【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3。201 前言中國(guó)是世界上最早發(fā)明計(jì)時(shí)儀器的國(guó)家。有史料記載，漢武帝太初年間（紀(jì)元前104101年）由落下閎創(chuàng)造了我國(guó)最早的表示天體運(yùn)行的儀器——渾天儀。東漢時(shí)期張衡創(chuàng)造了水運(yùn)渾天儀，為世界上最早的以水位動(dòng)力的觀測(cè)天象的機(jī)械計(jì)時(shí)器，是世界機(jī)械天文鐘的先驅(qū)。由此可見(jiàn)，我們的古人在很早以前就已經(jīng)在計(jì)時(shí)方面取得了一系列的成就，隨著人類(lèi)科技的一步一步發(fā)展，我們使用的計(jì)時(shí)工具日益先進(jìn)。20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來(lái)越快，數(shù)字中已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?，廣泛用于個(gè)人家庭以及車(chē)站、碼頭、劇場(chǎng)、辦公室等公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)帶來(lái)了極大的方便。由于數(shù)字集成電子技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、集成電路有體積小、功耗小、功能多、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多電子產(chǎn)品設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。電子鐘是人們?nèi)粘躺钪谐Ｓ玫挠?jì)時(shí)工具，而數(shù)字式電子鐘又有體積小、重量輕、走時(shí)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗電量少等優(yōu)點(diǎn)而在生活中被廣泛應(yīng)用，因此本次設(shè)計(jì)就用數(shù)字集成電路和一些簡(jiǎn)單的邏輯們電路來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式電子鐘，使其完成的現(xiàn)實(shí)功能。本次設(shè)計(jì)以數(shù)字電子為主，分別對(duì)1S時(shí)鐘信號(hào)、秒計(jì)時(shí)顯示、小時(shí)計(jì)時(shí)顯示、整點(diǎn)報(bào)時(shí)及校時(shí)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后將它們組合，來(lái)完成時(shí)、分、秒的顯示并且有整點(diǎn)報(bào)時(shí)和走時(shí)校準(zhǔn)的功能。并通過(guò)本次設(shè)計(jì)加深對(duì)數(shù)字電子技術(shù)的理解以及更熟練的使用計(jì)時(shí)器、觸發(fā)器和各種邏輯門(mén)電路的能力。電路主要使用集成計(jì)時(shí)器和譯碼集成電路，電路使用5號(hào)電池供電，很適合日常生活使用。希望通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我們能很好地鍛煉我們搜索資料的能力，加深我們對(duì)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，同時(shí)能很好地培養(yǎng)我們的團(tuán)隊(duì)合作精神。2 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)字電子鐘。 數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無(wú)機(jī)械裝置，具有更長(zhǎng)的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。因此，我們此次設(shè)計(jì)與制作數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會(huì)制作數(shù)字鐘，由數(shù)字鐘的制作過(guò)程進(jìn)一步了解各種中小規(guī)模集成電路的引腳的安排和各芯片的邏輯功能及使用方法，再通過(guò)使用Proteus仿真技術(shù)，實(shí)際運(yùn)用能力，獨(dú)立完整地設(shè)計(jì)具有一定功能的電子電路。 設(shè)計(jì)要求及指標(biāo)(1)時(shí)間計(jì)數(shù)電路采用24進(jìn)制，從00開(kāi)始到23后再回到00；(2)各用2位數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒；(3)具有手動(dòng)校時(shí)、校分功能，可以分別對(duì)時(shí)、分進(jìn)行單獨(dú)校正；(4)計(jì)時(shí)過(guò)程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開(kāi)始，蜂鳴器響1秒停1秒地響5次。設(shè)計(jì)相關(guān)提示：(1)為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確，須由晶體振蕩器提供時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)；(2)數(shù)字鐘由振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器電路所組成；(3)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器形成1秒信號(hào)，秒信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)結(jié)果以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來(lái)。3 數(shù)字電子鐘的組成和基本工作原理數(shù)字電子鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。它的計(jì)時(shí)周期是24小希望通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我們能很好地鍛煉我們搜索資料的能力，加深我們對(duì)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，同時(shí)能很好地培養(yǎng)我們的團(tuán)隊(duì)合作精神。時(shí)，由于計(jì)數(shù)器的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致所以采用校準(zhǔn)功能和報(bào)時(shí)功能。數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、校準(zhǔn)電路、報(bào)時(shí)電路、時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)、秒計(jì)數(shù)器，振蕩電路和單次脈沖產(chǎn)生電路組成。其中電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校準(zhǔn)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器”采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器”也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)時(shí)脈沖信號(hào)，該信號(hào)將被送到時(shí)計(jì)數(shù)器。時(shí)計(jì)數(shù)器采用24進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24小時(shí)的計(jì)時(shí)。譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)電路，七段顯示譯碼器譯碼，在經(jīng)過(guò)六位LED七段顯示器顯示出來(lái)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路時(shí)根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，然后去觸發(fā)音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。校準(zhǔn)電路時(shí)用來(lái)對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整的。譯碼驅(qū)動(dòng)譯碼驅(qū)動(dòng)時(shí)十位計(jì)數(shù)分頻器電路分頻器電路振蕩器電路譯碼驅(qū)動(dòng)譯碼驅(qū)動(dòng)譯碼驅(qū)動(dòng)譯碼驅(qū)動(dòng)時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)分十位計(jì)數(shù)分十位計(jì)數(shù) 秒十位計(jì)數(shù)秒十位計(jì)數(shù)校時(shí)電路校分電路圖1 數(shù)字鐘組成框圖 振蕩器振蕩器是數(shù)字鐘的核心,其的作用是產(chǎn)生一個(gè)頻率標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào),然后再由分頻器分秒脈沖,因此,振蕩器頻率的精度與穩(wěn)定度基本決定了數(shù)字電子鐘的質(zhì)量。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，本設(shè)計(jì)選用晶體振蕩器電路。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。采用石英晶體振蕩器經(jīng)過(guò)分頻得到這一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Hz的方波信號(hào)，保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。 分頻器分頻器電路將32768Ｈz的高頻方波信號(hào)經(jīng)CD4060后16384（214）次分頻后得到2Hz的方波信號(hào)，然后信號(hào)再經(jīng)過(guò)74LS74分頻產(chǎn)生1HZ信號(hào)供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，為此電路輸送一秒脈沖。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。 計(jì)數(shù)器時(shí)間計(jì)數(shù)電路由“秒”個(gè)位和“秒”十位計(jì)數(shù)器、“分”個(gè)位和“分”十位計(jì)數(shù)器及“時(shí)”個(gè)位和“時(shí)”十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中“秒”個(gè)位和“秒”十位計(jì)數(shù)器、“分”個(gè)位和“分”十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通常用2個(gè)十進(jìn)位計(jì)數(shù)器的集成片組成,其中“秒”個(gè)位是十進(jìn)制，“秒”十位為六進(jìn)制?？刹捎梅答仛w零變“秒”十位為六進(jìn)制,實(shí)現(xiàn)秒的六十進(jìn)制?！胺帧庇?jì)數(shù)器原理也一樣?！皶r(shí)”計(jì)數(shù)器直接采用反饋清零法來(lái)實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制。 譯碼顯示電路 是將數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)狀態(tài)直觀清晰地反映出來(lái)，被人們的視覺(jué)器官所接受。顯示器件選用LED七段數(shù)碼管。在譯碼顯示電路輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，顯示出清晰、。 校時(shí)電路實(shí)際的數(shù)字鐘電路由于秒信號(hào)的精確性和穩(wěn)定性不可能做到完全(絕對(duì))準(zhǔn)確無(wú)誤，加之電路中其它原因，數(shù)字鐘總會(huì)產(chǎn)生走時(shí)誤差的現(xiàn)象。因此，電路中就應(yīng)該有校準(zhǔn)時(shí)間功能的電路。由于開(kāi)關(guān)的靈敏性非常高，造成在校時(shí)時(shí)很不穩(wěn)定，一般在校時(shí)電路中加入防抖動(dòng)電路，這樣才能真正地進(jìn)行人工校時(shí)。 報(bào)時(shí)電路當(dāng)數(shù)字鐘顯示整點(diǎn)時(shí)，應(yīng)能報(bào)時(shí)。要求當(dāng)數(shù)字鐘的“分”和“秒”計(jì)數(shù)器計(jì)到59分50秒時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，蜂鳴器響一秒停一秒的響5次。4 設(shè)計(jì)步驟與方法 振蕩電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。如圖2所示電路通過(guò)非門(mén)構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，輸出反饋電阻R1為電路提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，電容CC2與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)180度相移，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。晶體X1的頻率選為32768Hz。其中C1的值取22 pF，C2為22pF。C1作為校正電容可以對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，以提高頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。由于電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。 圖2 晶體振蕩器 分頻器電路由數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，將32767Hz的振蕩信號(hào)分頻為1Hz的分頻倍數(shù)為32767（2１５），即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于15極2進(jìn)制計(jì)數(shù)器。本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060和74LS74來(lái)構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門(mén)，使用更為方便。CD4060計(jì)數(shù)為最高為14級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，首先由U1(CD4060)的Q14(第3腳)產(chǎn)生2Hz的振蕩信號(hào),然后經(jīng)過(guò)74LS74輸出一個(gè)的分脈沖,作為秒鐘計(jì)數(shù)器的秒鐘信號(hào) (因?yàn)?Hz的信號(hào)經(jīng)1位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器分頻后為1Hz)。如圖3所示。圖3 分頻器 計(jì)數(shù)器秒脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)級(jí)計(jì)數(shù)器，分別得到“秒”個(gè)位、十位，“分”個(gè)位、十位以及“時(shí)”個(gè)位、十位的計(jì)時(shí)?！懊搿?、“分”計(jì)數(shù)器為60秒為1分、60分為1小時(shí)、24小時(shí)為1天的計(jì)數(shù)周期，分別組成兩個(gè)六十進(jìn)制（秒、分）、一個(gè)二十四進(jìn)制（時(shí)）的計(jì)數(shù)器。將這些計(jì)數(shù)器適當(dāng)?shù)剡B接，就可以構(gòu)成秒、分、時(shí)的計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的功能進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它們都可以用兩個(gè)“二 十進(jìn)制”計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。60進(jìn)制采用反饋清零法構(gòu)成的六十進(jìn)制和二十四進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路分別見(jiàn)圖4(a)和圖4 (b)所示 計(jì)數(shù)器六十進(jìn)制的接法圖4(