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数字电子钟的设计与制作一、设计概述1.设计任务时钟脉冲电路设计60进制计数器设计24进制计数器设计“秒”，“分”，“小时”脉冲逻辑电路设计“秒”，“分”，“小时”显示电路设计“分”，“小时”校时电路整点报时电路2.功能特性设计的数字钟能直接显示“时”，“分”，“秒”，并以24小时为一计时周期。当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能。要求电路具有整点报时功能，报时声响为四低一高，最后一响正好为整点。3.原理框图图1原理框图二、设计原理数字钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和报时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。干电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、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，一般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秒发现胡一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“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，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态菁七段显示译码器译码，通过六位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脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。三、设计步骤1.计数器电路根据计数周期分别组成两个60进制（秒、分）和一个24进制（时）的计数器。把它们适当连接就可以构成秒、分、时的计数，实现计时功能。CC4518的符号如图，一个芯片集成了两个完全相同的十进制计数器，其异步清零信号CR是高电平有效。记数脉冲输入CP和记数允许EN是或关系，即EN=1时，CP脉冲可以通过或门产生上升沿触发记数，反过来如将CP端接低电平（CP=L），则EN端可以加入计数脉冲，用其下降沿经反相通过或门产生上升沿触发计数，计数器输出8421BCD码。秒计数器的设计及安装秒计数器为60进制计数器。实现此模数的计数器是由双BCD同步加计数器CD4518构成。秒计数器是六十进制，由一个十进制和一个六进制计数器异步级联组成，各记数器都接成下降沿触发方式，其中六进制计数器用异步复接法构成。两级计数器出现0110，0000时通过置数脉冲使计数器清零,也就是此时AQ2,AQ1通过与门后发出置数脉冲使计数器通过清零端AR清零（如图2所示）。图2秒计数器分计数器的设计及安装分计数器也是60进制计数器。同秒计数器一样是由双BCD同步加计数器CD4518构成。再按同秒计数器的方法接成可实现100进制的计数器。再用同秒计数器的方法实现60进制（如图3所示）。图3分计数器时计数器的设计及安装时计数器是24进制计数器。实现此模数的计数器是由双BCD同步加计数器CD4518构成。时计数器是24进制，在两级计数器出现0010，0100时通过置数脉冲使计数器清零,也就是此时AQ1,BQ2通过与门后发出置数脉冲使计数器通过清零端AR，BR清零，这样就构成了24进制计数器（如图4所示）。图4时计数器2.译码和数码显示电路译码和数码显示电路是将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来。可被人们的视觉器官所接受。显示器件选用液晶显示。能显示出清晰直观的数字符号。译码电路的功能是将“秒”“分”“时”计数器的输出代码进行编译，变成相应的数字。用于驱动液晶显示的输入端，便可进行不同数字显示。当数字钟的计数器在CP脉冲的作用下，按60秒为一分，60分为一小时，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，需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来（如图5所示）。图5译码和数码显示电路3.振荡器电路振荡器的作用是产生时间标准信号。数字钟的精度就是主要取决于时间标准信的频率和稳定度。所以，在实验中采用电路由14位二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060、BCD双主-从D型触发器CD4013构成的秒信号发生器作为时间标准信号源（如图6所示）。图6秒脉冲发生器CC4060是带振荡电路的14位二进制计数器，晶体和电阻电容配合振荡电路组成振荡器，振荡频率为32768Hz，该信号在片内接至计数器的计数脉冲输入端，经过14级分频，在输出端QN得到2Hz方波信号，再经过CC4013组成的二分频电路得到1Hz秒脉冲信号。CC4013是双D触发器，其中一个用于秒脉冲电路，产生单脉冲的原理是：在按键开关S4按下接通时，VDD被R1，R2两个电阻分压使置1端S为高电平，Q输出变1，通过R3向C1充电，置0端R电位由低变高，至有效高电平时使出发器Q返回0，每按一次按键Q端就输出一个单脉冲，通过S1-S3三个开关用此脉冲代替时，分，秒记数器，人为更改计数值，以对时，分，秒分别进行校时。4.校时电路数字钟电路由于秒输出信号的精确性和稳定性不可能做到完全准确无误，又因为电路中其他的原因数字钟总会产生走时误差的现象。所以，电路中就应该有校准时间功能的电路。校时的方法是给被校时的计时电路引入一个超出常规计时许多倍的快速脉冲信号，从而使计时电路快速达到标准时间。将脉冲信号引到“分”和“时”的脉冲输入端以便快速校准“分”和“时”。CC4013是双D触发器，其中一个用于秒脉冲电路，产生单脉冲的原理是：在按键开关S4按下接通时，VDD被R1，R2两个电阻分压使置1端S为高电平，Q输出变1，通过R3向C1充电，置0端R电位由低变高，至有效高电平时使出发器Q返回0，每按一次按键Q端就输出一个单脉冲，通过S1-S3三个开关用此脉冲代替时，分，秒记数器，人为更改计数值，以对时，分，秒分别进行校时（如图7所示）。图7校时电路5.整点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，驱动音响电路，要求每隔一秒音响电路鸣叫一次，每次叫声的时间持续1秒，10秒中内自动发出5声鸣叫，并且前4声低，最后一声高，正好报整点。整点报时电路主要由控制门电路和音响电路两部分组成（如图8所示）。图8整点报时电路控制门电路部分图9中与门的输入信号Q4、Q3、Q2、Q1、分别表示“分十位”、“分个位”、“秒十位”、“秒个位”的状态，下标中的D、C、B、A分别表示组成计数器的四个触发器的状态。由图9可以看出：Y1=QC4*QA4*QD3*QA3Y2=Y1*QC2*QA2以上二式表示当分十位为5（即QC4QA4=101）、分个位为9（即QD3QA3=1001）、秒十位为5（即QC2QA2=101）时，即59分50秒时发出控制信号。根据设计要求，数字钟电路要求在59分51秒、53秒、55秒、59秒时各鸣叫一次。当计数器达到59分50秒时，分、秒计数器的状态为：QD4QC4QB4QA4=0101（分十位）QD3QC3QB3QA3=1001（分个位）QD2QC2QB2QA2=0101（秒十位）QD1QC1QB1QA1=0000（秒个位）前四声计数器状态发生在59分51秒至59分58秒之间。因此，只有秒个位的状态发生变化，而其他计数器的状态无需变化，所以可保持不变。此时QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不变，将它们相与即得Y2。而51秒、53秒、55秒、57，59秒时的秒计数器个位状态分别为QD1QC1QB1QA1=0001（51秒）QD1QC1QB1QA1=0011（53秒）QD1QC1QB1QA1=0101（55秒）QD1QC1QB1QA1=0111（57秒）并根据需要，前四声为低，则接如512Hz的脉冲信号。最后一声的各计数器状态分别如下：QD4QC4QB4QA4=0000（分十位）QD3QC3QB3QA3=0000（分个位）QD2QC2QB2QA2=0000（秒十位）QD1QC1QB1QA1=0000（秒个位）即只须将分进位信号和1024Hz的脉冲信号接入即可（如图9所示）。图9整点报时控制门电路音响电路部分音响电路采用集电极输出器，推动8欧母的喇叭，三极管基极串接10K限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭（如图10所示）。图10整点报时音响电路四、设计电路原理图：图11设计电路原理图五、印制板图图12印制板图六、材料清单七、电路调试1.计数器的安装与调试。按图2，图3，图4电路在实验箱上连线。连线顺序为秒计数器，分计数器，时计数器。接好线路后，将秒计数器，分计数器，时计数器连接个位的芯片的第2个和第10个管脚分别接上脉冲上检验所接电路是否为正确的。2.译码显示电路的安装与调试。按图5电路在数字电路实验箱上连线。按已接好的脉冲调试，看看所接电路是否正确。3.振荡器的安装和调试。按图6电路在实验箱上连线。接上示波器，观察波形可知道振荡器安装是否正确。4.校时电路的安装和调试。按图7所示的电路图在数字实验箱上连线。将电路输出接二极管。拨动开关。观察在CP作用下，输出端二极管的显示情况。根据开关的不同状态，输出端输出频率之比约为1：60，“开关”即数字实验箱上的逻辑电平开关。5.整点报时电路的安装和调试。按图8在数字实验箱上连线。报时电路发出的声响是59分1秒至59分60秒之间，59分的状态是不变的。观察计数器CP信号的作用下，喇叭发出声响的情况。八、设计体会通过该设计让我通过设计掌握数字电路设计和制作的一般方法。通过对实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试环节，我初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。认识到理论和实际电路之间的不同，让我更注意理论和实际的联系，并初步学会了在电路设计方面理论向实际转化的方法。在整个数字钟的设计过程中，自己从中也学到了不少知识，特别是CMOS门电路。加强了理论知识与实践统一的能力，加强了自己的动手操作能力，为以后的电路设计打好基础。附录芯片功能表CD4518双BCD同步加计数器CD4023三3输入端与非门CD4013双主-从D型触发器CD4081四2输入端与门CD4082双4输入端与门CD406014级二进制串行计数/分频器参考文献【1】贾秀美，数字电路实践技术（第一版）.中国科学技术出版社，2000【2】王毓银，脉冲与数字电路（第三版）.高等教育出版社，1999【3】路勇，电子电路实践及仿真（第一版）.清华大学出版社，2004【4】赵宝经，中国集成电路大全CMOS集成电路（第一版）.国防工业出版社，1985【5】岳怡，数字电路与数字电子技术（第一版）.西北工业大学出版社，2001【6】刘常澍，数字逻辑电路（第一版）.国防工业出版社，2002【7】萧宝瑾，protel99SE操作指导与电路设计实例（第一版）.太原理工大学，2004【8】网址：=603【9】网址：【10】网址：【11】网址：更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区