課程設計---數(shù)字鐘的設計與制作 (2)

1、<p><b>　　一、設計目的</b></p><p>　　數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。</p><p>　　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序電路。</p><p>　　因此，

2、設計與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學會制作數(shù)字鐘.而且通過數(shù)字鐘的制作進一步的了解在制作中用到的各種中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時序電路.通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法.</p><p><b>　　二、設計要求</b></p><p><b>　?、逶O計指標 </b

3、></p><p>　?、艜r間以12小時為一個周期；</p><p><b>　?、骑@示時、分、秒；</b></p><p>　?、怯行r功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；</p><p>　　*⑷計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時；</p><p&g

4、t;　?、杀ＷC計時的穩(wěn)定及準確須由晶體振蕩器提供表針時間基準信號。</p><p><b>　?、嬖O計要求</b></p><p><b>　?、女嫵鲭娐吩韴D；</b></p><p>　　⑵自行裝配和調試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。</p><p>　?、蔷帉懺O計報告，寫出設計與制作的全過程，附上

5、有關資料和圖紙，有心得體會。</p><p><b>　　三、原理框圖</b></p><p><b>　　1．數(shù)字鐘的構成</b></p><p>　　數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須

6、做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數(shù)字鐘。</p><p><b>　　圖1</b></p><p><b>　　2．晶體振蕩器電路</b></p><p>　　晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768Ｈz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體

7、振蕩器電路。一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用ＴＴＬ門電路構成；另一類是通過ＣＭＯＳ非門構成的電路，本次設計采用了后一種。如圖（b）所示，由ＣＭＯＳ非門Ｕ１與晶體、電容和電阻構成晶體振蕩器電路，Ｕ２實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉換為較理想的方波。輸出反饋電阻Ｒ１為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構成一個諧振型網(wǎng)絡，完成對振蕩頻率的控

8、制功能，同時提供了一個１８０度相移，從而和非門構成一個正反饋網(wǎng)絡，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。</p><p><b>　　圖2</b></p><p><b>　　3．時間記數(shù)電路</b></p><p>　　一般采用10進制計數(shù)器如74HC290、74HC3

9、90等來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。本次設計中選擇74HC390。由其內部邏輯框圖可知，其為雙2-5-10異步計數(shù)器，并每一計數(shù)器均有一個異步清零端（高電平有效）。</p><p>　　秒個位計數(shù)單元為１０進制計數(shù)器，無需進制轉換，只需將ＱＡ與ＣＰＢ（下降沿有效）相連即可。ＣＰＡ（下降沿有效）與１ＨZ秒輸入信號相連，ＱD可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　

10、秒十位計數(shù)單元為６進制計數(shù)器，需要進制轉換。將１０進制計數(shù)器轉換為６進制計數(shù)器的電路連接方法如圖?。?４所示，其中ＱC可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p><b>　　圖3</b></p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　分個位和分十位計數(shù)單元電路結構分別與秒個位和秒十

11、位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的ＱD作為向上的進位信號應與分十位計數(shù)單元的ＣＰＡ相連，分十位計數(shù)單元的ＱC作為向上的進位信號應與時個位計數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　時個位計數(shù)單元電路結構仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應為24進制計數(shù)器，不是１０的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進行24進制轉換。利用１片７４ＨＣ３９０實現(xiàn)24進制計數(shù)功能的電路如圖（d

12、）所示。</p><p><b>　　圖5二十四進制電路</b></p><p>　　另外，圖（d）所示電路中，尚余－２進制計數(shù)單元，正好可作為分頻器２ＨZ輸出信號轉化為１ＨZ信號之用。</p><p>　　4．譯碼驅動及顯示單元電路</p><p>　　選擇74LS47作為顯示譯碼電路；選擇ＬＥＤ數(shù)碼管作為顯示單元電路

13、。由74LS47把輸進來的二進制信號翻譯成十進制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來。這里的LED數(shù)碼管是采用共陽的方法連接的。</p><p>　　計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計并以8421BCD碼的形式輸送到74LS47芯片，再由74LS47芯片把BCD碼轉變?yōu)槭M制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。</p><p><b>　　5．校時電路</b></p><p>

14、;　　數(shù)字鐘應具有分校正和時校正功能，因此，應截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。即為用COMS與或非門實現(xiàn)的時或分校時電路，In1端與低位的進位信號相連；In2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時個位計時輸入端相連。當開關打向上時，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開關的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門

15、，故校時電路處于正常計時狀態(tài)；當開關打向下時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。</p><p>　　實際使用時，因為電路開關存在抖動問題，所以一般會接一個RS觸發(fā)器構成開關消抖動電路，所以整個較時電路就如圖（f）。</p><p>　　圖6 帶有消抖電路的校正電路</p><p><b>　　圖7</b></p>&

16、lt;p><b>　　*6．整點報時電路</b></p><p>　　電路應在整點前10秒鐘內開始整點報時，即當時間在59分50秒到59分59秒期間時，發(fā)出報時電路報時控制信號。</p><p>　　當時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數(shù)器十位的QＣ和QＡ 、個位的QＤ和QＡ及秒計數(shù)器十位的Q

17、Ｃ和QＡ相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。</p><p>　　報時電路可選74HC30來構成。74HC30為8輸入與非門。</p><p><b>　　四、元器件</b></p><p><b>　　1．四連面包板1塊</b></p><p>　　2．共陽七段數(shù)碼管6個</p><p

18、><b>　　3．網(wǎng)絡線2米/人</b></p><p>　　4．74LS47集成塊6塊</p><p>　　5．CD4060集成塊1塊</p><p>　　6．74HC390集成塊3塊</p><p>　　7．74HC51集成塊1塊</p><p>　　8．74HC00集成塊2塊</

19、p><p>　　9．74LS08集成塊1塊</p><p>　　10．10MΩ電阻5個</p><p>　　11．300Ω電阻6個</p><p>　　12．30p電容2個</p><p>　　13．32.768k時鐘晶體1個</p><p><b>　　芯片連接圖</b>&l

20、t;/p><p>　　1)74HC00D </p><p><b>　　圖8</b></p><p><b>　　2)74LS08</b></p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　3)7

21、4HC390D </p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　4)74HC51D </p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　4) CD4060</p><p><

22、;b>　　圖12</b></p><p><b>　　5)74LS74</b></p><p><b>　　圖13</b></p><p><b>　　6)74LS47</b></p><p><b>　　圖14</b></p>

23、;<p><b>　　2．面包板的介紹</b></p><p>　　面包板一塊總共由五部分組成，一豎四橫，面包板本身就是一種免焊電板。</p><p><b>　　面包板的樣式是：</b></p><p><b>　　圖15</b></p><p><b&g

24、t;　　面包板的注意事項：</b></p><p>　　面包板旁一般附有香蕉插座，用來輸入電壓、信號及接地。</p><p>　　上圖中連著的黑線表示插孔是相通的。</p><p>　　拉線時，盡量將線緊貼面包板，把線成直角，避免交叉，也不要跨越元件。</p><p>　　面包板使用久后，有時插孔間連接銅線會發(fā)生脫落現(xiàn)象，此時要將

25、此排插孔做記號。并不再使用。</p><p><b>　　五、各功能塊電路圖</b></p><p>　　數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，可以由許多中小規(guī)模集成電路組成，所以可以分成許多獨立的電路。</p><p><b>　　六進制電路</b></p><p>　　由74HC390、7400

26、、數(shù)碼管與74LS47組成，電路如圖16。</p><p><b>　　圖16</b></p><p><b>　　十進制電路</b></p><p>　　由74HC390、7400、數(shù)碼管與74LS47組成，電路如圖17。</p><p><b>　　圖17</b></

27、p><p><b>　　六十進制電路</b></p><p>　　由兩個數(shù)碼管、兩74LS47、一個74HC390與一個7400芯片組成，電路如圖18。</p><p><b>　　圖18</b></p><p><b>　　雙六十進制電路</b></p><p

28、>　　由2個六十進制連接而成，把分個位的輸入信號與秒十位的Qc相連，使其產(chǎn)生進位。</p><p><b>　　時間計數(shù)電路</b></p><p>　　由1個二十四進制電路、2個六十進制電路組成，因上面已有一個雙六十電路，只要把它與二十四進制電路相連即可，詳細電路見圖19。</p><p><b>　　圖19</b>

29、;</p><p><b>　　校正電路</b></p><p>　　由74HC51D、74HC00D與電阻組成，校正電路有分校正和時校正兩部分，電路如圖20。</p><p><b>　　圖20</b></p><p><b>　　晶體振蕩電路</b></p>

30、<p>　　由晶體與2個30pF電容、1個4060、一個10兆的電阻組成，芯片3腳輸出2Hz的方波信號，電路如圖21。</p><p><b>　　圖21</b></p><p><b>　　整點報時電路</b></p><p>　　由74HC30D和蜂鳴器組成，當時間在59:50到59:59時，蜂鳴報時，電路如

31、圖22。</p><p><b>　　圖22</b></p><p><b>　　六、總接線元件布局</b></p><p>　　整個數(shù)字鐘由時間計數(shù)電路、晶體振蕩電路、校正電路、整點報時電路組成。</p><p>　　其中以校正電路代替時間計數(shù)電路中的時、分、秒之間的進位，當校時電路處于正常輸入信

32、號時，時間計數(shù)電路正常計時，但當分校正時，其不會產(chǎn)生向時進位，而分與時的校位是分開的，而校正電路也是一個獨立的電路。</p><p>　　電路的信號輸入由晶振電路產(chǎn)生，并輸入各電路。</p><p><b>　　七、電路原理總圖</b></p><p>　　在原有的簡圖的基礎上，按實際布局畫了這張按實際芯片布局的接線圖，如圖23：</p&

33、gt;<p><b>　　圖23</b></p><p><b>　　八、總結</b></p><p>　　實驗過程中遇到的問題及解決方法</p><p>　　面包板測試,未遇問題。</p><p>　　七段顯示器與七段譯碼器的測量時，有時有些數(shù)字顯示斷開、不完整。原因可能是數(shù)碼管引腳

34、接觸不良，或者是數(shù)碼管某些引腳壞。在接電路時譯碼管的電源和接地的沒接，直接導致譯碼管無法工作，數(shù)碼管無數(shù)字顯示。</p><p>　　時間計數(shù)電路的連接與測試 </p><p>　　仔細的連接電路是非常重要的，不要忘了電源和接地的引腳連接線。測試時秒 計數(shù)顯示無法進位、跳動還較快，無法進位是因為在74LS08D集成管的輸入輸出弄錯引腳，跳動較快是因為把4060BP和74LS74D的接線引腳

35、接在了4060BP的2引腳。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)接線錯誤調整后，時間秒顯示正常。</p><p><b>　　校正電路</b></p><p>　　校正時有時單獨校正分，時會跟著調動，原因是分與時的進位接線沒斷開。</p><p><b>　　設計體會</b></p><p>　　通過這次實訓，讓我們更加了解

36、了各種集成塊的應用，也對其中一些集成塊的用途有了一定的了解。</p><p>　　實訓對于我們的動手能力也是一種提高，細心，認真在其尤其重要。對于一些容易遺漏的引腳，如電源，接地引腳特別要注意。</p><p><b>　　對設計的建議</b></p><p>　　在學生了解的基礎上，應該培養(yǎng)學生自己的改進、創(chuàng)新的意識。讓學生的能力有真正的提高