目錄

摘要

1? 設(shè)計(jì)任務(wù)要求

2? 設(shè)計(jì)方案及論證

2.1? 任務(wù)分析

2.1.1?晶體振蕩器電路

2.1.2?分頻器電路

2.1.3?時(shí)間計(jì)數(shù)器電路

2.1.4?譯碼驅(qū)動(dòng)電路

2.1.5?校時(shí)電路

2.1.6?整點(diǎn)報(bào)時(shí)/鬧鐘電路

2.2? 方案比較

2.3? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4? 具體電路設(shè)計(jì)

3? 電路仿真測試及結(jié)論分析

3.1? 電路仿真測試流程

3.1.1?時(shí)基電路部分（石英晶體振蕩器+分頻器）

3.1.2 計(jì)時(shí)電路部分

3.1.3 校時(shí)電路部分

3.1.4?整點(diǎn)報(bào)時(shí)/鬧鐘電路部分

3.2?? 數(shù)據(jù)分析和結(jié)論

3.3??遇到的問題與解決方法

4??收獲與體會(huì)

5? 參考文獻(xiàn)

附錄

????????1.元器件清單

????????2.PCB版圖

摘要

????????數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。

????????數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強(qiáng)，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。數(shù)字鐘適用于自動(dòng)打鈴、自動(dòng)廣播，也適用于節(jié)電、節(jié)水及自動(dòng)控制多路電器設(shè)備。它是由數(shù)子鐘電路、定時(shí)電路、放大執(zhí)行電路、電源電路組成。為了簡化電路結(jié)構(gòu)，數(shù)字鐘電路與定時(shí)電路之間的連接采用直接譯碼技術(shù)。具有電路結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作可靠、使用壽命長、更改設(shè)定時(shí)間容易、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

????????從有利于學(xué)習(xí)的角度考慮，這里主要介紹以中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的方法。

1?設(shè)計(jì)任務(wù)要求

[1] 時(shí)-分-秒6位LED顯示；

[2] 時(shí)分可以按鍵校準(zhǔn)；

[3] 一路定時(shí)和準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)。

2? 設(shè)計(jì)方案及論證

2.1? 任務(wù)分析

要求1：時(shí)-分-秒6位LED顯示

分析：通過譯碼器和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)

要求2：時(shí)分可以按鍵校準(zhǔn)

分析：按鍵產(chǎn)生脈沖經(jīng)過計(jì)數(shù)器處理發(fā)送給譯碼器并由數(shù)碼管顯示

要求3：一路定時(shí)和準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)

分析：定時(shí)和準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)可使用通過一種預(yù)置初值的方法與當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行比較，再通過蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。也可以定時(shí)電路采用上述方法，準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)利用分位產(chǎn)生的進(jìn)位脈沖觸發(fā)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。

數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘 ，下圖為構(gòu)成框圖。

?. 圖 1系統(tǒng)框圖

2.1.1?晶體振蕩器電路

????????給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Ｈz的方波信號(hào)，保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。

方案一：由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。

圖 2? 555與RC組成的多諧振蕩器圖

方案二:選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路

圖 3 石英晶體振蕩器圖

方案三：由集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器

?圖 4 門電路組成的多諧振蕩器圖

2.1.2?分頻器電路

????????從盡量減少元器件數(shù)量的角度來考慮，這里可選多極２進(jìn)制計(jì)數(shù)電路CD4060和CD4040來構(gòu)成分頻電路。CD4060和CD4040在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。

????????CD4060計(jì)數(shù)為１４級(jí)２進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32768Ｈz的信號(hào)分頻為２Ｈz，其內(nèi)部框圖如圖2.1所示，從圖中可以看出，CD4060的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。

圖 5.1 CD4060內(nèi)部框圖??????????????? 圖5.2?? CD4040內(nèi)部框圖

CD4040計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模數(shù)為4096（），其邏輯框圖如圖5.2。如將32768Hz信號(hào)分頻為1Hz，則需外加一個(gè)8分頻計(jì)數(shù)器，故一般較少使用CD4040來實(shí)現(xiàn)分頻。

2.1.3?時(shí)間計(jì)數(shù)器電路

????????時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

????????一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選74LS390，其內(nèi)部邏輯框圖如圖6所示。該器件為雙2-5-10異步計(jì)數(shù)器，并且每一計(jì)數(shù)器均提供一個(gè)異步清零端（高電平有效）。

圖 6 74LS390內(nèi)部邏輯框圖

????????秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將ＱＡ與ＣＰＢ（下降沿有效）相連即可。ＣＰＡ（下降沒效）與1Hz秒輸入信號(hào)相連，Ｑ３可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。

????????秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法如圖7所示，其中Ｑ２可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。

圖 7 10進(jìn)制-6進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換電路

????????分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的Ｑ３作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連，分十位計(jì)數(shù)單元的Ｑ２作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。

????????時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行24進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用1片74LS390實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖8所示。

????????另外，圖8所示電路中，尚余－2進(jìn)制計(jì)數(shù)單元，正好可作為分頻器2Hz輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為1Hz信號(hào)之用。

圖 8? 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路

2.1.4?譯碼驅(qū)動(dòng)電路

????????譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。用于驅(qū)動(dòng)LED七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，其輸出是OC門輸出且高電平有效，專用于驅(qū)動(dòng)LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。

2.1.5?校時(shí)電路

????????一般時(shí)鐘都應(yīng)具備校時(shí)功能,即對時(shí)鐘的時(shí)間進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

方案一：根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖10所示為所設(shè)計(jì)的校時(shí)電路。

圖 9 方案一校正電路圖

方案二：在方案一基礎(chǔ)上增加了了0.01uf的電容防抖動(dòng)。

圖 10方案二校正電路圖

方案三：校準(zhǔn)電路由基本RS觸發(fā)器和“與”門組成，基本RS觸發(fā)器的功能是產(chǎn)生單脈沖，主要作用是起防抖動(dòng)作用。未撥動(dòng)開關(guān)K時(shí)，“與非”門G2的一個(gè)輸入端接地，基本RS觸發(fā)器處于“1”狀態(tài)，這是數(shù)字鐘正常工作，“分”進(jìn)位脈沖能進(jìn)入“分”計(jì)數(shù)器。撥動(dòng)開關(guān)K時(shí)，“與非”門G1的一個(gè)輸入端接地，于是基本RS觸發(fā)器轉(zhuǎn)為“0”狀態(tài)。秒狀態(tài)可以直接進(jìn)入“分”計(jì)數(shù)器，而“分”進(jìn)位脈沖被阻止進(jìn)入，因而能較快地校準(zhǔn)分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。校準(zhǔn)后，將校正開關(guān)恢復(fù)原位，數(shù)字鐘繼續(xù)進(jìn)行正常計(jì)時(shí)工作。

圖 11 方案三校正電路

2.1.6?整點(diǎn)報(bào)時(shí)/鬧鐘電路

????????一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能,即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi),數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí),以示提醒。

????????根據(jù)要求，整點(diǎn)報(bào)時(shí)通過分計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的進(jìn)位脈沖控制蜂鳴器。鬧鐘部分選用74LS85四路比較器分別對時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器的高低位與定時(shí)電路對應(yīng)的位數(shù)進(jìn)行比較，四路輸出通過與門連接，與時(shí)進(jìn)位脈沖共同控制蜂鳴器。

????????選蜂鳴器為電聲器件，蜂鳴器是一種壓電電聲器件，當(dāng)其兩端加上一個(gè)直流電壓時(shí)酒會(huì)發(fā)出鳴叫聲，兩個(gè)輸入端是極性的，其較長引腳應(yīng)與高電位相連，圖示的三極管時(shí)為了驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。

圖12? 報(bào)時(shí)電路圖

2.2? 方案比較

晶體振蕩器電路：

????????用555組成的脈沖產(chǎn)生電路: R1=15*103Ω，R2=68*103Ω，C=10μF?，則555所產(chǎn)生的脈沖的為:f=1.43/[(R1+2*R2)*103*10*106=0.947Hz,而設(shè)計(jì)要求為1Hz,因此其誤差為5.3%,在精度要求不是很高的時(shí)候可以使用。

????????石英晶體振蕩電路:采用的32768晶體振蕩電路,其頻率為32768Hz,然后再經(jīng)過15分頻電路可得到標(biāo)準(zhǔn)的1Hz的脈沖輸出。

????????由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時(shí)間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH，由于VTH容易受到溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差，只能用于對頻率穩(wěn)定性要求不高的場合。

????????綜上分析，選擇方案二，石英晶體振蕩電路能夠作為最穩(wěn)定的信號(hào)源。

分頻器電路：

????????CD4060分頻系數(shù)更高，選擇CD4060同時(shí)構(gòu)成振蕩電路和分頻電路。

校時(shí)電路：

????????通過比較可知，方案二和方案三比方案一多了防抖動(dòng)的措施，穩(wěn)定性更好，方案二和方案三相比，防抖動(dòng)措施更好，更完備，但電路也更為復(fù)雜，成本也更高，通過比較選擇方案二，既能實(shí)現(xiàn)防抖動(dòng)功能，做出事物也更經(jīng)濟(jì)一些。

2.3? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

.系統(tǒng)原理框圖

2.4? 具體電路設(shè)計(jì)

????????晶體振蕩器電路：R的阻值,對于TTL門電路通常在0.7～2KΩ之間;對于CMOS門則常在10～100MΩ之間。

????????分頻器電路：R的阻值,對于TTL門電路通常在0.7～2KΩ之間;對于CMOS門則常在10～100MΩ之間。

????????總電路圖：

?

3? 電路仿真測試及結(jié)論分析

3.1? 電路仿真測試流程

3.1.1?時(shí)基電路部分（石英晶體振蕩器+分頻器）

????????在15級(jí)2分頻電路后的輸出端Q0接一個(gè)counter timer，在Proteus上運(yùn)行仿真，觀察Q0端口每個(gè)下降沿脈沖信號(hào)產(chǎn)生時(shí)counter timer的示數(shù)變化。

3.1.2 計(jì)時(shí)電路部分

????????根據(jù)原理圖及確定的方案把24進(jìn)制計(jì)數(shù)器、60進(jìn)制計(jì)數(shù)器與譯碼驅(qū)動(dòng)電路在Proteus上進(jìn)行對應(yīng)連接，在秒部分的個(gè)位對應(yīng)的74LS390的CLKA接上一個(gè)５Hz的時(shí)鐘激勵(lì)源，觀察6個(gè)數(shù)碼管的計(jì)數(shù)顯示變化。

3.1.3 校時(shí)電路部分

????????根據(jù)原理圖及確定的方案把計(jì)時(shí)部分和選用的校正電路在Proteus上進(jìn)行對應(yīng)連接，在“校時(shí)脈沖”處接上一個(gè)1Hz的時(shí)鐘激勵(lì)源，觀察“時(shí)校正按鈕”及“分校正按鈕”分別按下時(shí)，6個(gè)數(shù)碼管的計(jì)數(shù)顯示變化。

3.1.4?整點(diǎn)報(bào)時(shí)/鬧鐘電路部分

????????根據(jù)原理圖及確定的方案把整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路和鬧鐘電路進(jìn)行了二合一，在Proteus上進(jìn)行對應(yīng)連接。

(1) 當(dāng)計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示開關(guān)off,鬧鐘數(shù)碼管顯示開關(guān)on時(shí)，通過“鬧鐘時(shí)設(shè)置按鈕”“鬧鐘分設(shè)置按鈕”進(jìn)行鬧鐘設(shè)置，然后鬧鐘數(shù)碼管顯示開關(guān)off，計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示開關(guān)on，通過校時(shí)電路調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)電路在所設(shè)鬧鐘時(shí)間附近，觀察鬧鐘蜂鳴器在對應(yīng)時(shí)刻的變化。

(2) 通過校時(shí)電路適當(dāng)調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)電路的時(shí)間，觀察每到整點(diǎn)時(shí)刻，蜂鳴器的變化。

3.2?? 數(shù)據(jù)分析和結(jié)論

時(shí)基電路部分：利用晶振和分頻器產(chǎn)生了1Hz精準(zhǔn)脈沖信號(hào)。
計(jì)時(shí)電路部分：搭建了兩個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器分別實(shí)現(xiàn)了60進(jìn)制和24進(jìn)制。

校時(shí)電路部分：利用兩個(gè)輕觸按鍵，實(shí)現(xiàn)了分、時(shí)分別校時(shí)。

整點(diǎn)報(bào)時(shí)及鬧鐘部分：利用撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)鬧鐘設(shè)定可視化，利用比較器將計(jì)時(shí)與鬧鐘進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能。利用門電路實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)。

結(jié)論：設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)所有功能。

3.3??遇到的問題與解決方法

1.仿真過程中脈沖產(chǎn)生電路（晶體振蕩器+分頻器）耗時(shí)過長，觀測變化不容易。原因可能是由于分頻系數(shù)大導(dǎo)致的仿真計(jì)算量大增加了仿真時(shí)間。通過直接向計(jì)數(shù)器加1Hz時(shí)鐘脈沖模擬脈沖產(chǎn)生電路的輸出可以大大改善仿真效果。

2.在不增加數(shù)碼管的情況下，無法實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)間與鬧鐘定時(shí)切換。原因?yàn)槭褂玫挠?jì)數(shù)器電路為組合電路，沒有記憶功能，通過增加定時(shí)電路增加計(jì)數(shù)器電路和使用四個(gè)八路開關(guān)實(shí)現(xiàn)切換功能。

3.整點(diǎn)計(jì)時(shí)蜂鳴器不會(huì)觸發(fā)，原因是時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位脈沖產(chǎn)生的連線選擇錯(cuò)誤，CKA更換為CKB問題得以解決。

4??收獲與體會(huì)

????????在做本次實(shí)訓(xùn)的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這方面的設(shè)計(jì)資料是十分必要的，同時(shí)也是必不可少的。我們是在做電子技術(shù)設(shè)計(jì)，但我們不是藝術(shù)家，他們可以拋開實(shí)際盡情在幻想的世界里翱翔，而我們一切都要有據(jù)可依，有理可尋，不切實(shí)際的構(gòu)想永遠(yuǎn)只能是構(gòu)想，永遠(yuǎn)無法升級(jí)為設(shè)計(jì)。

????????起初在小組分工中分配給我計(jì)時(shí)電路部分的任務(wù)時(shí)候，最主要的部分就是24進(jìn)制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，雖然之前的數(shù)電課上學(xué)過，可到了實(shí)際應(yīng)用時(shí)候，我花了一晚上的時(shí)候，看到不知不覺困睡覺，第二天醒來才豁然開朗，搞懂它的運(yùn)作原理，每次出現(xiàn)這種感覺時(shí)候都會(huì)感覺自己有所成長。

????????隨后在整點(diǎn)報(bào)時(shí)部分，原理圖、PCB繪制，都讓我感覺到了團(tuán)隊(duì)合作的力量，我們在短時(shí)間內(nèi)便做出了兩種不同的方案，

????????在這次課程設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用到了以前所學(xué)的數(shù)字電路知識(shí)等。雖然過去從未獨(dú)立應(yīng)用過它們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。

5? 參考文獻(xiàn)

[1] 《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》康華光 主編 高等教育出版社

[2] 《電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試》第三版，謝自美 主編，華中科技大學(xué)出版社

[3] 《電子線路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程》 劉鳴 主編 天津大學(xué)出版

附錄

1.元器件清單

2.PCB版圖

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