数字电路多功能数字钟毕业设计

无锡科技职业学院毕业设计设计数字钟电路设计毕业设计（论文）报告题 目 多功能数字钟的设计 系 别 尚德光伏学院 专 业 应用电子技术（光电子技术方向）班 级 0903 学生姓名 侯敬东 学 号 090308 指导教师 邓芳 2012年 4 月i无锡科技职业学院毕业设计(论文)多功能数字钟的设计多功能数字钟的设计摘 要：多功能数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 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温度显示功能。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、自动起闭路灯、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。数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。多功能数字钟一般是由振荡器、分频器、计数器、译码器、数码显示器、报时电路等几个部分组成。关键词：振荡、计数、校时、报时The design of Multi-function Digital Clock DesignAbstract: Multifunction digital clock digital circuit to achieve, minutes, seconds, the figures show that the timing device, widely used in personal family, station, wharf, office and other public places to become the indispensable necessities of daily life, due to digital integrated circuits wide application development and quartz crystal oscillator, making the accuracy of the digital clock, far more than the old-fashioned clocks, watches digital has brought great convenience to peoples production and life, and greatly extends the original watch timekeeping temperature display. Such as timed automatic alarm time automatically rang the bell, time to program automatic control, regular broadcasts, automatic start and closed-circuit light timer switch oven off power equipment, and even a variety of timing Electric is automatically enabled, all of which are to watch digital based. Therefore, the digital clock and to expand its application, has a very real sense. The digital clock has become the necessities of daily life: essential and widely used in personal family as well as railway stations, terminals, theaters, offices and other public places, to peoples lives, learning, work, play a great convenience. Digital integrated circuit technology development and adoption of advanced technology of quartz digital clock with accurate time and stable performance, easy to carry advantages, it also used for timing, automatic timekeeping and automatic control and other fields.Multi-function digital clock oscillator, frequency divider, counter, decoder, digital display, timekeeping circuit.Keywords: Oscillation、Counting、Timing、Timekeeping 目录前言1第一章 数字钟的构成2第二章 数字钟单元电路的设计42.1 晶体振荡器电路42.2 集成异步计数器74LS29052.2.1 74LS290功能表52.2.2 74LS290引脚图62.2.3 用74LS290构成秒和分计数器电路72.2.4 “时”信号82.3译码显示单元电路设计82.3.1译码器744892.3.2显示器BS201102.4 校时单元电路设计11第三章 扩展电路133.1报时部分13第四章 电路的安装与调试154.1 安装与调试步骤154.2 总电路图和PCB板16致 谢19参考文献20附录2120无锡科技职业学院毕业设计(论文)多功能数字钟的设计前言在高新技术日新月异的今天，科学技术已经成为整个社会发展的源动力，电子领域的发展更是令人目不暇接，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，遍迹了千家万户，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。使课程设计越来越受到人们的重视，通过课程设计。可以设计出更好更新的科技产品，这将给科技的发展带来很好的积极作用，也使科技的水平得到一定的提高。同时也可以提高同学们的逻辑思维能力和创新意识。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。 第一只石英钟出现在二十世纪二十年代，从三十年代开始得到了推广，从六十年代开始，由于应用半导体技术，成功地解决了制造日用石英钟问题，石英电子技术在计时领域得到了广泛的应用。并取代机械钟做了更精确的时间标准。它为人们的生活提供方便，更为人们的生活增添了新的色彩。在现行情况下根据简单实用强的、走时准确进行设计。而实验证明，钟表的振荡部分采用石英晶体作为时基信号源时，走时更精确、调整更方便。钟是一种计时的器具，它的出现开拓了时间计量的新里程。提起时钟大家都很熟悉，它是给我们指明时间的一种计时器，并且我们每天都要用到它。第一章 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。主要由振荡器、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，通常使用石英晶体震荡器，然后经过分频器输出标准秒脉冲，或者由555构成的多谐振荡器来直接产生1HZ的脉冲信号。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。由于计数的起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路上加一个校时电路，当计时出现误差时，可以用校时电路校时、校分。如图 1-1所示为数字钟电路系统的组成框图。图1-1： 数字钟电路系统的组成框图振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。通常选用石英晶体构成振荡器电路构成振荡器。也可以由555定时器组成。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24进制计数器。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。显示电路的组成主要是数码管，数码管由7个发光二极管组成，行成一个日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极，本设计中为共阴极七段显示LED数码管。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，所以数字钟应具有分校正和时校正功能。对校时电路的要求是：在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。第二章 数字钟单元电路的设计 2.1 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2-1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 分别为20pF，和200PF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20M。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。图2-1： 晶体振荡器电路图2.2 集成异步计数器74LS29074LS290是异步十进制计数器。它由一个一位二进制计数器和一个异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由端CP0输入，输出由端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲由CP1端输入，输出由引出，即是五进制计数器；如果将与CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出由引出，即得8421码十进制计数器。因此，又称此电路为二-五-十进制计数器。2.2.1 74LS290功能表表2-2是74LS290的功能表。由表可以看出，当复位输入R0(1)=R0(2)=1，且置位输入S9(1)S9(2)=0时，74LS290的输出被直接置零；只要置位输入S9(1)S9(2)=1，则74LS290的输出将被直接置9，即1001；只有同时满足R0(1)R0(2)=0和S9(1)S9(2)=0时，才能在计数脉冲(下降沿)作用下实现二-五-十进制加法计数。 表2-2 ： 74LS290功能表复位输入置位输入时钟输出R0(1)R0(2)S9(1)S9(2)CPQ3Q2Q1Q01100000011100100计数00计数00计数00计数2.2.2 74LS290引脚图74LS290引脚图如图2-3所示：图2-3： 74LS290引脚图2.2.3 用74LS290构成秒和分计数器电路因为单片74LS290所能实现的最大计数模数M=10,s构成N=60进制计数器，MNMM=100，故需要两片74LS290。而且Sn状态只能 用8421BCD码，而不能用二进制码。N=60，Sn=01100000；F=R01R02=Q1=Q6Q5 。用74LS290构成六十分频电路如图2-4所示，高位片U2实现六进制进位，它的Q2端作为六十分频信号输出端，低位片U1实现十进制进位。六十分频电路广泛地应用于计时电路中，它的输出可以作为“分”信号和“时”信号。图2-4： 六十分频电路图2.2.4 “时”信号根据课程设计要求，“时”必须为二十四进制计数，U1为“时”信号的低位片，U2为“时”信号的高位片。当高位片为0、1时，低位片为十进制计数，当高位片为2时，低位片为4进制计数。因此，要实现数字电子时钟“时”信号二十四小时制的功能 ，只需要加入与非门进行条件判断，再按照2-4内容，同理易得二十四进制计数，即二十四分频电路如图2-5所示。图2-5： 二十四分频电路图2.3译码显示单元电路设计 计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，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，并且为七段数码管的正常工作提供足够的工作电流。译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的工作是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信号等。译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。用于驱动LED七段数码显示常用的有7448，74LS47。2.3.1译码器74487448是7段显示译码器,输出高电平有效的译码器。工作电压为5V，用于驱动共阴极数码管，7448除了有实现8段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（YaYg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端，如图2-6所示。由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能如下：图2-6：7448引脚功能图（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1）在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号， 显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平。 （2）消隐功能（BI=0）此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。 （3）灯测试功能（LT = 0） 此时BI/RBO端作为输出端，该端输入低电平信号时，表1最后一行，与 及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1）此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若时DCBA = 0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。（5）7448/SN7448译码器0-9真值表如表2-7所示：表2-7： 7448/SN7448译码器0-9真值表LIRBID C B ABI/RBOYa Yb Yc Yd Ye Yf Yg显示110 0 0 011 1 1 1 1 1 001X0 0 0 110 1 1 0 0 0 011X0 0 1 011 1 0 1 1 0 121X0 0 1 111 1 1 1 0 0 131X0 1 0 010 1 1 0 0 1 141X0 1 0 111 0 1 1 0 1 151X0 1 1 010 0 1 1 1 1 161X0 1 1 111 1 1 0 0 0 071X1 0 0 011 1 1 1 1 1 181X1 0 0 110 0 0 1 1 0 192.3.2显示器BS201图2-8是共阴极式LED数码管的原理图，使用时公共阴极接地，使每个发光二极管都处于导通状态，而且这7个发光二极管a到g分别由相应的BCD七段译码器来驱动。图 2-8： 共阴极LED数码管的原理图在这里，我们选用型号为BS201的数码管，BS201的管脚功能图如图2-9所示， 图2-9： BS201的管脚图2.4 校时单元电路设计 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，所以数字钟应具有分校正和时校正功能。对校时电路的要求是：在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数，所以，必须要有两个控制开关分别控制分个位和时个位的脉冲信号。在校时时，应截断分个位或者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2-10为校“时”、校“分”电路。其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关。图2-10： 校时电路第三章 扩展电路3.1报时部分图3-1： 报时原理图原理分析：设置报时时间为整点报时，当秒计数器计数到51秒时，集成电路驱动音响电路，使之开始工作，每两秒（51、53、55、57、59秒）报时一次，前四声鸣低音，最后一声鸣高音。当分十位为5且分个位为9，即QAM2=QCM2=1，QAM1=QDM1=1时，第一级四输入与非门打开，同时当秒十位为5即QAS2= QCS2=1时，且秒个位QAS1为高电平时，第二级四输入与非门打开，当秒个位QAS1为低电平时，第二级四输入与非门闭合。当秒个位QDS1为低电平时，通过非门电路驱动500HZ的振荡信号，在第一级和第二级四输入与非门都打开的情况下，通过与非电路驱动音响电路鸣低音；当秒个位QDS1为高电平时，通过非门电路驱动1KHZ的振荡信号，在第一级和第二级四输入与非门都打开的情况下，通过与非电路驱动音响电路鸣高音，实现四低音一高音的整点报时功能。表3-2： 报时电路真值表分计数器秒计数器音响电路驱动频率鸣音类型5951500HZ低5953500HZ低5955500HZ低5957500HZ低59591KHZ高第四章 电路的安装与调试4.1 安装与调试步骤按照多功能数字钟系统组成框图，先将秒个位、秒十位、分个位、分十位、时个位、时十位分级焊接，在经过调试没有出现问题后再将它们一一逐级级联，级联后再进行整体计时电路的调试，若此电路能够进行正常计数，那么一个完整的计时电路就出来了。最后分别进行秒脉冲发生器及调时电路的安装，经调试没有出现问题，再将它们与计时电路连接。最后进行整体电路（即数字钟）的调试。在焊接实物与调试这个阶段，出现了比较多的问题，但是经过我们几个人的讨论及分析，最终找到了解决方案。首先，在刚开始焊板子的时候，由于不熟悉，不小心把管脚焊错，甚至将整个底座的极性搞反，导致电路不工作。解决方法就是用吸锡器把焊错地方的锡先吸走，再一个人拿烙铁，一个人拔底座，将底座弄出来重新焊上去。其次，由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测，发现有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好,其解决方法为把芯片拔出，根据板子孔的的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入面包板中，此后发现能正常显示。在检测驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。 用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。在进行分十位的调试时，发现数码管的七段显示中有一段不亮，检查电路发现数码管与译码管相连接的七个应该是200的电阻，有一个却误焊上了100。解决方法就是将那个电阻换上正确阻值的电阻。在测试校准电路时发现拨动一次脉冲开关，计数器并不能准确加1，有时会出现加2的现象。究其原因发现仅仅由开关构成的校准电路有抖动现象，使得计数器计时不准确。解决方法就是在原有的校准电路中加焊一个防抖动电路。4.2 总电路图和PCB板图4-1： 多功能数字钟总电路图图4-2： 多功能数字时钟电路PCB第五章 课程设计心得体会通过本次课程设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.我这毕业设计由于我采用的是数字电路来实现的,所以电路较复杂,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.时间很紧，经过一段时间的数电课程设计，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够设计复杂的数字钟电路，并且能够实现电路的仿真与实物板的制作与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢地熟悉了数字电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的要求设计出合适的电路，作出电路的实物并对电路进行调试。本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的数字钟，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对数字钟的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理、译码驱动原理和校时原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图买到我们所需的原件，制作出电路板，并调试电路板。课设的这段日子真的是给我留下了很深的印象。我总结出，在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。虽然我现在已经初步学会了如何设计符合要求的数字钟电路，但是离真正能够利用已学的数电知识自由设计使用电路的还有一段的距离。课设的这段时间我确实受益匪浅，不仅是因为它发生在特别的实践，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步，因为进步总是让人快乐的。致 谢毕业设计完成了，在这个过程中我学到了很多东西。首先我要感谢我的指导老师邓芳老师，他们在我完成设计的过程中，给予了我很大的帮助。在设计开始的初期，我对于设计的结构以及文献选取等方面都有很多问题，整体构思不是很明确，段落层次也不是很清晰，老师详细给我分析设计的写作过程，从设计的题目，设计的内容，设计的脉络，都给我详细的指导。在我设计的进展过程中，老师也及时给我解决疑惑，并且监督我设计的进展过程，非常感谢！但是惭愧的是，我没有及时完成任务，设计也时有偏差出现，经过了曲折的过程，老师也耐心的给我激励，非常感谢!我想，毕业设计的过程不仅仅是一个完成一篇设计的过程，而是一个端正态度的过程，是总结大学三年的一个过程，是在踏入社会前的历练过程。这个过程将使我受益匪浅！参考文献1 伍时和主编. 数字电子技术基础. 清华大学出版社，2009年4月2 高建新等主编. 电子技术实验与实训. 机械工业出版社，2006年8月3 高吉祥主编. 电子技术基础实验与课程设计. 电子工业出版社，2002年4 赵淑范等主编. 电子技术实验与课程设计. 清华大学出版社，2006年8月5 孙淑艳主编. 电子技术实践教学指导书. 中国电力出版社，2005年10月6 毛期俭主编. 数字电路与逻辑设计实验及应用. 人民邮电出版社，2005年7 吕思忠等主编. 数字电路实验与课程设计. 哈尔滨工程大学出版社，2003年8 邓勇等主编. 数字电路设计完全手册. 国防科技大学出版社，2004年6月附录附录1：主要元器件清单序列号名称型号数量1二-五-十进制计数器74LS2906 2七段译码器74486 3LED数码管BS20164电阻10068电容10uF19电容0.01uF110开关3