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数字钟电路设计

发布时间:2023-05-29 20:07:39

Ⅰ 数字时钟的数字时钟设计

数字电子技术的迅速发展,使各种类型集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面得到了广泛的应用。为了适应现代电子技术的迅速发展需要,能够较好的面向数字化和专用集成电路的新时代,数字电路综合设计与制作数字钟,可以让我们了解数字时钟的原理。在实验原理的指导下,培养了分析和设计电路的能力。并且学会检查和排除故障,提高分析处理实验结果的能力。
数字时钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置。与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更长的使用寿命,已得到广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路,一般是由振荡器、分频器、计数器、显示器等几部分组成。其中包括了组合逻辑电路和时序电路。数字钟的设计方法有许多种,例如:可用中伏携小规模集成电路组成电子钟;也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟;还可以利用单片机来实现电子钟等等。
数字时 钟以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求高、高精确性、容易开发等特性,在工业控制系统、智能化器仪表、办公自动化等诸多领域取得了极为广泛的应用,诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、腔丛自动启闭路灯、定时开关烘箱、伍厅樱通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等。

Ⅱ 数字电子石英钟设计

数字电子钟的设计(由数字IC构成)一、设计目的
1. 熟悉集成电路的引脚安排。
2. 掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
3. 了解面包板结构及其接线方法。
4. 了解数字钟的组成及工作原理。
5. 熟悉数字钟的设计与制作。二、设计要求
1.设计指标时间以24小时为一个周期;显示时、分、秒;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;计时过程具有报时功能,当时间到达整点前5秒进行蜂鸣报时;为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。2.设计要求画出电路原理图(或仿真电路图);元器件及参数选择;电路仿真与调试;PCB文件生成与打印输出。
3.制作要求 自行装配和调试,并能发现问题和解决问题。
4.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。
三、设计原理及其框图
1.数字钟的构成
数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。图 3-1所示为数字钟的一般构成框图。

图3-1 数字钟的组成框图
⑴晶体振荡器电路
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号,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。

⑵分频器电路
分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768( )次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。
⑶时间计数器电路
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,时个位和时十位计数器为12进制计数器。
⑷译码驱动电路
译码驱动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。
⑸数码管
数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计提供的为LED数码管。
2.数字钟的工作原理
1)晶体振荡器电路
晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定。
图3-2所示电路通过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定性及准确性,从而保证了输出频率的稳定和准确。
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,有利于减少分频器级数。
从有关手册中,可查得C1、C2均为30pF。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10MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
非门电路可选74HC00。

图3-2 COMS晶体振荡器
2)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32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768(215),即实现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器。常用的2进制计数器有74HC393等。
本实验中采用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,使用更为方便。
CD4060计数为14级2进制计数器,可以将32768HZ的信号分频为2HZ,其内部框图如图3-3所示,从图中可以看出,CD4060的时钟输入端两个串接的非门,因此可以直接实现振荡和分频的功能。

图3-3 CD4046内部框图
3)时间计数单元
时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。
时计数单元一般为12进制计数器计数器,其输出为两位8421BCD码形式;分计数和秒计数单元为60进制计数器,其输出也为8421BCD码。
一般采用10进制计数器74HC390来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量,可选74HC390,其内部逻辑框图如图2.3所示。该器件为双2—5-10异步计数器,并且每一计数器均提供一个异步清零端(高电平有效)。

图3-4 74HC390(1/2)内部逻辑框图
秒个位计数单元为10进制计数器,无需进制转换,只需将QA与CPB(下降沿有效)相连即可。CPA(下降没效)与1HZ秒输入信号相连,Q3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连。
秒十位计数单元为6进制计数器,需要进制转换。将10进制计数器转换为6进制计数器的电路连接方法如图3-5所示,其中Q2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CPA相连。

图3-5 10进制——6进制计数器转换电路

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完全相同,只不过分个位计数单元的Q3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CPA相连,分十位计数单元的Q2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的CPA相连。
时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同,但是要求,整个时计数单元应为12进制计数器,不是10的整数倍,因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行12进制转换。利用1片74HC390实现12进制计数功能的电路如图3-6所示。
另外,图3-6所示电路中,尚余-2进制计数单元,正好可作为分频器2HZ输出信号转化为1HZ信号之用。

图3-6 12进制计数器电路
4)译码驱动及显示单元
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,选用CD4511作为显示译码电路,选用LED数码管作为显示单元电路。
5)校时电源电路
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。图3-7所示即为带有基本RS触发器的校时电路,
图3-7 带有消抖动电路的校正电路
6)整点报时电路
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10秒钟内开始整点报时,即当时间在59分50秒到59分59秒期间时,报时电路报时控制信号。报时电路选74HC30,选蜂鸣器为电声器件。
四、元器件
1.实验中所需的器材:5V电源。面包板1块。示波器。万用表。镊子1把。剪刀1把。网络线2米/人。
共阴八段数码管6个。CD4511集成块6块。CD4060集成块1块。74HC390集成块3块。
74HC51集成块1块。74HC00集成块5块。74HC30集成块1块。10MΩ电阻5个。
500Ω电阻14个。30p电容2个。32.768k时钟晶体1个。蜂鸣器。
2.芯片内部结构图及引脚图

图4-1 7400 四2输入与非门 图4-2 CD4511BCD七段译码/驱动器
图4-3 CD4060BD 图4-4 74HC390D

图4-5 74HC51D 图4-6 74HC30

3.面包板内部结构图
面包板右边一列上五组竖的相通,下五组竖的相通,面包板的左边上下分四组,每组中X、Y列(0-15相通,16-40相通,41-55相通,ABCDE相通,FGHIJ相通,E和F之间不相通。
五、个功能块电路图
1. 一个CD4511和一个LED数码管连接成一个CD4511驱动电路,数码管可从0---9显示,以次来检查数码管的好坏,见附图5-1。图5-1 4511驱动电路2. 利用一个LED数码管,一块CD4511,一块74HC390,一块74HC00连接成一个十进制计数器,电路在晶振的作用下数码管从0—9显示,见附图5-2。
图5-2 74390十进制计数器3. 利用一个LED数码管,一块CD4511,一块74HC390,一块74HC00和一个晶振连接成一个六进制计数器,数码管从0—6显示,见附图5-3。图5-3 74390六进制计数器4. 利用一个六进制电路和一个十进制连接成一个六十进制电路,电路可从0—59显示,见附图5-4。
图5-4 六十进制电路5. 利用两个六十进制的电路合成一个双六十进制电路,两个六十进制之间有进位,见附图5-5。

图5-5 双六十进制电路6. 利用CD4060、电阻及晶振连接成一个分频——晶振电路,见附图5-6。
图5-6 分频—晶振电路7. 利用74HC51D和74HC00及电阻连接成一个校时电路,见附图5-7。

图5-7 校时电路

8. 利用74HC30和蜂鸣器连接成整点报时电路。见附图5-8。

图5-8 整点报时电路

9. 利用两个六十进制和一个十二进制连接成一个时、分、秒都会进位的电路总图,见附图5-9。
用ttl集成电路构成的“二十四小时数字钟”,具有校时和整点报时功能,555定时器接成多谐振荡器产生秒脉冲信号,调节rw即可校准秒信告,计数器7416 i、ii组成60进制“秒”计数电路,iii、iv组成“分”计数电路,v、vi组成24进制“时”计数电路,校时电路由与非门7400构成的双稳态触发路构成,可消除开关抖动的影响,整点报时 电路 由与非门7430和d触发器7474构成 ,1秒钟响一声、直至整点为止。
有关用晶振电路产生秒脉冲电路的“12小时数字钟,请看下回贴 数字电子钟参考电路(24小时数字钟)
[upload=jpg,325.83,450,915,822]/58474-1-2-9489.
上面的电路图是用ttl集成电路构成的“二十四小时数字钟”,具有校时和整点报时功能,555定时器接成多谐振荡器产生秒脉冲信号,调节rw即可校准秒信告,计数器7416 i、ii组成60进制“秒”计数电路,iii、iv组成“分”计数电路,v、vi组成24进制“时”计数电路,校时电路由与非门7400构成的双稳态触发路构成,可消除开关抖动的影响,整点报时 电路 由与非门7430和d触发器7474构成 ,1秒钟响一声、直至整点为止。
有关用晶振电路产生秒脉冲电路的“12小时数字钟,请看下回贴图。

Ⅲ 数字钟的设计

数字电子钟的设计

一、 绪论

(一)引言
20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵,工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情,当事情不是很重要的时候,这种遗忘无伤大雅。但是,一旦重要事情,一时的耽误可能酿成大祸。例如,许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。尤其在医院,每次护士都会给病人作皮试,测试病人是否对药物过敏。注射后,一般等待5分钟,一旦超时,所作的皮试试验就会无效。手表当然是一个好的选择,但是,随着接受皮试的人数增加,到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。所以,要制作一个定时系统。随时提醒这些容易忘记时间的人。
钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备,甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
(二)论文的研究内容和结构安排
本系统采用石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。由LED数码管来显示译码器所输出的信号。采用了74LS系列中小规模集成芯片。使用了RS触发器的校时电路。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能。论文安排如下:
1、绪论 阐述研究电子钟所具有的现实意义。
2、设计内容及设计方案 论述电子钟的具体设计方案及设计要求。
3、单元电路设计、原理及器件选择 说明电子钟的设计原理以及器件的选择,主要从石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路五个方面进行说明。
4、绘制整机原理图 该系统的设计、安装、调试工作全部完成。

二、设计内容及设计方案

(一)设计内容要求
1、设计一个有“时”、“分”、“秒”(23小时59分59秒)显示且有校时功能的电子钟。
2、用中小规模集成电路组成电子钟,并在实验箱上进行组装、调试。
3、画出框图和逻辑电路图。
4 、功能扩展:
(1)闹钟系统
(2)整点报时。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频信号,在59分59秒时,输出1000Hz信号,音像持续1秒,在1000Hz音像结束时刻为整点。
(3)日历系统。
(二)设计方案及工作原理
数字电子钟的逻辑框图如图1所示。它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。

图1 数字电子钟逻辑框图

三、单元电路设计、原理及器件选择

(一)石英晶体振荡器
1、重要概念的解释
(1) 反馈:将放大电路输出量的一部分或全部,通过一定的方式送回放大电路的输入端。
(2) 耦合:是指信号由第一级向第二级传递的过程。
2、石英晶体振荡器的具体工作原理
石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。它被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中。它还具有压电效应:在晶体某一方向加一电场,晶体就会产生机械变形;反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。在这里,我们在晶体某一方向加一电场,从而在与此垂直的方向产生机械振动,有了机械振动,就会在相应的垂直面上产生电场,从而使机械振动和电场互为因果,这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时,才达到最后稳定,这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。
用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图2所示。利用两个非门G1和G2 自我反馈,使它们工作在线性状态,然后利用石英晶体JU来控制振荡频率,同时用电容C1来作为两个非门之间的耦合,两个非门输入和输出之间并接的电阻R1和R2作为负反馈元件用,由于反馈电阻很小,可以近似认为非门的输出输入压降相等。电容C2是为了防止寄生振荡。例如:电路中的石英晶体振荡频率是4MHz时,则电路的输出频率为4MHz。

图2 石英晶体振荡电路

(二)分频器
1、8421码制,5421码制
用四位二进制码的十六种组合作为代码,取其中十种组合来表示0-9这十个数字符号。通常,把用四位二进制数码来表示一位十进制数称为二-十进制编码,也叫做BCD码,见表1。
表1
8421码 5421码
0 0000 0000
1 0001 0001
2 0010 0010
3 0011 0011
4 0100 0100
5 0101 1000
6 0110 1001
7 0111 1010
8 1000 1011
9 1001 1100

2、分频器的具体工作原理
由于石英晶体振荡器产生的频率很高,要得到秒脉冲,需要用分频电路。例如,振荡器输出4MHz信号,通过D触发器(74LS74)进行4分频变成1MHz,然后送到10分频计数器(74LS90,该计数器可以用8421码制,也可以用5421码制),经过6次10分频而获得1Hz方波信号作为秒脉冲信号。(见图3)

图3 分频电路
3、图中标志的含义
CP——输入的脉冲信号
C0——进位信号
Q——输出的脉冲信号
(三)计数器
秒脉冲信号经过6级计数器,分别得到“秒”个位、十位,“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60进制,小时为24进制。
1、60进制计数器
(1) 计数器按触发方式分类
计数器是一种累计时钟脉冲数的逻辑部件。计数器不仅用于时钟脉冲计数,还用于定时、分频、产生节拍脉冲以及数字运算等。计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。按触发方式,把计数器分成同步计数器和异步计数器两种。对于同步计数器,输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的,而异步计数器中的触发器的翻转则不是同时。
(2)60进制计数器的工作原理
“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60进制,它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成,如图4所示,采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“秒”、“分”计数器。

图4 60进制计数电路
IC1是十进制计数器,QD1作为十进制的进位信号,74LS90计数器是十进制异步计数器,用反馈归零方法实现十进制计数,IC2和与非门组成六进制计数。74LS90是在CP信号的下降沿翻转计数,Q A1和 Q C2相与0101的下降沿,作为“分”(“时”)计数器的输入信号,通过与非门和非门对下一级计数器送出一个高电平1(在此之前输出的一直是低电平0)。Q B2 和Q C2计数到0110,产生的高电平1分别送到计数器的清零R0(1), R0(2),74LS90内部的R0(1)和R0(2)与非后清零而使计数器归零,此时传给下一级计数器的输入信号又变为低电平0,从而给下一级计数器提供了一个下降沿,使下一级计数器翻转计数,在这里IC2完成了六进制计数。由此可见IC1和 IC2串联实现了六十进制计数。
其中:74LS90——可二/五分频十进制计数器
74LS04——非门
74LS00——二输入与非门
2、24进制计数器
小时计数电路是由IC5和IC6组成的24进制计数电路,如图5所示。
当“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发信号时,IC5计数器自动清零,进位端QD5向IC6“时”十位计数器输出进位信号,当第24个“时”(来自“分”计数器输出的进位信号)脉冲到达时,IC5计数器的状态为“0100”,IC6计数器的状态为“0010”,此时“时”个位计数器的QC5和“时”十位计数器的QB6输出为“1”。把它们分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0(1)和R0(2),通过7490内部的R0(1)和R0(2)与非后清零,从而完成24进制计数。

图5 24进制计数电路
(四) 译码与显示电路
1、显示器原理(数码管)
数码管是数码显示器的俗称。常用的数码显示器有半导体数码管,荧光数码管,辉光数码管和液晶显示器等。
本设计所选用的是半导体数码管,是用发光二极管(简称LED)组成的字形来显示数字,七个条形发光二极管排列成七段组合字形,便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起,而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反,七个发光二极管的阴极接在一起,而阳极是独立的。
当共阳极数码管的某一阴极接低电平时,相应的二极管发光,可根据字形使某几段二极管发光,所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。
2、译码器原理(74LS47)
译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器,它在这里与数码管配合使用,表2列出了74LS47的真值表,表示出了它与数码管之间的关系。
表2
输 入 输 出 显示数字符号
LT(——) RBI(——-) A3 A2 A1 A0 BI(—)/RBO(———)
a(—) b(—) c(—) d(—) e(—) f(—) g(—)

1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0
1 X 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2
1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3
1 X 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 4
1 X 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 5
1 X 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 6
1 X 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7
1 X 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 8
1 X 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 9
X X X X X X 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭
1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭
0 X X X X X 1 0 0 0 0 0 0 0 8
(1)LT(——):试灯输入,是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT(——)=0时,无论输入A3 ,A2 ,A1 ,A0为何种状态,译码器输出均为低电平,若驱动的数码管正常,是显示8。
(2)BI(—):灭灯输入,是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI(—)=0时。不论LT(——)和输入A3 ,A2 ,A1,A0为何种状态,译码器输出均为高电平,使共阳极数码管熄灭。
(3)RBI(——-):灭零输入,它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时,本应显示0,但是在RBI(——-)=0作用下,使译码器输出全为高电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样,将0熄灭。
(4)RBO(———):灭零输出,它和灭灯输入BI(—)共用一端,两者配合使用,可以实现多位数码显示的灭零控制。
3、译码器与显示器的配套使用
译码是把给定的代码进行翻译,本设计即是将时、分、秒计数器输出的四位二进制数代码翻译为相应的十进制数,并通过显示器显示,通常显示器与译码器是配套使用的。我们选用的七段译码驱动器(74LS47)和数码管(LED)是共阳极接法(需要输出低电平有效的译码器驱动)。译码显示电路如图6所示。

图6 译码显示电路
(五)校时电路
1、RS触发器(见图7)

图7 基本RS触发器
R(—) S(—)
Q Q(—)
说 明
0 1
1 0
1 1
0 0 0
1
0或1
1 1
0
1或0
1 置0
置1
保持原来状态
不正常状态,0信号消失后,触发器状态不定

2、无震颤开关电路
无震颤开关电路的原理:(见图8)当开关K的刀扳向1点时,S(—)=0,R(—)=1,触发器置1。S(—)端由于开关K的震颤而断续接地几次时,也没有什么影响,触发器置1后将保持1状态不变。因为K震颤只是使S(—)端离开地,而不至于使R(—)端接地,触发器可靠置1。
当开关K从S(—)端扳向R(—)端时,有同样的效果,触发器可靠置0。从Q端或Q(—)端反映开关的动作,输出电平是稳定的。
3、校时电路的实现原理
当电子钟接通电源或者计时发现误差时,均需要校正时间。校时电路分别实现对时、分的校准,由于4个机械开关具有震颤现象,因此用RS触发器作为去抖动电路。采用RS基本触发器及单刀双掷开关,闸刀常闭于2点,每搬动一次产生一个计数脉冲,实现校时功能

Ⅳ 怎样用数字电路设计一个数字时钟

数字钟电路是一个典型的数字电路系统,其由时,分,秒计数器以及校时和显示电路组成.下面介绍利用集成十进制递增计数器(74160)和带译码器的七段显示数码管组成的数字钟电路.计数器74160和七段显示数码管的功能及使用方法在8.4节已有叙述.

1. 利用两片74160组成60进制递增计数器

利用两片74160组成的同步60进制递增计数器如图9.4-1所示,其中个位计数器(C1)接成十进制形式。十位计数器(C2)选择QC与QB做反馈端,经与非门输出控制清零端(CLR’),接成六进制计数形式。个位与十位计数器之间采用同步级连方式,将个位计数器的进位输出控制端(RCO)接至十位计数器容许端(ENT),完成个位对十位计数器的进位控制。将个位计数器的RCO端和十位计数器的QC、QA端经与们由CO端输出,作进位输出控制信号。当计数器状态为59时,CO端输出高电平,在同步级联方式下,容许高位计数器计数。选择信号源库中的1HZ方波信号作为计数器的测试时钟源。

因为秒与分计数均由60进制递增计数器来完成,为在构成数字钟系统时使电路得到简化,我们将图9.4-1虚线框内建立部分用子电路表示。具体操作过程如下:

在EWB主界面内建立图9.4-1所示60进制计数器,闭合仿真电源,经过功能测试,确保计数器工作正常。选中虚线框内所示部分电路(Circuit)菜单中的创建子电路(Creat Subcircuit……)项,主界面内出现子电路设置对话框,在对话框内添入电路名称(60C)后,选择在电路中置换(Replace in Circuit)项,得用子电路表示的60进制递增计数器如图9.4-3所示。

2、用两片74160组成24/12进制递增计数器

图9.4-4所示电路是由两片74160组成的能实现12和24进制转换的同步递增计数器。图中个位与十位计数器均接成十进制计数形式,采用同步级连方式。选择十位计数器的输出端QB和个位计数器的输出端QC通过与非门NAND2控制两片计数器的清零端(CLR’),利用状态24反馈清零,可实现24进制递增计数。若选择十位计数器的输出端QA与个位计数器的输出端QB经过与非门NAND1输出,控制两片计数器的清零端(CLR’),利用状态12反馈清零,可实现12进制递增计数。敲击Q键,使开关K选择与非门NAND2输出或NAND1输出可实现24和12进制递增计数器的转换。该计数器可利用作数字钟的时计数器。

为简化数字钟电路,我们将图9.4-4所示的24/12进制计数器虚线框内电路转换为子电路,转换方法与上述60进制计数器相同。用子电路表的24/12进制同步计数器如图9.4-5所示。

3. 数字钟系统的组成

利用60进制和24/12进制递增计数器子电路构成的数字钟系统如图9.4-6所示。在数字钟电路中,由两个誉虚60进制同步递增计数器完成秒、分计数,由24/12进制同步递增计数器实现小时计数。

秒、分、时计数器之间采用同步级连判悔方式。开关K控制小时的24进制和12进制计数方式选择。为简化电路,直接选用信号源库中的方波秒脉冲作数字钟的秒脉冲信号,读者可自行设计独立的秒脉冲源,例如;可利用555多谐振荡器产生的秒脉冲,或者采用石英晶体振荡器经分频器产生秒脉冲。还可以在小时显示的基础上,增加上、下午或日期显示以及整点报时等,这里不再赘述。

敲击S和F键,可控制开关S和F 将秒脉冲直接引入时、分计数器,实现校时。

对于图9.4-6所示数字钟电路,若要进一步 简化电路还可以利用子电路嵌套功能将虚线框内电路转换为更高一级的子电路,我们将子电路命名为CLOCK,用高一级子电路表示的数字钟电路如图9.4-7所示。

今后在设计用到数字钟作单元电路的系统时可直接引用该电路,使系统得到简化。

图1、数字电子钟结构图

2、秒钟、分钟计时电路的设计

利用集成十进制递增计数器(74160)和带主译码器的七段显示数码管组成的数字钟电路。计数器74160的功能真值表如图2所示。

根据计数器74160的功能表真值表,利用两片74160组成的同步六十进制递增计数器如图3示,其中个位计数器(CL)接成十进制形式。十位计数器(C2)选择QC与QB做反馈端,经与非门(NEND)输出控制清零端(CLR),接成六进制计数形式。掘虚正个位与十位计数器之间采用同步级连复位方式,将个位计数器的进位输出控制端(RCO)接至十位计数器的计数计数器的计数容许端(ENT),完成个位对十位计数器的进位控制QC,QA端经过与门AND1和AND2由CO端输出,作为六十进制的进位输出脉冲信号,

图二、同步十进制计数器74160真值表

当计数器计数状态为59时,CO端输出高电平,在同步级联方式下,容许高位计数器计数。电路创建完成后,进行仿真实验时,利用信号源库中的1HZ方波信号作为计数器的时钟脉冲源。

图3、秒钟/分钟计时电路

因为秒钟与分钟技术均由六十进制递增计数器来完成,为在构成数字钟系统时使电路得到简化,图虚线框内的电路创建为子电路表示。具体操作过程如下:在EWB主界面内建立如示的六十进制计数器,闭合仿真电源开关,经过计数器功能测试,确定计数器工作正常,选中虚线框内所示部分电路后,再选择电路菜单中创建子电路框内添入子电路名称(分计时)后,选择在电路中置换选项,得到用子电路表示的六十进制递增计数器,即秒钟/分钟计时子电路,如图4

图4、分钟计时子电路对话框

图5、分钟计时电路

四、24/12进制的能实现递增计数器

24/12进制的能实现十二四进制的同步递增计数器。如图四。所示。图中个位与十位计数器均接成十进制计数形式,采用同步级联复位方试。 选择十位计数器的输出端Qb和个位计数器 输出端Qc通过与非门NAND2的控制两片计数器的清零端CLR,当计数器的输出状态为00100100时,立即译码清零,实现二进制纟递增计数器:若选择十位二进制的输出端Q a与个位计数器的输出端Qb经与非门NAD1控制两片计数器的清零端CLR,当计数器的输出状态为00100100时,立即译码反馈为零,实现二十进制递增计数器,若选择十位计数器的输出端Qb经与门NAND1控制两片计数器的清零端CLR。当计数器的输出端状态为00010010时,立即译码反馈为零,实现十二进制递增计数,敲Q,开关Q 选择与非门NAND2输出和NA民NAND1输出实现二十四进制递增计数器的转换。计数器用作数子钟的计数器。

图6、24/12二进制计时电路

为了简化数子电子钟的电路,需要将图765的24/12二进制计数器的线框内电路转换为子电路,方法与上面六二进制的分计数器一样,用子电路表示24/12进同步计数器如图7。

图7、24/12计时电路

五、数字电子钟系统的组成

利用六十进制和24/12进制递增计数器子电路构成的数字电子钟系统如图8所示,在数字电子钟电路中,由两个六十进制同步递增计数器分别构成秒钟计时器和分计时器,级连够完成秒 ,分计时、由24/12进制同步递增计实现小时计数。秒、分、时计数器之间采用同步级连方式,开关(Q)控制小时的二十四进制和十二进制计数方式选择,敲击S和F键,可控制开关S和F将秒脉冲直接引入时,分计数器,实现时计数器和分计数器的校时。

对于图所示数字电子钟电路,为了进一步简化电路,还可以利用子电路嵌套功能,将虚线框内电路转换为更高一级的子电路,成为子电路数字电子钟,用嵌套子电路表示的数字电子钟电路如图8所示

图8、24/12进制计数电路

以上创建的各种子电路都已经存入自定义元器件库中,在其他电子系统设计中需要时,可以直接调用这些子电路,使系统的设计更方便,更快捷。

访真实验时,可直接选用信号源库中的方波秒脉冲作数字钟的秒脉冲信号,作为一个设计内容,读者可自行设计独立的秒脉冲信号源,可利用555定时器组成多谐震荡器产生秒钟脉冲信号,或者采用石英晶体震荡器经分频器产生秒脉冲,脉冲频率更稳定,计时误差会更小,还可以在小时显示的基础上,增加上下午或日期显示,整点报时电路以及作息时间提示电路等。

Ⅳ 数字钟电路设计

根据设计任务和要求,对照数字电子钟的框图,可以分以下几部分进行模块化设计。

1. 秒脉冲发生器

脉冲发生器是数字钟的核心部分,它的精度和稳定度决定了数字钟的质量,通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。如晶振为32768 Hz,通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出.

2. 计数译码显示

秒、分、时、日分别为60、60、24、7进制计数器、秒、分均为60进制,即显示00~59,它们的个位为十进制,十位为六进制。时为二十四进制计数器,显示为00~23,个位仍为十进制,而十位为三进制,但当十进位计到2,而个位计到4时清零,就为二十四进制了。

周为七进制数,按人们一般的概念一周的显示日期“日、1、2、3、4、5、6”,所以我们设计这个七进制计数器,应根据译码显示器的状态表来进行,如表1.1所示。

按表1.1状态表不难设计出“日”计数器的电路(日用数字8代替)。

所有计数器的译码显示均采用BCD—七段译码器,显示器采用共阴或共阳的显示器。

Q4 Q3 Q2 Q1
显示

1 0 0 0


0 0 0 1
1

0 0 1 0
2

0 0 1 1
3

0 1 0 0
4

0 1 0 1
5

0 1 1 0
6

表1.1 状态表

3. 校时电路

在刚刚开机接通电源时,由于日、时、分、秒为任意值,所以,需要进行调整。

置开关在手动位置,分别对时、分、秒、日进行单独计数,计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。

4. 整点报时电路

当时计数器在每次计到整点前六秒时,需要报时,这可用译码电路来解决。即

当分为59时,则秒在计数计到54时,输出一延时高电平去打开低音与门,使报时声按500Hz频率呜叫5声,直至秒计数器计到58时,结束这高电平脉冲;当秒计数到59时,则去驱动高音1KHz频率输出而鸣叫1声。

五、参考电路

数字电子钟逻辑电路参考图如图1.3所示。

参考电路简要说明

1. 秒脉冲电路

由晶振32768Hz经14分频器分频为2Hz,再经一次分频,即得1Hz标准秒脉冲,供时钟计数器用。

2. 单次脉冲、连续脉冲

这主要是供手动校时用。若开关K1打在单次端,要调整日、时、分、秒即可按单次脉冲进行校正。如K1在单次,K2在手动,则此时按动单次脉冲键,使周计数器从星期1到星期日计数。若开关K1处于连续端,则校正时,不需要按动单次脉冲,即可进行校正。单次、连续脉冲均由门电路构成。

3. 秒、分、时、日计数器

这一部分电路均使用中规模集成电路74LS161实现秒、分、时的计数,其中秒、分为六十进制,时为二十四进制。从图3中可以发现秒、分两组计数器完全相同。当计数到59时,再来一个脉冲变成00,然后再重新开始计数。图中利用“异步清零”反馈到/CR端,而实现个位十进制,十位六进制的功能。

时计数器为二十四进制,当开始计数时,个位按十进制计数,当计到23时,这时再来一个脉冲,应该回到“零”。所以,这里必须使个位既能完成十进制计数,又能在高低位满足“23”这一数字后,时计数器清零,图中采用了十位的“2”和个位的“4”相与非后再清零。

对于日计数器电路,它是由四个D触发器组成的(也可以用JK触发器),其逻辑功能满足了表1,即当计数器计到6后,再来一个脉冲,用7的瞬态将Q4、Q3、Q2、Q1置数,即为“1000”,从而显示“日”(8)。

4.译码、显示

译码、显示很简单,采用共阴极LED数码管LC5011-11和译码器74LS248,当然也可用共阳数码管和译码器。

1. 整点报时

当计数到整点的前6秒钟,此时应该准备报时。图3中,当分计到59分时,

将分触发器QH置1,而等到秒计数到54秒时,将秒触发器QL置1,然后通过QL与QH相与后再和1s标准秒信号相与而去控制低音喇叭呜叫,直至59秒时,产生一个复位信号,使QL清0,停止低音呜叫,同时59秒信号的反相又和QH相与后去控制高音喇叭呜叫。当计到分、秒从59:59—00:00时,呜叫结束,完成整点报时。

2. 呜叫电路

呜叫电路由高、低两种频率通过或门去驱动一个三极管,带动喇叭呜叫。1KHz

和500Hz从晶振分频器近似获得。如图中CD4060分频器的输出端Q5和Q6。Q5输出频率为1024Hz,Q6输出频率为512Hz。

Ⅵ 数字钟课程设计原理图以及制作方法

数字中电子技术课程设计报告

数字电子技术课程设计报告
题 目: 数字钟的设计与制作
学内 年
学 期:
专 业 班容 级:
学 号: 姓 名:

指导教师及职称:讲师
时 间:
地点:
设计目的
熟悉集成电路的引脚安排.
掌握各芯片的逻辑功能及使用方法.
了解面包板结构及其接线方法.
了解数字钟的组成及工作原理.
熟悉数字钟的设计与制作.
设计要求
1.设计指标
时间以24小时为一个周期;
显示时,分,秒;
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;
计时过程具有报时功能,当时间到达整点前5秒进行蜂鸣报时;
为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号.
2.设计要求
画出电路原理图(或仿真电路图);
元器件及参数选择;
电路仿真与调试;
PCB文件生成与打印输出.
3.制作要求 自行装配和调试,并能发现问题和解决问题.
4.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,

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