位CEP，CET由低位进位信号决定。3.4 译码显示电路数码管是数码显示器的俗称。显示器件选用LED七段数码管。在译码显示电路输出的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。本设计所选用的是共阴极LED数码管，当共阴极数码管的某一阳极接高电平时相应的二极管发光，并且共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。图3-4 译码器外引线排列当数字钟的计数器在CP脉冲作用下，按60秒为1分、60分为1小时，24小时为1天的计数规律计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号。这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来。我们选用的计数器全部

17、是二-十进制集成片，“秒”、“分”、“时”的个位和十位的状态分别由集成片中的四个触发器的输出状态来反映的。每组(四个)输出的计数状态都按 BCD代码以高低电平来表现。因此,译码显示电路选用驱动器74ls48。3.5 校时电路实际的数字钟表电路由于秒信号的精确性不可能做到完全（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。使用一个常闭开关，当按下时产生一个脉冲，以此来实现校时。由于是机械式开关，按下时会发生抖动产生连续脉冲，为保证按下开关一下只送出一个脉冲，须加上去抖电路，如图2-5。3.6 整点报时电路数字钟整点报时是最基本的功能之一

18、。现在设计的电路要求在离电路应在整点前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每隔1秒钟鸣叫一次，共响10次。重庆大学电子技术基础课程设计 电路板的组装、焊接与调试 四 电路板的组装、焊接与调试4.1 电路板的组装、焊接在实验板上组装电子时钟时,应严格按图连接引脚,注意走线整齐,布局合理,飞线不能太长，不美观也容易产生混乱。器件的悬空端,清零端要正确处理。插拔集成芯片时用力均匀,避免芯片管脚在插拔过程中变弯,折断。4.2 调试原则及顺序1 通电检查电路安装完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器

19、件有无接错。2 通电检查接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，则应立即关断电源，待排队故障后方可重新通电。3 单元电路调试在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标和观察波形。调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。电路调试包括静态和动态调试，通过调试掌握必要的数据、波形、现象，然后对电路进行分析、判断、排除故障，完成调试标要求。4 整机联调各单元电路调试过错成后就为整机调试打下了基础。整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系，主要观察动态结果，检查电路的性能和

20、参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施。4.3 调试过程中出现的问题及解决方法。1. 第一次调试：问题：秒计数为40进制，但60进制连线正确。检查分析原因：秒计数高位74ls48未接地。解决方法：通过类比其他数码管的接线找出错误。结果：问题解决。2第二次调试：问题：按下校时开关有抖动现象，59分后没有报时。检查分析原因：开关质量有问题，报时电路中的芯片接线不完整，校时脉冲没接上。解决方法：更换新的开关，为报时电路的芯片焊好接线，接上校时脉冲。结果：问题解决。3. 第三次调试：问题：蜂鸣器声音不够响亮。检查分析原因：8550接触不良解决方法：插紧8550.

21、结果：问题解决。本次调试过程除两点漏焊造成电路故障以外，基本没有较大问题。重庆大学电子技术基础课程设计 总结 五 总结 最后完成的作品经过调试算是比较令人满意的，本次课程设计中接触到了一些在课程学习中未接触过的芯片，但经过大家查阅资料相互讨论，最后完成了所有电路功能的设计。在这次设计过程中学会了许多新知识，如晶振电路及相关分频，三极管的运用。但设计中也存在一些问题：（1）由于万用板面积有限，元器件不能完全铺展开，故不能完全用焊锡走线，空间有限导致部分飞线不美观；（2）考虑到电路的复杂及万用板面积有限，数码管上没有接分压电阻，使二极管上电压过大，发光发热比较大，寿命短，不耐用。重庆大学电子技术基

22、础课程设计 收获与体会 六 收获与体会在设计的过程中，我们为了相应功能而去挑选芯片，我们对这些芯片的功能以及它如何实现功能原理有了更多的认识。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计锻炼了我们对待问题时的态度和处理事情的能力。这种能力很好的体现在仿真的过程中。我们设计图中的某些元器件的表示方法跟仿真软件的是不同，这就要我们耐心的去比较，认识，知道它到底表示的是我们常用的哪一个元件。仿真过程中，我们选择了一款HC4060,但发现其不工作，通过查阅资料得知protues中部分元件不能仿真，通过换其他型号的HC060后能正常仿真，在这次

23、课程设计中初步掌握了protues的操作。整个过程中，我们感觉焊接电路是最考验技术和毅力的。布局和走线的好坏直接影响电路的性能和美观。调试过程中，因为焊接得好，所以问题不多，即使有问题，也迅速发现问题所在并加以纠正。总的来说，我们在这次课程设计中加强了理论知识的学习和提高了动手能力和思考能力以及分析问题，解决问题的能力。重庆大学电子技术基础课程设计 致谢 致 谢在做课程设计的过程中，从确立设计方向到资料收集，电路设计，仿真，焊接线路，调试到最后验收，每一步的工作量和重要性都是不可忽略的。大量的繁琐的工作很容易使人疲倦，组员之间需要足够的交流和体谅才能向前迈进。幸运的是，我们做到了，遇到问题一起

24、解决，遇到挫折不会相互埋怨，最后取得成功。感谢各位组员的通力合作和充分信赖，忠心感谢唐治德老师在实验过程中给我们的指导；衷心感谢学校给我提供这次课程设计的机会。重庆大学电子技术基础课程设计 附录 附 录附录A 元件清单元器件名称基本参数数量备注LED数码管（红）共阴极 LED6十进制计数器74ls160 16pin6显示译码器74LS48 共阴LED6门电路74ls00：四2入与非门，14pin7410：三3入与非门，14pin51分频器HC4060 14级分频，晶体振荡12脚复位端，高电平复位。1D触发器74LS74 双D触发器1石英晶体振荡器32768HZ1单刀双掷开关2电容电阻30pF1

25、M47M1002142底座16pin2074LS10管脚图74LS74管脚图附录B 元件管脚图HC4060管脚图74LS48管脚图74LS160管脚图74LS00管脚图附录C protues仿真图 图放不下，文库里有重庆大学电子技术基础课程设计 参考文献 参 考 文 献1)中国集成电路大全编写委员会编，中国集成电路大全TTL集成电路。北京：国防工业出版社，1985。2)唐治德主编，数字电子技术基础，北京：科学出版社，20013)彭介华编著， 电子技术，课程设计指导，北京:高等教育出版社，1996 4）查找电子元件的课程网站： http:/www.maxim-http:/www.jlc-5）杨欣，王玉凤，刘湘黔编著，电子设计从零开始，北京：清华大学，2010