数电课程设计——数字钟

1数字钟1设计任务与要求1.1设计任务数字钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无需机械传动等优点。因而得到了广泛的应用。小到人们日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数字电子钟。本次课程设计要求以中规模集成电路为主，利用所学知识，设计一个数字钟。通过本次课程设计，进一步加强数字电路综合应用能力，掌握数字电路的设计技巧，增强实践能力，以及熟练掌握数字钟的系统设计、组装、调试及故障排除的方法。1.2设计要求数字钟采用数码管显示，显示范围0时0分00秒——23时59分59秒；提出至少两种设计实现方案，并优选方案进行设计；有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；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；并且要求走时准确。画出电路原理图（或仿真电路图）；选择元器件及参数，列出有相关元器件清单；自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。编写设计报告，写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。2总体概要设计数字钟的电路组成方框图如图2.1所示。由图可见，数字钟由晶振分频、计时、校时、闹铃设置、比较、闹响延时、显示选择、译码显示九个模块组成，其中计时模块是整个电路的核心，其他模块可看作辅助电路，帮助完成增强功能。晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的脉冲，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。分频器电路将32768Ｈz的高频方波信号分频后得到1Hz的方波信号，可以供秒计数器进行计数。同时可得得到2Hz的调节脉冲和512和1024Hz的报时脉冲。分频器实际上也就是计数器。时间计数电路由秒计数器、分计数器及时计数器电路构成，其中秒计数器、分计数器为60进制计数器，时计数器设计为12进制计数器或者24进制计数器，我们这里设计闹响计数器为30进制计数器，由秒向的进位信号驱动，即闹铃闹响最长时间为30分钟。2译码显示电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。显示采用LED。比较模块在闹铃时间与时钟计数器时间相等时给出一个信号。闹响延时在收到比较模块的信号后给出最长一个长达三十分钟的选通信号。整点报时在整点时发出四低一高的报时响声，并且闹铃开启的情况下到设置的闹铃时间时发出铃声。显示选择模块在设置闹铃时选择显示置闹时间,在平时显示时钟时间。1Hz2Hz512Hz1024Hz图2.1总体电路设计方框图3单元模块电路设计分析与方案论证3.1时钟驱动脉冲产生模块时钟驱动脉冲产生模块是构成数字式时钟的核心，它产生一个矩形波时间基准源信号，其稳定性和频率精确度决定了计时的准确度，振荡频率愈高，计时精度也就愈高。分频器采用计数器实现，以得到1s（即频率为1Hz）的标准秒脉冲。方案一：该部分电路可以用555定时器构成，如图3.1.1所示，是一个由555定时器构成的1Hz脉冲发生电路，脉冲信号从3号引脚输出，通过改变电路中的电译码显示分频器晶体振荡器整点报时校时显示选择计时比较闹响延时闹铃设置3阻和电容可以得到不同频率的脉冲。其计算方法是：tpl=R2Cln2；tph=（R2+R2）Cln2。图3.1.1秒脉冲发生器方案二：图3.1.2所示电路通过与CD4060的ＣＭＯＳ非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，ＣＭＯＳ非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻Ｒ１为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。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，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。图3.1.2晶体振荡电路晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，4有利于减少分频器级数。其中C1、C2为22pF，当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为20MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。555定时器和晶体振荡器构成的脉冲发生器相比，由于电阻电容及其自身的精度的影响，其精度相对差一些，稳定度不让晶振且电路要复杂些，所以本次设计采用晶体振荡器。分频器电路通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，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。通常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（215），即实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。计数器可用多种方法构成，在下面的计时部分还会讲到。本设计中采用CD4060来构成分频电路。CD4060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，使用起来很方便，并且可以从它的3、4、5号引脚分别得到2Hz、512Hz、1024Hz的调整信号和蜂鸣器驱动信号。CD4060计数为最高为１４级２进制计数器，可以将32767ＨZ的信号分频为2HZ，再经过D触发器74LS74可以将它分为1HZ的信号。如图3.1.3所示，可以直接实现振荡和分频的功能。（注：11、10号引脚接晶振）图3.1.3分频电路3.2时间计数模块5时间计数模块有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数模块一般为24进制计数器计数器，其输出为两位8421BCD码形式；分计数和秒计数模块为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。可以用很多种方法构成计数器，如可预置BCD异步清除计数器74xx161、可预置四位二进制异步清除计数器74xx160等，可用清零法或者置数法来实现。如图3.2.1所示，本设计采用了74LS90用两块芯片进行级联来产生60进制、24进制计数器和30进制计数器。74LS90为二-五-十进制计数器，只需将CKB与Q0相连，便可构成十进制计数器，而秒个位计数单元为10进制计数器，所以无需进制转换，只需将Ｑ0与CKB（下降沿有效）相连即可。ＣＰ0（下降没效）与１Ｈz秒输入信号相连，Ｑ3在其计数为8时跳变为高电平，在9到0的瞬间跳变为低电平，产生一个下降沿，可作为向上的进位信号与十位计数单元的CKA相连，无需其他辅助逻辑门，这是选择7490的原因之一。图3.2.1秒60进制计数器秒十位计数单元为６进制计数器，需要进制转换。7490的清零端有两个，分别为，它们同时为高电平时有效，所以可将Ｑ1、Ｑ2分别接到R0（1）、R0（2）将１０进制计数器转换为６进制计数器，其中Ｑ2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CKA相连。分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元基本同，也是分个位计数单元的Ｑ3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CKA相连。不同的是，分个位计数单元的Ｑ3、Ｑ0和分十位计数单元的Ｑ2、Ｑ0相与后作为向上的进位信号。这是为了在分校时时不向小时进位，在校时部分还会提到。时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是根据任务要求，整个时计数单元应为24进制计数器，所以要在两块74LS90构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。24进制计数功能的电路如图3.2.2所示。6图3.2.2时24进制计数器3.3译码显示模块计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流本设计，选用74XX4511作为显示译码电路，选用七段共阴LED数码管作为显示单元电路，图3.3.1所示为秒部分的译码显示单元，其他部分的译码显示单元与之完全相同。其中电阻取值为300欧姆，起限流作用。这部分电路可以用7448、7447加共阴或共阳数码管组成，电路也差不多，方案选择可以随意。图3.3.1秒译码显示电路73.4校时模块当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中，而且在校正分钟时应截断分向时的进位信号，以免在校分的时候影响小时的状态，从而引起对小时不必要的重新校正。图3.4.1所示为本设计的校时电路。图3.4.1校时电路该电路采用2-3/2-2输入端双与或非门74LS51和其他辅助器件构成，用2Hz脉冲信号作为校正信号在没有按下校正按钮时，封锁2Hz校正信号，选通秒向分和分向时的进位信号，当按下时按钮，进位信号被封锁，调整信号被选通，如果一直按着按钮，可以实现连续调节。在调分的时候，必须保证分向小时的进位信号1h为低电平，否则当点动调分按钮TMS时，小时计数部分会跟随TMS产生的脉冲下降沿加计数，所以在上面的时间计数模块里，分向时的进位信号设置为分个位计数单元的Ｑ3、Ｑ0和分十位计数单元的Ｑ2、Ｑ0的相与，这样就只有在分8为59时，1h为高电平。非门U16：A和U16：B保证了电路为下降沿触发。图中的按钮开关处可加入消抖电路，消抖电路可以由RS锁存器够成，也可以用D触发器构成。由于在本设计中校时电路要求不高，加上为尽量减小电路大小，以便能在一块面包板上做出实物，所以没有加消抖电路没有。消抖电路模型入图3.4.2所示。&G1&G1SBRR5VQQ图3.4.2校时去抖电路3.5整点报时一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。根据要求，电路应在整点前5秒钟内开始整点报时，即当时间在59分55秒到59分59秒期间时，报时电路给报时控制信号。报时电路选如图3.5.1所示，选蜂鸣器为电声器件。9图3.5.1整点报时电路整点报时电路中蜂鸣器发出声音的条件是时间在59分55秒到59分59秒期间，55到58秒每秒一次低音，59秒时为一次高音。而在这段时间内，分不变，秒的十位也不变，因此可作为一个选通信号，在图中，U40：A、B生产该信号，当时间在59分55秒到59分58秒期间，由U43，74LS151产生低音信号蜂鸣器以512Hz发声，当时间为59分59秒时U41：A给出高音信号，蜂鸣器以1024Hz发声。该电路还作为闹铃的发声部分。该部分电路功能可完全由逻辑门构成，其原理相同，其只有整点报时部分的电路如图3.5.2所示，由图可知，这个电路很复杂，元件繁多，在本设计中放弃不用。图3.5.2由逻辑门构成的整点报时电路还有一种实现整点报时功能的方案，其基本思路如下：当时间在59分55秒时，产生一个信号时使RS触发器置1,蜂鸣器开始发出低音，当时间在59分59秒时，再产生一个信号时使另一个RS触发器置1，蜂鸣器开始发出高音，同时清零第一个RS触发器，过后关闭蜂鸣器。这种用法在闹铃延时模块用到，这里不给出具体实现方案的电路。3.6置闹模块数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”；或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定要求。本设计中设计一个闹铃，能在指定的时刻闹响，并在无人干预的情况下持续半小时，期间可以关断。同样采用74LS90构成置闹电路的分钟和小时的M60和M2410的计数电路，其构成与时钟计时部分完全相同，在这里主要介绍其控部分电路如图3.6.1所示。图3.6.1置闹的控制电路图当按下闹铃设置使能按钮ASE时可以设置闹响时间，此时信号ase为高电平，作用于显示选择模块，使显示模块显示置闹