【正文】 .....................23 擴(kuò)展電路部分 ........................................................................................................ 23 定時(shí)控制 ........................................................................................................23 仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí) ....................................................................................23 觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù) ............................................................................................23 第 5 章 總結(jié) .......................................................................................................................... 26 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 27 附錄 1 總電路圖 ..................................................................................................................... 28 附錄 2：元件明細(xì)表 ................................................................................................................29 第 1 頁(yè) 摘 要 加入世貿(mào)組織以后，中國(guó)會(huì)面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)。 說(shuō)明數(shù)字時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，而且滲透于我們生活的方方面面。下面我們就以數(shù)字鐘為例簡(jiǎn)單介紹一下。而且能對(duì)時(shí)、分、秒準(zhǔn)確校時(shí)，這是普通鐘所不及的。與舊式鐘表相比它更適用于現(xiàn)代人的生活。因而在所學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)上做了以下畢業(yè)設(shè)計(jì)。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。盛唐時(shí)代，公元 725年張遂（又稱一行）和梁令瓚等人創(chuàng)制了水運(yùn)渾天銅儀，它不但能演示天球和日、月的運(yùn)動(dòng)，而且立了兩個(gè)木人，按時(shí)擊鼓，按時(shí)打鐘。它比十四世紀(jì)歐洲出現(xiàn)的機(jī)械鐘先行了六個(gè)世紀(jì)。在中國(guó)鐘表發(fā)展史上，國(guó)產(chǎn)機(jī)芯研制的失敗已經(jīng)成為過(guò)去， “組裝業(yè) ”作為新興鐘表工業(yè)的起步階段也已成為過(guò)去。 我們相信在科技高速發(fā)展的今天，鐘表業(yè)運(yùn)用當(dāng)今材料工業(yè)、電子工業(yè)和其他領(lǐng)域的最新技術(shù)，一定會(huì)生產(chǎn)出代表中國(guó)科學(xué)水平的產(chǎn)品。這正是中國(guó)鐘表業(yè)發(fā)展的希望。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用 ,使得數(shù)字鐘的精度 ,運(yùn)用超過(guò)老式鐘表 , 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。為了實(shí)現(xiàn) :(1)顯示年 、月、日、時(shí)、分、秒、星期，并且可以進(jìn)行調(diào)整時(shí)間； (2)可以設(shè)定鬧鐘和整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能，數(shù)字時(shí)鐘在總體上主要分為三大部分：輸入人機(jī)界面部分、 FPGA 核心功能部分和輸出界面部分，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖所 示 。其中，基本功能部分的有準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間和校時(shí)功能。數(shù)字鐘的電路也是由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分 構(gòu)成，在電路中，基本功能部分由主體電路實(shí)現(xiàn)，而擴(kuò)展功能部電路實(shí)現(xiàn)。在計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)電路還可以進(jìn)行校時(shí)和校分，為了使電路簡(jiǎn)單所設(shè)計(jì)的電路不具備校秒的功能。數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖。其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴(kuò)展電 路完成數(shù)字鐘的擴(kuò)展功能。秒計(jì)數(shù)器計(jì)滿 60 后向分計(jì)數(shù)器個(gè)位進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器計(jì)滿 60 后向小時(shí)計(jì)數(shù)器個(gè)位進(jìn)位并且小時(shí)計(jì)數(shù)器按照 “12 翻 1”的規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)電路進(jìn)行校時(shí)、校分、校秒。 方案確定 數(shù)子鐘的設(shè)計(jì)方法很多種，不止上面這兩種。 綜合考慮以上方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及題目的基本要求和發(fā)揮要求，在本設(shè)計(jì)中，我采用了第二種方案，即采用數(shù)電來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘的功能。主體電路部分的電路主要由振蕩電路、計(jì)數(shù)電路、顯示電路以及校時(shí)電路四大部分組成。 振蕩電路 振蕩電路由振蕩器和分頻器產(chǎn)生 1Hz 時(shí)鐘脈沖和擴(kuò)展部分所需的頻率，下面對(duì)振蕩器和分頻器兩部分進(jìn)行介紹。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。對(duì)數(shù)字電路來(lái)說(shuō)，振蕩器的輸出的幅度范圍為0V—5 V 的方波信號(hào)而不是鋸齒波、三角波或其他形式。基本的電路如圖 31 所示。當(dāng)電容上 的電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器輸入反相器的門限電壓的時(shí)候，反相器的狀態(tài)發(fā)生改變，并輸出一個(gè)新的電壓值。 用施密特觸發(fā)器輸入器件（如 74HC04），但是由于電容的參考電壓在每個(gè)臨界點(diǎn)都要發(fā)生變化，所以施密特觸發(fā)器不是必需的。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，輸出電壓會(huì)改變電容的充電電壓，直到電容兩 第 6 頁(yè) 端的電壓變?yōu)?74HC04 的門限電壓（ ）為止。 弛豫振蕩器對(duì)許多低成本而精度要求又不高的場(chǎng)所非常適合，但是并不推薦在任何有精度要求的實(shí)際應(yīng)用電路采用它。在數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作中應(yīng)采用石英晶體振蕩器，因?yàn)槭⒕w具有壓電效應(yīng)，是一個(gè)壓電器件。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，它本生有一個(gè)固定的機(jī)械頻率。石英晶體的固有頻率十分穩(wěn)定。前者稱為基頻晶體，后者稱為泛音晶體，晶片厚度與振動(dòng)頻率成反比，工作頻率越高，要求晶片厚度越薄。在設(shè)計(jì)中所用的振蕩器的電路圖如圖 32 所示。 1 2A74041 2A74041 2A 74041K5 25 p F1M H Z 圖 32 震蕩器電路 分頻器 分頻器的作用是將由石英晶體產(chǎn)生的高頻信號(hào)分頻成基時(shí)鐘脈沖信號(hào)和擴(kuò)展部分所需的頻率。 CD4518 可以組成二分頻電路和十分頻電路。電路經(jīng)過(guò)十分頻后將晶振 來(lái)的 1MHz 的振蕩脈沖變?yōu)?1Hz 的脈沖信號(hào)，該信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖使用。 1 2A74041 2A74041 2A74041K5 25p F1M H ZCK1EN2C L R7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2C L R7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2C L R7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2C L R7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2C L R7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2C L R7Q03Q14Q25Q36A4518100K H Z10K H Z1K H Z100H Z10H Z1H Z 圖 36 震蕩電路 根據(jù)圖 36 可知電路的工作原理是：石英晶體振蕩器提供的頻率為 1MHz， CD4518組成十分頻電路。晶振的輸出接輸入 輸出 CK CR EN 上升沿 L H 加計(jì)數(shù) L L 上升沿 加計(jì)數(shù) 下降沿 L X 保 持 X L 上升沿 上升沿 L L H L 下降沿 X L X 全為 L 第 9 頁(yè) 入第一塊 CD4518 的輸入引腳 2，經(jīng)過(guò)一次十分頻，頻率變?yōu)?100KHz。輸出引腳接人第二塊 CD4518的輸入引腳 2 再經(jīng)一次分頻，頻率變?yōu)?1KHz。 計(jì)數(shù)電路 計(jì)數(shù)器是一種計(jì)算輸入脈沖的時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計(jì)數(shù)的輸入信號(hào)就是時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘脈沖，它不僅可以計(jì)數(shù)而且還可以用來(lái)完成其他特定的邏輯功能，如測(cè)量、定時(shí)控制、數(shù)字運(yùn)算等等。數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)可以用反饋清零法。以六十進(jìn)制為例，當(dāng)計(jì)數(shù)器從 00， 01， 02， …… ， 59 計(jì)數(shù)時(shí)，反饋門不起作用，只有當(dāng)?shù)?60 個(gè)秒脈沖到來(lái)時(shí)，反饋信號(hào)隨即將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)模為 60 的循環(huán)計(jì)數(shù)。 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 電路如圖 37 所示 R0(1)6R0(2)7CKA14QA12CKB1QB11QC9QD87 4 L S 9 2 _ 2R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7CKA14QA12CKB1QB9QC8QD117 4 L S 9 0 _ 5GNDGND + 5 V+ 5 V 圖 37 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路 電路中， 74LS92 作為十位計(jì)數(shù)器，在電路中采用六進(jìn)制計(jì)數(shù)； 74LS90 作為個(gè)位計(jì)數(shù)器在電路中采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)。下面對(duì)電路中所用的主要元件及功能介紹。其中， CKA 第 10 頁(yè) 和 Q0 組成一位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器； CKB 和 Q3Q2Q1 組成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；若將 Q0 與 CKB 相連接，時(shí)鐘脈沖從 CPA 輸入，則構(gòu)成了 8421BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 圖 38 74LS90 的管腳圖 表 32 BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)序 表 33 二 —五混合進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)序 ② 異步計(jì)數(shù)器 74LS92 所謂異步計(jì)數(shù)器是指計(jì)數(shù)器內(nèi)各觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)不是來(lái)自于同一外接輸入時(shí)鐘信號(hào)，因而觸發(fā)器不是同時(shí)翻轉(zhuǎn)。一異步計(jì)數(shù)器 74LS92 是 二 —六 —十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即 CKA 和 Q0 組成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器， CKB 和 Q3Q2Q1 在 74LS92中為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 74LS92 的管腳圖如圖 39。 ② 電路的工作原理 由表可知：個(gè)位計(jì)數(shù)器由 4 位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器 74LS191 構(gòu)成，十位計(jì)數(shù)器由雙 D 觸發(fā)器 74LS74 構(gòu)成 ，將它們組成 “12 翻 1”小時(shí)計(jì)數(shù)器。第二次跳躍的十位清 “0”和個(gè)位置 “1”的輸出端 Q Q0 Q00 來(lái)產(chǎn)生。 ① D 觸發(fā)器 74LS74 在電路中用到了 D 觸發(fā)器 74LS74， 74LS74 的管腳圖如圖 311。 觸發(fā)器是存放在二進(jìn)制信息的最基本的單元。 這幾種觸發(fā)器都有集成電路產(chǎn)品。不過(guò)，深刻理解 RS 觸發(fā)器對(duì)全面掌握觸發(fā)器的工作方式或動(dòng)作特點(diǎn)是至關(guān)重要的。 D 觸發(fā)器有邊沿 D 觸發(fā)器和高電平 D 觸發(fā)器。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具有的基本功能。為了使電路簡(jiǎn)單，在此設(shè)計(jì)中只進(jìn)行分和小時(shí)的校時(shí)。 “慢校時(shí) ”是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作校時(shí)脈沖。如果校時(shí)脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供，則可以進(jìn)行 “慢校時(shí) ”。 （ 1）四 2 輸入與非門 74LS00 集成邏輯門是數(shù)字電路中應(yīng)用十分廣泛最基本的一種器件，為了合理的使用和充分利用其性能，必須對(duì)它的主要參數(shù)和邏輯功能進(jìn)行測(cè)試。 輸出低電平：指與非門的所有輸入端均接高電平時(shí)的輸出電平值。 關(guān)門電平：指與非門輸出處于高電平狀態(tài)時(shí)允許輸入低電平的最大值。 低電平的輸出電源電流；是指輸入所有端都懸空，輸出端空載時(shí)，電源提供器件的電流。 低電平輸入電流：是指被測(cè)輸入 端接地，其余輸入端懸空時(shí)，由被測(cè)輸入端流出的電流值。 扇出系數(shù)：門電路能驅(qū)動(dòng)同類門的個(gè)數(shù)，它是衡量門電路負(fù)載能力的一個(gè)參數(shù)，TTL 與非門有兩種不同性質(zhì)的負(fù)載，即灌電流負(fù)載和拉電流負(fù)載，因此有兩種扇出系數(shù)。 第 15 頁(yè) 譯碼與顯示電路 譯碼是編碼的相反過(guò)程，譯碼器是將輸入的二進(jìn)制代碼翻譯成相應(yīng)的輸出信號(hào)以表示編碼時(shí)所賦予原意的電路。 （ 1）譯碼器 74LS48 譯碼器是一個(gè)多輸入、多輸出的組合邏輯電路。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)字分配，存儲(chǔ)器尋址和組合控制信號(hào)等。在電路中用的譯碼器是共陰極譯碼器 74LS48，用 74LS48 把輸入的 8421BCD 碼 ABCD 譯成七段輸出 ag，再由七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。在管腳圖中，管腳 LT、RBI、 BI/RBO 都是低電平是起作用，作用分別為： LT 為燈測(cè)檢查，用 LT 可檢查七段顯示器個(gè)字段是否能正常被點(diǎn)燃。 RBI 是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅。也可用共陰譯碼器 74LS248， CD4511。 SM421050N 的管腳功能如圖 316 所示。 定時(shí)控制電路 數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路 “鬧時(shí) ”；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開(kāi) “控 制 ”。 ① 設(shè)計(jì)電路如圖 317 所示