【数字电子技术课程设计】多功能数字电子钟的设计
目录
摘要
1 设计任务要求
2 设计方案及论证
2.1 任务分析
2.1.1 晶体振荡器电路
2.1.2 分频器电路
2.1.3 时间计数器电路
2.1.4 译码驱动电路
2.1.5 校时电路
2.1.6 整点报时/闹钟电路
2.2 方案比较
2.3 系统结构设计
2.4 具体电路设计
3 电路仿真测试及结论分析
3.1 电路仿真测试流程
3.1.1 时基电路部分(石英晶体振荡器+分频器)
3.1.2 计时电路部分
3.1.3 校时电路部分
3.1.4 整点报时/闹钟电路部分
3.2 数据分析和结论
3.3 遇到的问题与解决方法
4 收获与体会
5 参考文献
附录
1.元器件清单
2.PCB版图
摘要
数字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,因此得到了广泛的使用。
数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。目前,数字钟的功能越来越强,并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。数字钟适用于自动打铃、自动广播,也适用于节电、节水及自动控制多路电器设备。它是由数子钟电路、定时电路、放大执行电路、电源电路组成。为了简化电路结构,数字钟电路与定时电路之间的连接采用直接译码技术。具有电路结构简单、动作可靠、使用寿命长、更改设定时间容易、制造成本低等优点。
从有利于学习的角度考虑,这里主要介绍以中小规模集成电路设计数字钟的方法。
1 设计任务要求
[1] 时-分-秒6位LED显示;
[2] 时分可以按键校准;
[3] 一路定时和准点报时。
2 设计方案及论证
2.1 任务分析
分析:定时和准点报时可使用通过一种预置初值的方法与当前时间进行比较,再通过蜂鸣器实现报时。也可以定时电路采用上述方法,准点报时利用分位产生的进位脉冲触发蜂鸣器实现报时。
2.1.1 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,保证数字钟的走时准确及稳定。
方案一:由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。
2.1.2 分频器电路
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2.1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 5.1 CD4060内部框图 图5.2 CD4040内部框图
CD4040计数器的计数模数为4096(),其逻辑框图如图5.2。如将32768Hz信号分频为1Hz,则需外加一个8分频计数器,故一般较少使用CD4040来实现分频。
2.1.3 时间计数器电路
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7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。
另外,图8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。
2.1.4 译码驱动电路
2.1.5 校时电路
方案一: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10所示为所设计的校时电路。
2.1.6 整点报时/闹钟电路
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。
选蜂鸣器为电声器件,蜂鸣器是一种压电电声器件,当其两端加上一个直流电压时酒会发出鸣叫声,两个输入端是极性的,其较长引脚应与高电位相连,图示的三极管时为了驱动蜂鸣器。
2.2 方案比较
石英晶体振荡电路:采用的32768晶体振荡电路,其频率为32768Hz,然后再经过15分频电路可得到标准的1Hz的脉冲输出。
由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数RC有关,而且还取决于门电路的阈值电压VTH,由于VTH容易受到温度、电源电压及干扰的影响,因此频率稳定性较差,只能用于对频率稳定性要求不高的场合。
综上分析,选择方案二,石英晶体振荡电路能够作为最稳定的信号源。
CD4060分频系数更高,选择CD4060同时构成振荡电路和分频电路。
2.3 系统结构设计
2.4 具体电路设计
晶体振荡器电路:R的阻值,对于TTL门电路通常在0.7~2KΩ之间;对于CMOS门则常在10~100MΩ之间。
分频器电路:R的阻值,对于TTL门电路通常在0.7~2KΩ之间;对于CMOS门则常在10~100MΩ之间。
3 电路仿真测试及结论分析
3.1 电路仿真测试流程
3.1.1 时基电路部分(石英晶体振荡器+分频器)
在15级2分频电路后的输出端Q0接一个counter timer,在Proteus上运行仿真,观察Q0端口每个下降沿脉冲信号产生时counter timer的示数变化。
3.1.2 计时电路部分
3.1.3 校时电路部分
根据原理图及确定的方案把计时部分和选用的校正电路在Proteus上进行对应连接,在“校时脉冲”处接上一个1Hz的时钟激励源,观察“时校正按钮”及“分校正按钮”分别按下时,6个数码管的计数显示变化。
3.1.4 整点报时/闹钟电路部分
根据原理图及确定的方案把整点报时电路和闹钟电路进行了二合一,在Proteus上进行对应连接。
(2) 通过校时电路适当调节计时电路的时间,观察每到整点时刻,蜂鸣器的变化。
3.2 数据分析和结论
时基电路部分:利用晶振和分频器产生了1Hz精准脉冲信号。
计时电路部分:搭建了两个60进制计数器和一个24进制计数器分别实现了60进制和24进制。
整点报时及闹钟部分:利用拨码开关实现闹钟设定可视化,利用比较器将计时与闹钟进行比较实现闹钟功能。利用门电路实现整点报时。
3.3 遇到的问题与解决方法
2.在不增加数码管的情况下,无法实现当前时间与闹钟定时切换。原因为使用的计数器电路为组合电路,没有记忆功能,通过增加定时电路增加计数器电路和使用四个八路开关实现切换功能。
3.整点计时蜂鸣器不会触发,原因是时计数器进位脉冲产生的连线选择错误,CKA更换为CKB问题得以解决。
4 收获与体会
随后在整点报时部分,原理图、PCB绘制,都让我感觉到了团队合作的力量,我们在短时间内便做出了两种不同的方案,
在这次课程设计中,我们运用到了以前所学的数字电路知识等。虽然过去从未独立应用过它们,但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高,这是我做这次课程设计的又一收获。
5 参考文献
[2] 《电子线路设计·实验·测试》第三版,谢自美 主编,华中科技大学出版社
[3] 《电子线路综合设计实验教程》 刘鸣 主编 天津大学出版
附录
1.元器件清单
序号 |
元器件型号 |
数量 |
备注 |
1 |
20pF |
2 |
|
2 |
2N3904 |
1 |
|
3 |
K2-3.6×6.1_SMD |
4 |
|
4 |
3.3k |
4 |
|
5 |
10k |
1 |
|
6 |
1k |
1 |
|
7 |
10M |
1 |
|
8 |
DS08 |
4 |
|
9 |
0.01uF |
2 |
|
10 |
0.01u |
2 |
|
11 |
BUZZER |
1 |
|
12 |
SEG-TH_0.56×1_Cathode |
6 |
|
13 |
32769Hz |
1 |
|
14 |
74LS85 |
4 |
|
15 |
4060 |
1 |
|
16 |
SWITCH-MOMENTARY |
1 |
|
17 |
74LS48 |
6 |
|
18 |
7432N |
1 |
|
19 |
74LS390 |
11 |
|
20 |
74LS00 |
8 |
|
21 |
74LS08 |
5 |
|
22 |
HD74LS21FP |
1 |
2.PCB版图
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