石常兴(15)设计数字电子钟

1题目：设计数字电子钟专业：电子信息工程姓名：石常兴指导老师：时间：20062数字钟的设计设计任务与要求一、基本要求1、设计一台能准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间,要求24小时为一计时周期。2、当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能。3、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。二、设计内容1．电路各部分的组成及工作原理。2．元器件的选取及其电路图和功能。3．电路各部分的调试方法。本电路主要采用中规模CMOS集成电路CC4000系列组成数字钟的组成和基本工作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五部分组成。如图所示：一、晶体振荡器晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一信号。也可采用与门电路或555定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号源。二、计数器有了时间标准“秒”信号后，就可以根据60秒为1分、60分为1小时、24小时为1天的计数周期，分别组成两个六十进制(秒、分)、一个二十四进制(时)的计数器。将这些计数器适当连接，就可以构成秒、分、3时的计数，实现计时功能。三、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，被人们的视觉器官所接受。显示器件选用LED七段数码管。在译码显示电路输出信号的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。四、校时电路实际的数字钟电路由于秒信号的精确性和稳定性不可能做到完全(绝对)准确无误，加之电路中其它原因，数字钟总会产生走时误差的现象。因此，电路中就应该有校准时间功能的电路。五、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54秒时，驱动音响电路，每次叫声的时间持续1秒，5秒钟内自动发出六声呜叫，且前五声低，最后一声高，正好报整点。设计步骤与方法一、振荡电路振荡器是数字钟的心脏，它是产生时间标准“秒”信号的电路。为了制作简便，在精度要求不高的条件下，本系统中的振荡电路选用CD4060计数器和CD4027双J-K触发器，经14级二进制串行计数/分频器分频，得到一秒钟的时钟脉冲，二、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。它们都可以用两个“可予制四位二进制异步清除”计数器来实现。利用74LS161芯片的预置数功能，也可以构成不同进制的计数器。因为一片74LS161内含有一个四位二进制异步清除计数器，因此需用两片74LS161就可以构成六十进制或二十四进制计数器了。集成电路74LS161芯片的电路其中CP为时钟脉冲输入端，D0、D1、D2、D3为预置数输入端，为置数控制端，为异步复位端，（如图）二者均为低电平有效；Q0、Q1、Q2、Q3为计数器的输出端。三、译码显示电路当数字钟的计数器在CP脉冲作用下，按60秒为1分、60分为1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。这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来。我们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触发器的输出状态来反映的。每组(四个)．输出的计数状态都按BCD代码以高低电平来表现。因此，需经译码电路将计4数器输出的BCD代码变成能驱动七段数码显示器的工作信号。译码显示电路选用BCD-7段锁存译码／驱动器CC4511。七段显示数码管的外部引线排列见图7(a)、(b)。现以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，其电路示意图见图8。四、校时电路当时钟指示不准或停摆时，就需要校准时间(或称对表)。校准的方法很多，常用的有“快速校时法”。现在以“分计时器”的校时电路为例，简要说明它的校时原理，见图9。与非门1，2构成的双稳态触发器，可以将1Hz的“秒”信号和“秒计数器的进位信号”送至“分计数器的CP端”。两个信号中究竟选哪个送入由开关K控制，它的工作过程是这样的：当开关K置“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”正常工作；需要校正“分计时器”时，将开关K置“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”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，以达到校准时间的目的。5五、整点报时电路数字钟整点报时是最基本的功能之一。现在设计的电路要求在离整点差10秒时，每隔1秒钟鸣叫一次，每次持续时间为1秒，共响5次，前四次为低音500Hz，最后一声为高音1000Hz。整点报时电路的电路原理图如图10所示。整点报时电路主要由控制门电路和音响电路两部分组成。1．控制门电路部分由与非门1-8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2.1.11可以看出：Y1=Qc4·QA4·QD3·QA3Y2=Y1·QC2·QA2Y3=Y2·QD1·QA1·f1(1KHz)Y4=Y2·QD1·QA1·f2(500Hz)根据设计要求，数字钟电路要求在59分51秒、53秒、55秒、57秒和59秒时各鸣叫一次。当计数器计到59分50秒时，分、秒计数器的状态为：QD4QC4QB4QA4=0101(分十位)QD3QC3QB3QA3=1001(分个位)6QD2QC2QB2QA2=0101(秒十位)QD!QC1QB1QA1=0000(秒个位)要求音响电路工作，计数器状态的变化仅发生在59分50秒至59分59秒之间。因此，只有秒个位的状态发生变化，而其它计数器的状态无须变化，所以可保持QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不变。将它们相与Y2=QC4.QA4.QD3.QA3.QC2.QA2=1将此信号作为与非门5、6的控制信号。由图10可以看出：可见要使Y5=1，在Y2=1的情况下(即59分50秒不变的前提下)有以下两种情况：(1)当1000Hz信号输入时，应使QDl·QAl的状态为1，即QDlQc1QB1QAl=1001，即59秒。(2)当500Hz信号输出时，应使函·QAl的状态为1，即QDl=0、QA1=1。由表X可以看出：QDl=0、QA1=1的所有状态组合只有四种，即0001、0011、0101、0111，它们分别表示51秒、53秒、55秒和57秒。表XQD1QC2QB3QA1D1QA100000000110010000111010000101101100011112．音响电路音响电路采用射极输出器，推动8Ω的喇叭，三极管基极串接lkΩ限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭，集电极串接51Ω限流电阻，．三极管选用高频小功率管即可。当Y5端为高电平时，三极管T导通，有电流流经喇叭，使之发出鸣叫声。通过以上分析可知，当计时至59分51、53、55、57秒时，频率为500Hz的信号通过喇叭，当计时至59分59秒时，频率为1000Hz的信号通过喇叭，因而发出四低一高的声音，音响结束正好为59分60秒。7总结8总结由于我们刚学习过了数字电子电路对电子技术有了进一步的了解，但那都是一些理论的东西。通过这次数字电子钟的课程设计，我们才把学到的东西与实践相结合。从中对我们学的知识有了更进一步的理解。这次设计主要以数字电子为主，实现对时、分、秒、星期数字显示的计时装置,周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，并具有校时功能和报时功能的数字电子钟。电路主要采用中规模CMOS集成电路本设计只使用了一些常用的集成块和常用的连接方法来组成电子钟，还有许多其他的方法和使用不同的集成块来完成上述功能，其组合方式更是多种多样秒钟的时钟信号源是整个电路最重要的部分，它工作的是否稳定将直接影响整个电子钟是否走时准确，如果它存在误差，其值虽小，但如果长时间的累计其对走时的影响将非常明显，这是在设计中要着重考虑的问题此次设计的电子钟使用电池供电，因此要选用功耗较小的的集成块（如CMOS系列等）。以上几点是在以后的设计中考虑的问题。在此次的数字钟设计过程中，还参考一些电子设计书籍和互联网上的有关器件及集成电路等方面的资料和借鉴了一些电子钟的设计方法。通过这一系列的步骤使我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。虽然我们现在作的不可能到市场上去销售，但我们要为以后作设计培养出好的习惯。在这次设计过程中，我也对word、ptotel99、画图板等软件有了更进一步的学习，这将给我在以后的工作中和学习中带来一定的帮助。参考文献及资料1、康华光.电子技术基础模拟部分（第四版）.高等教育出版社，1999年2、康华光.电子技术基础数字部分（第四版）.高等教育出版社，2000年3、蔡明生.电子设计.高等教育出版社,2004年4、何希才.新型集成电路应用实例.电子工业出版社2002年