郑州大学XN1数字钟的设计.doc

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1、XN-1数字钟的设计摘 要 在个人家庭、车站、码头、剧场、办公室等公共场所，到处都看到数字钟的身影，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。但由于某些数字钟的设计存在某些缺陷，使数字钟走时不够准确、性能不稳定、携带不方便等缺点，随着集成电路技术的发展和先进的石英技术的应用使它的性能有了很大改善，XN-1数字钟具有计时、自动报时、校时等功能；而且走时够准确、性能稳定、携带方便、数字显示清晰等优点。本文介绍了XN-1数字钟的组成结构、工作原理，对其电路进行了详细的分析。关键词 数字钟；集成电路；逻辑电路；时序电路THE DESIGN OF DIGITAL CLOCKABSTRACT In t

2、he individuals, families, stations, piers, theaters, offices and other public places, everywhere we can see the figure of the digital clock bring great convenience to the way of peoples live, learning, working and entertainments. Because of some flaws of the design of the digital clock, the digital

3、clock is not accurate enough, unstable of performance, hard to carry and other shortcomings. With the development of integrated circuit technology and the advanced quartz technology, its performance has been greatly improved. Not only does XN-1 digital clock have timing, automatic timekeeping, schoo

4、l functions, but also its travel time is enough for an accurate, stable performance, easy to carry, clearly figures show and so on. This article describes the structure of the XN-1 digital clock, working principle, and its circuit a detailed analysis.KEY WORDS Digital clock; Integrated circuit; Logi

5、c circuit; Sequential circuits 目 录摘 要IABSTRACTII前 言11.XN-1型数字钟的组成结构22. XN-1数字钟的工作原理及电路分析32.1秒信号发生电路32.2. “时”、“分”、“秒”计数器电路52.3. 译码显示电路92.4. 校时电路122.5. 整点报时电路142.5.1 控制门电路部分142.5.2 音响电路152.6 整机工作过程153. 安装调试方法163.1 秒信号发生器的安装和调试163.2 计数器的安装和调试163.3 译码显示电路的安装和调试163.4 校时电路的安装和调试173.5 整点报时电路的安装和调试174. 结束语1

6、75. 总 结18致 谢19参考文献2020前 言 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，培育出拥有自主知识产权的品牌。这正是中国钟表业发展的希望。1.设计目的 XN-1数字钟具有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间、报时和校时功能。在电路中，要用到振荡电路提供

7、的 1H z 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。 2.设计功能 （1）时的计时要求为“24 翻 1”，分和秒的计时要求为 60 进制 （2）准确计时，以数字形式显示时，分，秒的时间 （3）校正时间 （4）报时功能； 1.XN-1型数字钟的组成结构图1.1是XN-1数字钟的组成框图。它是由时钟信号发生电路、“时”、“分”、“秒”计时电路、报时电路、校时电路、译码显示电路五大部分组成。图1.1 XN-1型数字钟组成框图2. XN-1数字钟的工作原理及电路分析2.1秒信号发生电路秒信号发生电

8、路是数字钟的心脏，它是产生时间标准“秒”信号的电路。为了制作简便，本系统中采用CD4060构成的晶体振荡电路。CD4060是14位二进制串行计数/分频器。它由两部分电路组成，一部分电路是14级二进制分频器，另一部分电路是振荡器。分频器部分是由D触发器组成的14位二进制串行计数器，其分频系数为16至16384（分别由Q4到Q14输出），振荡器部分是两级反相放大器，通过外接电阻和电容构成RC振荡器，或通过外接石英晶体构成高精度的晶体振荡器。CD4060的十四级计数器只有10个输出端Q4-Q10、Q12-Q14，其管教排列和真值表分别如图2.1和2.2所示图2.1 CD4060管脚排列输 入输 出C

9、P1R计数器状态0不 变00100加计数全部输出为01图2.2 CD4060真值表R为复位端。它为高电平时计数器全部清零，同时使时钟禁止输入或者使内振荡器停振；R为低电平时，进入计数状态。由CD4060内部门电路构成的晶体振荡器与普通门电路构成的晶体振荡器的电路一样，如图2.3：电阻Rf是反馈电阻，用来是非门工作在传输特性曲线的线性区，其值可在几兆到几十兆欧之间选取，晶体工作在并联谐振状态，呈感性。调节可变电容Ct的值，可使频率跳到一个精确值。图2.3为CD4060构成的秒信号发生器电路，它可以为数字钟提供固定的时钟信号（1秒）。该电路是由CD4060和BCD码同步加法计数器CD4518构成。

10、电路中利用CD4060组成两部分电路，一部分是14级分频器，另一部分是外接电子表用石英晶体构成的频率为32768HZ的振荡源。振荡器输出经14级分频后在输出端Q14上得到2HZ脉冲，再送入由CD4518构成的二分频器，分频后在输出端Q1上得到秒基准信号，频率为1HZ。图2.3秒信号发生电路2.2. 计数器数字钟的“秒”、“分”信号产生电路都是由六十进制计数器构成，“时”信号产生电路为二十四进制计数器。他们都可以用两个“二-十”计数器来实现。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CD4518组成。CD4518的管脚排列如图2.4所示，真值表如图2.5所示。图2.4 CD4518

11、管脚排列CPENR功能10加计数00加计数0保持0保持00保持10保持1复位 图2.5 CD4518真值表因为一片CD4518内含有两个十进制计数器，因此用一片CD4518就可以构成六十进制或二十四进制计数器了。选取CD4518和与非门CD4511、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如图2.6的（a）和（b）所示。图2.6（ a ） 六十进制加法计数器图2.6 （ b ） 二十四进制加法计数器把计数器各功能端前标有“1”的叫“计数器1”，标有“2”的叫“计数器2”。在这两个电路中，“计数器1”的控制脉冲均由CP端输入，因此1EN应接高电平；“计数器2”的控制脉冲均由EN

12、端输入，因此2CP应接低电平。将1QD接至2EN保证了低位十进制计数器向高位计数器提供触发信号。由图2.6可以看出：当“计数器1”的状态由1001向0000转换时，1QD（2EN）正好是一个下降沿，因此高位的计数器开始计数。在图2.6（a）中，将2QB和1Q相与后接至CR端构成了六十进制计数器。在图（b）中，将2QB和1QC相与后接至CR端构成了二十四进制计数器。为了保证电路能可靠地工作，在“秒”、“分”、“时”计数器反馈复位支路中，加了一个RS触发器，如图2.7所示。图2.7 计数器反馈复位电路将与非门组成的RS触发器的输出接至计数器的复位端，展宽了复位和进位信号的脉冲宽度，使其在本为可靠地

13、复位的同时向高位提供了进位触发脉冲。与非门选用四2输入与非门CD4011，其外部引线排列如图2.8所示。图2.8 CD4011引线排列2.3. 译码显示电路当数字钟的计数器在CP脉冲的作用下，按60秒为1分、60分为1小时，24小时为1天的技术规律计数时，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。本系统选用的计数器全部是二-十进制集成片，“秒”、“分”、“时”的个位和十位的状态分别由集成片中的四个出发起的输出状态来反映的。每组（四个）输出的技术状态都按BCD码以高低电平来表现。因此，需经译码电路将计数器输出的BCD码变成能驱动七段显示器的工作信号。译码显示

14、电路选用BCD-7段锁存译码/驱动器CD4511.CD4511有四个输入端A，B，C，D和七个输出端a至g，它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别油锁存端LE、灯测试端(LT)、熄灭控制端BI来控制。CD4511管脚排列如图2.9所示，真值表见表2.10所示。图2.9 CD4511管脚排列LE(BI)(LT)DCBAabcdefg显示011111118010000000熄灭01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011

15、11160110111111000070111000111111180111001111001190 1 11010至11110000000熄灭111为LE上跳前的BCD码决定锁存图2.10 CD4511真值表由表2.10可知，当锁存允许端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端a-g随输入A-D端变化，当LE=“1”时，锁存器锁定，输出端保持不变。熄灭控制端(BI)=“0”时，译码器输出全“0”，因此，正常工作是应使BI为高电平。另外灯测试端(LT)=“0”时，译码器输出全“1”,数码管各段均亮，即显示8，用来检测数码管是否正常。当输入的BCD码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段均不

16、亮。CD4511常用于驱动共阴极LED数码管，工作时一定要加限流电阻。由CD4511组成的基本数字显示电路如图2.11所示。图2.11 一位数字显示电路图中BS205为阴极LED数码管，电阻R用于限制CD4511的输出电流大小，它决定LED的工作电流大小，从而调节LED的发光亮度，R值由下式决定：R=（UOH-UD）/ID式中UOH为CD4511输出高电平（VDD），UD为LED的正向工作电压（1.5到2.5V）。下面以60进制“秒”计时电路为例，将计数器、译码显示器和显示数码管连在一起，其电路图示意图见图2.12图2.12 六十进制“秒”计时电路2.4. 校时电路当时钟指示不准时，就需要校准

17、时间。校准的方法很多，常用的有“快速校时法”。现在以“分计时器”的校准电路为例，简要说明它的校时原理，见图2.13图2.13 “分计时器” 校时电路与非门1,2构成的双稳态触发器，可以将1HZ的“秒”信号和“秒计时器的进位信号”送至“分计数器的CP端”。当开关K置于“B”端时，与非门1输出低电平，门2输出高电平。“秒计数器进位信号”通过门4和门5送至“分计数器的CP端”，使“分计数器”工作正常；需要校正“分计数器”时，将开关K置于“A”端，与非门1输出高电平，门2输出低电平，门4封锁“秒计数器进位信号”，而门3将1HZ的CP信号通过门3和门5送至“分计时器”的CP控制端，使“分计数器”在“秒”

18、信号的控制下“快速”计数，直至正确的时间，再将开关置于“B”端，达到校准时间的目的。2.5. 整点报时电路数字钟整点报时是最基本的功能之一。本系统设计的电路要求在离整点差1秒时鸣叫一次，持续时间为1秒。整点报时电路的原理如图2.14所示。图2.14 整点报时电路整点报时电路主要由控制门电路和音响电路两部分组成。2.5.1 控制门电路部分由与非门1至8组成。图中与非门1,3,5的输入信号Q4，Q3，Q2，Q1分别表示“分十位”、“分个位”、“秒十位”和“秒个位”的状态，下标中D，C,B,A分别表示组成计数器的四个触发器的状态。由图2.12可知：Y1=Qc4QA4QD3QA3 Y2=Qc2QA2Q

19、D1QA1 Y3=（Y1Y2）Y1为59分，Y2为59秒。2.5.2 音响电路 音响电路采用射极输出器，推动8的喇叭，三极管基极串接1k限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭，集电极串接51限流电阻，三极管选用高频小功率管。2.6 整机工作过程 首先利用CD4060和石英晶体构成能输出2Hz信号的电路，再把产生的2Hz信号送入CD4518构成二分频器，分频后输出Q1端得到秒基准信号（1Hz）。第二步，把得到的秒基准信号送往计数器CD4518中，每隔1秒计数一次。在“秒”、“分”、“时”计数器反馈复位支路中加了一个RS触发器，将输出接至计数器的复位端，实现进位功能。第三步，经译码电路将计数器输出的

20、BCD码编程能驱动数码显示器的工作信号。此部分需要CD4511进行扫描显示。输出显示稳定的数据。第四步，由于一些内在或外在的因素，有时候，钟表可能会显示不准确。那么就需要校时电路。此系统的校时电路是由与非门构成的双稳态触发器，将1Hz的“秒”信号和“秒计数器的进位信号”送至“分计数器的CP端”。并将信号送入开关控制。第四步，整点报时。将计数器的四个触发器的状态进行提取。当时钟达到59分59秒时，电路中的三极管导通，电流经过喇叭，发出鸣叫。持续声音为1秒。3. 安装调试方法 本设计电路在数字电路实验箱上完成。在进行整体电路连接之前，应对各部分的电路进行逐一安装和调试。3.1 秒信号发生器的安装和

21、调试 按图2.3电路在实验箱上连线，输出接发光二极管，观察发光二极管的显示情况。3.2 计数器的安装和调试 按图2.6电路在试验箱上连线。因为CD4518内含有两个同步十进制计数器，CD4011内含有四个2输入与非门，因此分别用一片CD4518和CD4011就够了。 1.按图2.6（a）电路连线，输出可接发光二极管。观察在CP作用下（CP为1Hz可直接由实验箱连续脉冲输出端提供）输出端发光二极管的状态变化情况，验证是否为六十进制计数器。 2.按图2.6（b）电路连线，验证电路是否为二十四进制计数器。 3.调试过程中，要注意的问题： （1）根据CD4518的功能表，当触发脉冲由CP端输入时，EN

22、端应接高电平，此时CP上升沿触发；当触发脉冲由EN端输入时，CP端输入端接低电平，此时CP下降沿触发。 （2）CR为异步复位端，高电平有效。当CR为高电平时，计数器复位；正常计数时，应使CR=0。3.3 译码显示电路的安装和调试 按图2.12电路在数字电路实验箱上连线。它是由十进制加法计数器CD4518、BCD-7段锁存译码/驱动器CD4511和LED七段显示数码管组成。 观察在CP作用下数码管的显示情况。CD4511正常工作时，(LT)(BI)应为高电平，LE应为低电平。3.4 校时电路的安装和调试 按图2.13所示电路在数字电路试验箱上连线。将电路输出（门5）接发光二极管。拨动开关、观察在

23、CP（1Hz）作用下，输出端发光二极管的显示情况。根据开关的不同状态，输出端输出频率之比约为1:60，可以取自试验箱上的逻辑电平开关。3.5 整点报时电路的安装和调试 按图2.14电路在数字电路试验箱上连线。 测试时，1KHz的CP信号可由试验箱上获得。QA1QDA端可接至十进制计数器的相应输出端。观察计数器在CP信号的作用下，喇叭发出声响的情况。4. 结束语： 经过近一个月的努力，以及同学们和安老师的指导，XN-1型数字钟终于完成了。本次设计的XN-1型数字钟不同于以往的机械数字钟。由于它采用晶体振荡电路产生的秒信号，所以走时准确。此外，系统采用的与非门组成的校时功能具有操作简便等优点。采用

24、的LED七段显示数码管更清晰直观的把数字显示出来。总体上XN-1数字钟具有走时够准确、性能稳定、携带方便、数字显示清晰等优点。不足之处是本系统没有直流源电路，所以电池需要定期更换。5. 总结通过本次毕业设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.我 这毕业设计由于我采用的是数字电路来 实现的,所 以电路较复杂,但 是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.通过这 次设计,我还掌握了PCB的一系列步骤,在几个月时间里,我把本设计的整个电路图画好了,并且画好了PCB板图,并交安老师检查,还在实验箱上调试了部分电路.由于制板时间较长,所以我在这期间自己焊接

25、了一个整体电路,并进行调试,由于万能板的面积有限,电路复杂,所以布线不是很美观,但是它的功能基本上都能实现。最后在我在制的印制板上都能很好的实 现多功能数字钟的各相功能，都达到了预期的结果，并且很美观。通过这次毕业设计，我又掌握了些元器件的用途以及它们的参数、性能。这次设计提高了我理论和实践相结合的能力，增加了把理论用于实践的兴趣，同时也提高了我分析问题和解决问题的能力。没有最好，只有更好。我相信通过这一次的毕业设计之后，我以后会更加努力，用严谨的科学态度去面对一切。克服困难，战胜自我，超越自我。致 谢在我的学位论文完成之际，首先要感谢我的母校，感谢您提供的学习条件。然后要感谢我的指导老师安家

26、文教授，安教授从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误。他对通信专业的研究和对该课题深刻的见解，使我受益匪浅。安教授诲人不倦的工作作风，一丝不苟的工作态度，严肃认真的治学风格给我留下深刻的影响，值得我永远学习。其次要感谢我的家人，谢谢你们的养育和关怀，让我的人生路上少了那么多的坎坷。感谢所有的朋友，感谢所有一同走过风雨的人们。你们的支持和鼓励是我不断追寻成功的重大动力，也希望我的点点成长与进步能给你们一些欣慰。参考文献1 康华光.电子技术基础.数字部分北京:高等教育出版社,20002

27、顾永杰.电工电子技术实训教程.上海:上海交通大学出版社,19993 陈小虎.电工实习（I）.北京:中国电力出版社，19964 焦辎厚.电子工艺实习教程.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19935 陈坚.电力电子学M.北京:高等教育出版社,20026 宋春荣.通用集成电路速查手册.山东科学技术出版社,19957 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社,20028 吕思忠.数子电路实验与课程设计.哈尔滨工业大学出版社,20019 谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中理工大学出版社,200010 王琉银.脉冲与数字电路.高等教育出版，198511 美M.Morris Mano.Digital Design.北京:高等教育出版社,200212 美JohnMYarbrough.DIGITALLOGICAPPLICATIONSANDDESIGN.北京:机械工业出版社，2002