1、 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文題 目 數(shù)字鐘的設(shè)計與制作 專 業(yè) 電子信息工程技術(shù) 班 級 信息3081 姓 名 * 學(xué) 號 27# 指導(dǎo)教師 * 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書專業(yè): 電子信息工程技術(shù) 班級:信息3081 學(xué)生簽名: * 一、 畢設(shè)題目 數(shù)字鐘的設(shè)計與制作二、 畢設(shè)技術(shù)指標1、 設(shè)計一臺能直接顯示“時”、“分”、“秒”的數(shù)字鐘，要求24h為一計時周期；2、 電路發(fā)生走時誤差時，要求電路具有校時功能；3、 要求電路具有整點報時功能，報時聲響為四低一高，最后一響正好為整點。三、 設(shè)計與制作要求1、 畫出整機電路框圖，說明各部分電路的工作原理與

2、要求；2、 通過各部分電路的設(shè)計分析，畫出數(shù)字鐘的原理電路，并說明電路的工作原理；3、 電路主要元器件的分析選擇與參數(shù)的確定；4、 通過電路的仿真與分析，進一步優(yōu)化電路與元器件參數(shù)，畫出印制電路板圖；5、 印制電路板的制作、電路的裝配、調(diào)試與檢測過程；6、 撰寫出設(shè)計制作總結(jié)報告四、 畢設(shè)考核的主要知識與技能本課題涉及了數(shù)電、PROTEL、EDA等方面的知識，主要考核電子電路分析與計算機的基本應(yīng)用能力等。五、 設(shè)計時間: 2010 年 11 月 8日 至 2010 年 12 月 31 日六、 指導(dǎo)教師簽名: * 摘要數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的

3、準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命。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序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。數(shù)字鐘適用于自動打鈴、自動廣播，也適用于節(jié)電、節(jié)水及自動控制多路電器設(shè)備。它是由數(shù)子鐘電路、定時電路、放大執(zhí)行電路、電源電路組成。為了簡化電路結(jié)構(gòu)，數(shù)字鐘電路與定時電路之間的連接采用直接譯碼技術(shù)。具有電路結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、使用壽命長、更改設(shè)定時間容易、制造成本低等優(yōu)點。目錄1 系統(tǒng)原理框圖.12方案設(shè)計與論證.33工作原理.5 3.1、數(shù)字鐘的構(gòu)成.5 3.2、數(shù)字中的工作原理.64元器件.105各功能

4、塊電路圖.12 4.1 通過4511測試數(shù)碼管的好壞.12 4.2 4060構(gòu)成脈沖發(fā)生及分頻.12 4.3 74390 構(gòu)成十進制計數(shù)器.13 4.4 74390構(gòu)成六進制計數(shù)器.14 4.5 74390構(gòu)成六十進制計數(shù)器.14 4.6 雙六十進制電路.15 4.7 校時電路.16 4.8 二十四小時計數(shù)器.16 4.9 分頻晶振電路.17 4.10 整點報時電路.186總接線元件布局簡圖.197心得與體會.208參考文獻.21附錄1原件清單.22附錄2部分芯片引腳圖與功能表.23畢業(yè)設(shè)計進度表和平時考核周次任務(wù)階段名稱及主要內(nèi)容檢查日期檢查結(jié)果第一周方案設(shè)計與論證第二周單元電路的設(shè)計1、時

5、間脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計第三周2、計數(shù)電路的設(shè)計第四周3、譯碼及驅(qū)動顯示電路第五周4、校時電路的設(shè)計第六周5、報時電路設(shè)計第七周6、電路總圖設(shè)計第八周心得與體會與設(shè)計整理學(xué)生簽名: *8 班級: 信息3081平時成績: 指導(dǎo)教師簽名: 2006年11月6日指導(dǎo)教師評語和評分意見學(xué)生姓名: 評語: 評分: 指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日畢業(yè)答辯考核和畢業(yè)設(shè)計成績學(xué)生姓名: 1.答辯評語: 評分: 2.畢業(yè)設(shè)計成績:根據(jù)學(xué)生平時表現(xiàn)、指導(dǎo)教師評語意見，經(jīng)答辯小組考核，綜合評定該 生畢業(yè)設(shè)計成績?yōu)? 答辯小組: 組長簽名: 組員簽名: 年 月 日1、系統(tǒng)原理框圖數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)

6、的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。圖 1系統(tǒng)原理框圖1.1晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768z的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。1.2分頻器電路分頻器電路將32768HZ的高頻方波信號經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。1.3時間計數(shù)器電路時間計數(shù)電路由秒個位和秒十

7、位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，時個位和時十位計數(shù)器為24進制計數(shù)器。1.4譯碼驅(qū)動電路譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。1.5整點報時電路一般時鐘都應(yīng)具備整點報時電路功能,即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi),數(shù)字鐘會自動報時,以示提醒.其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波,較復(fù)雜的也可以是實時語音提示。2、方案設(shè)計與論證方案一：原理：數(shù)字鐘一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。這些都是數(shù)字電

8、路中應(yīng)用最廣的基本電路。石英晶體振蕩器產(chǎn)生32768Hz的信號，分頻器電路將32768z的高頻方波信號經(jīng)32768經(jīng)15級2次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的時標信號送到分頻器，分頻電路將時標信號分成每秒一次的方波秒信號。秒信號送入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計的結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。“秒”的顯示由兩級計數(shù)器和譯碼器組成的六十進制計數(shù)電路實現(xiàn)：“分”的顯示電路與“秒”相同，“時”的顯示由兩級計數(shù)器和譯碼器組成的二十四進制計數(shù)電路來實現(xiàn)，所有計時結(jié)果由六位數(shù)碼管顯示。方案一方框圖如圖2.0譯 碼 顯 示 電 路時計數(shù)器分

9、計數(shù)器秒計數(shù)器校時電路石英晶體振器多級分頻器 圖2.0方案一系統(tǒng)方框圖優(yōu)點：石英鐘走 時 準、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點。頻率長期穩(wěn)定性極高，Q值高，帶寬很窄，有利于選頻；體積小，適應(yīng)現(xiàn)在集成工藝要求 。方案二: 采用NE555定時 器和RC組 成的多諧振蕩器作脈沖電路構(gòu)成的數(shù)字種。原理：由555和RC組 成的多諧振蕩器可得到1Hz的方波脈沖信號，把脈沖加到秒計數(shù)器的輸入端，秒 計數(shù) 器對脈沖計數(shù)，記滿60個數(shù)復(fù)位，同時給分計數(shù)器一個信號，分計數(shù)器對脈沖計數(shù)，記滿60個數(shù)復(fù)位，同時給時計數(shù)器一個信號，時計數(shù)器對脈沖計數(shù)，記滿24個數(shù)后復(fù)位。時間周期是 24個小時。555定時器和RC組成的多諧

10、振蕩器的，脈沖信號的精度不高，數(shù)字鐘走時不是很準確需加上一個調(diào)時電路對時間進行調(diào)整。方案二的方框圖如圖2.1所示： 譯 碼 顯 示 電 路時計數(shù)器分計數(shù)器秒計數(shù)器校時電路振蕩器 圖2.1方案二設(shè)計方框圖缺點：振蕩不穩(wěn)定。用555組成的脈沖產(chǎn)生電路: R1=15*103，R2=68*103，C=10F，則555所產(chǎn)生的脈沖的為:f=1.43/(R1+2*R2)*103*10*106=0.947Hz,而設(shè)計要求為1Hz,因此其誤差為5.3%,在精度要求不是很高的時候可以使用。石英晶體振蕩電路:采用的32768晶體振蕩電路,其頻率為32768Hz,然后再經(jīng)過15分頻電路可得到標準的1Hz的脈沖輸出.

11、R的阻值,對于TTL門電路通常在0.72K之間;對于CMOS門則常在10100M之間。由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH，由于VTH容易受到溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差，只能用于對頻率穩(wěn)定性要求不高的場合。綜上分析，選擇方案一，石英晶體振蕩電路能夠作為最穩(wěn)定的信號源。3、工作原理 3.1 數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖

12、 31所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。圖31 數(shù)字種組成框圖3.1.1晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768Hz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。3.1.2分頻器 分頻器電路將32769Hz的高頻方波信號經(jīng)32768（215）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。3.1.3時間計數(shù)器電路時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，時個位和時

13、十位計數(shù)器為12進制計數(shù)器。3.1.4譯碼驅(qū)動電路譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。3.1.5數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計提供的為LED數(shù)碼管。3.2 數(shù)字種的工作原理3.2.1 晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用門電路構(gòu)成；另一類是通過CMOS非門構(gòu)成的電路，如圖32所示，從圖上可以看出其結(jié)構(gòu)非常簡單。該電路廣泛使用于各種需要頻率穩(wěn)定及準確的數(shù)字電路，如數(shù)字鐘、電子計算

14、機、數(shù)字通信電路等。圖 32 CMOS晶體振蕩器圖32所示電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U2實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻R為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。C1、C2均為30pF，當要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10M。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。非門電路可選74HC00或74HC04等。電容C、C與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個1

15、80度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。3.2.2 分頻器電路通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。為了盡量減少元器件數(shù)量，可選用多極2進制計數(shù)電路CD4060，CD4060計數(shù)為14級2進制計數(shù)器，可以將32768HZ的信號分頻為2HZ，其內(nèi)部框圖如圖33所示，從圖中可以看出，CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此在CP和CP之間接入振蕩器外接元件可實現(xiàn)振蕩，并利用時計數(shù)電路中多一個2分頻器（后述）可實現(xiàn)15級2分頻，即可得1HZ信號。

16、圖33 CD4060內(nèi)部框圖3.2.3 時間計數(shù)電路一般采用10進制計數(shù)器來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選74HC390，其內(nèi)部邏輯框圖如圖34所示。該器件為雙2-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均提供一個異步清零端（高電平有效）。 圖34 74HC390內(nèi)部框圖秒個位計數(shù)單元為10進制計數(shù)器，無需進制轉(zhuǎn)換，只需將Q與CP（下降沿有效）相連即可。CP（下降沒效）與1Hz秒輸入信號相連，Q可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的CP相連。秒十位計數(shù)單元為6進制計數(shù)器，需要進制轉(zhuǎn)換。將10進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進制計數(shù)器的電路連接方法如圖35所示，其中Q可作為向上的進位信號與分個位

17、的計數(shù)單元的CP相連。 圖35 十進制六進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換電路分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的Q作為向上的進位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的CP相連，分十位計數(shù)單元的Q作為向上的進位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的CP相連。時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應(yīng)為12進制計數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個位和位計數(shù)單元合并為一個整體才能進行12進制轉(zhuǎn)換。利用1片74HC390實現(xiàn)12進制計數(shù)功能的電路如圖36所示。另外，圖36所示電路中，尚余-2進制計數(shù)單元，正好可作為分頻器2Hz輸出信號轉(zhuǎn)化為1Hz信號之用。圖36

18、 十二進制計數(shù)器電路3.2.4譯碼驅(qū)動及顯示單元計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，為了將計數(shù)器輸出的8421BCD碼顯示出來，需用顯示譯碼電路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，一般這種譯碼器通常稱為7段譯碼顯示驅(qū)動器。常用的7段譯碼顯示驅(qū)動器有CD4511。本次設(shè)計中選擇CD4511作為顯示譯碼電路；選擇LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。3.2.5校時電路根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。若門電路采用TTL型，則可省去電阻R1和R2。與或非門可

19、選74HC15，非門則可選74HC00或74HC04等。圖37所示即為用COMS與或非門實現(xiàn)的時或分校時電路，圖中，In1端與低位的進位信號相連；In2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1Hz或2Hz（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時個位計時輸入端相連。如圖37所示，當開關(guān)打向下時，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門，故校時電路處于正常計時狀態(tài)；當開關(guān)打向上時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。顯然，這樣的校時電路需要兩個。圖37所示校時電路存在開關(guān)抖動問題，使電路無法正常工作，因此實際使用時，須對開關(guān)的狀態(tài)進

20、行消除抖動處理。通常采用基本RS觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消抖動電路，如圖37所示即為帶有該電路的校正電路。另外，在對分進行校時時應(yīng)不影響時計數(shù)器的現(xiàn)狀態(tài)，即當分校時時，如果產(chǎn)生進位應(yīng)該不影響時計數(shù)的計數(shù)或不產(chǎn)生進位作用，因此，可用分校時時RS觸發(fā)器的0輸出狀態(tài)來封鎖。進位輸入信號。74HC51正好為33輸入的與或非門，多出的輸入端可作為封鎖信號輸入之用。圖37 帶有消抖動電路的校正電路3.2.6整點報時電路根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。當時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、

21、9和5，因此可將分計數(shù)器十位的Q和Q 、個位的Q和Q及秒計數(shù)器十位的Q和Q相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。報時電路可選74HC30來構(gòu)成。74HC30為8輸入與非門。選蜂鳴器為電聲器件，蜂鳴器是一種壓電電聲器件，當其兩端加上一個直流電壓時酒會發(fā)出鳴叫聲，兩個輸入端是極性的，其較長引腳應(yīng)與高電位相連。與非門74HC30輸出端應(yīng)與蜂鳴器的負極相連，而蜂鳴器的正極則應(yīng)與電源相連。4 、元器件4.1本課程設(shè)計共用到材料有網(wǎng)絡(luò)線2米/人 CD4060集成塊1塊74HC390集成塊3塊 74HC51集成塊1塊共陰八段數(shù)碼管6個 74HC00集成塊4塊CD4511集成塊6塊 鑷子1把剪刀1把 10M電阻5個74

22、HC390集成塊3塊 74HC30集成塊1塊500電阻14個 30p電容2個32.768k時鐘晶體1個 四連面包板1塊附：面包板結(jié)構(gòu)圖（1）WB1系列面包板之電源座（邊系）彈片是由每25個插孔連接在一起的彈片組裝而成的。五列為一組，共有兩組，組與組不相通，列與列相通，行與行不通。（2）X與Y（3）引腳4.2 集成快引腳排列圖5、各功能塊電路圖5.1通過4511測試數(shù)碼管的好壞，如圖51圖51 4511驅(qū)動電路5.2 4060構(gòu)成脈沖發(fā)生及分頻 如圖52圖525.3 74390 構(gòu)成十進制計數(shù)器如圖53圖535.4 74390構(gòu)成六進制計數(shù)器如圖54圖545.5 74390構(gòu)成六十進制計數(shù)器如圖

23、55圖555.6 雙六十進制電路如圖56 圖565.7 校時電路（分校時時，不會進位到小時）如圖57 圖575.8 十二小時計數(shù)器如圖58 圖585.9 分頻晶振電路如圖59 圖595.10 整點報時電路如圖510圖5106、總接線元件布局簡圖總接線電路圖要求具有24小時制數(shù)字鐘，計數(shù)器，并具有整點報時功能，分與時校正功能，以及正確的頻率（1Hz）。圖61電路總圖7、心得與體會在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。我也得出結(jié)論，不同的電路可以實現(xiàn)同樣的功能，我們應(yīng)該設(shè)計最簡單，最經(jīng)濟，最實用的電路。當然這個不一定所有條件都符合，找到一個最大限度滿足各種條件的方案是我們設(shè)計的目標。課程設(shè)計是一次難得的鍛煉機會，讓我能夠充分利用所學(xué)過