1、 數字電子鐘的設計與制作一、 設計概述1. 設計任務Ø 時鐘脈沖電路設計Ø 60進制計數器設計Ø 24進制計數器設計Ø “秒”，“分”，“小時”脈沖邏輯電路設計Ø “秒”，“分”，“小時”顯示電路設計Ø “分”，“小時”校時電路Ø 整點報時電路2. 功能特性Ø 設計的數字鐘能直接顯示“時”，“分”，“秒”，并以24小時為一計時周期。Ø 當電路發生走時誤差時，要求電路具有校時功能。Ø 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。3. 原理框圖圖 1 原理框圖二、 設計原理數字

2、鐘是一個將“ 時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒，另外應有校時功能和報時功能。因此，一個基本的數字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”，“分”，“秒”計數器、校時電路、報時電路和振蕩器組成。干電路系統由秒信號發生器、“時、分、秒”計數器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路組成。秒信號產生器是整個系統的時基信號，它直接決定計時系統的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現。將標準秒信號送入“秒計數器”，“秒計數器”采用60進制計數器，每累計60秒發現胡一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數器”的時鐘脈沖。“分計數器”也采用60

3、進制計數器，每累計60分鐘，發出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數器”。“時計數器”采用24進制計時器，可實現對一天24小時的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數器的輸出狀態菁七段顯示譯碼器譯碼，通過六位LED七段顯示器顯示出來。整點報時電路時根據計時系統的輸出狀態產生一脈沖信號，然后去觸發一音頻發生器實現報時。校時電路時用來對“時”、“分”、“秒”顯示數字進行校對調整的。三、 設計步驟1. 計數器電路根據計數周期分別組成兩個60進制（秒、分）和一個24進制（時）的計數器。把它們適當連接就可以構成秒、分、時的計數，實現計時功能。CC4518的符號如圖，一個芯片集成了兩個完全相

4、同的十進制計數器，其異步清零信號CR是高電平有效。記數脈沖輸入CP和記數允許EN是或關系，即EN=1時，CP脈沖可以通過或門產生上升沿觸發記數，反過來如將CP端接低電平（CP=L），則EN端可以加入計數脈沖，用其下降沿經反相通過或門產生上升沿觸發計數，計數器輸出8421BCD碼。Ø 秒計數器的設計及安裝秒計數器為60進制計數器。實現此模數的計數器是由雙BCD同步加計數器CD4518構成。秒計數器是六十進制，由一個十進制和一個六進制計數器異步級聯組成，各記數器都接成下降沿觸發方式，其中六進制計數器用異步復接法構成。兩級計數器出現0110， 0000時通過置數脈沖使計數器清零,也就是此時

5、AQ2,AQ1通過與門后發出置數脈沖使計數器通過清零端AR清零（如圖2所示）。圖 2 秒計數器Ø 分計數器的設計及安裝分計數器也是60進制計數器。同秒計數器一樣是由雙BCD同步加計數器CD4518構成。再按同秒計數器的方法接成可實現100進制的計數器。再用同秒計數器的方法實現60進制（如圖3所示）。圖 3 分計數器Ø 時計數器的設計及安裝時計數器是24進制計數器。實現此模數的計數器是由雙BCD同步加計數器CD4518構成。時計數器是24進制，在兩級計數器出現0010，0100時通過置數脈沖使計數器清零,也就是此時AQ1,BQ2通過與門后發出置數脈沖使計數器通過清零端AR，B

6、R清零，這樣就構成了24進制計數器（如圖4所示）。圖 4 時計數器2. 譯碼和數碼顯示電路譯碼和數碼顯示電路是將數字鐘的計時狀態直觀清晰地反映出來。可被人們的視覺器官所接受。顯示器件選用液晶顯示。能顯示出清晰直觀的數字符號。譯碼電路的功能是將“秒”“分”“時”計數器的輸出代碼進行編譯，變成相應的數字。用于驅動液晶顯示的輸入端，便可進行不同數字顯示。當數字鐘的計數器在CP脈沖的作用下，按60秒為一分，60分為一小時，24小時為1天的計數規律計數時，就應將其狀態顯示成清晰的數字符號，需要將計數器的狀態進行譯碼并將其顯示出來（如圖5所示）。 圖 5譯碼和數碼顯示電路3. 振蕩器電路振蕩器的作用是產生

7、時間標準信號。數字鐘的精度就是主要取決于時間標準信的頻率和穩定度。所以，在實驗中采用電路由14位二進制串行計數器/分頻器和振蕩器CD4060、BCD雙主-從D型觸發器CD4013構成的秒信號發生器作為時間標準信號源（如圖6所示）。圖 6 秒脈沖發生器CC4060是帶振蕩電路的14位二進制計數器，晶體和電阻電容配合振蕩電路組成振蕩器，振蕩頻率為32768Hz，該信號在片內接至計數器的計數脈沖輸入端，經過14級分頻，在輸出端QN得到2Hz方波信號，再經過CC4013組成的二分頻電路得到1Hz秒脈沖信號。CC4013是雙D觸發器，其中一個用于秒脈沖電路，產生單脈沖的原理是：在按鍵開關S4按下接通時，

8、VDD被R1，R2兩個電阻分壓使置1端S為高電平，Q輸出變1，通過R3向C1充電，置0端R電位由低變高，至有效高電平時使出發器Q返回0，每按一次按鍵Q端就輸出一個單脈沖，通過S1-S3三個開關用此脈沖代替時，分，秒記數器，人為更改計數值，以對時，分，秒分別進行校時。4. 校時電路數字鐘電路由于秒輸出信號的精確性和穩定性不可能做到完全準確無誤，又因為電路中其他的原因數字鐘總會產生走時誤差的現象。所以，電路中就應該有校準時間功能的電路。校時的方法是給被校時的計時電路引入一個超出常規計時許多倍的快速脈沖信號，從而使計時電路快速達到標準時間。將脈沖信號引到“分”和“時”的脈沖輸入端以便快速校準“分”和

9、“時”。CC4013是雙D觸發器，其中一個用于秒脈沖電路，產生單脈沖的原理是：在按鍵開關S4按下接通時，VDD被R1，R2兩個電阻分壓使置1端S為高電平，Q輸出變1，通過R3向C1充電，置0端R電位由低變高，至有效高電平時使出發器Q返回0，每按一次按鍵Q端就輸出一個單脈沖，通過S1-S3三個開關用此脈沖代替時，分，秒記數器，人為更改計數值，以對時，分，秒分別進行校時（如圖7所示）。圖 7 校時電路5. 整點報時電路當數字鐘顯示整點時，應能報時。要求當數字鐘的“分”和“秒”計數器計到59分50秒時，驅動音響電路，要求每隔一秒音響電路鳴叫一次，每次叫聲的時間持續1秒，10秒中內自動發出5聲鳴叫，并

10、且前4聲低，最后一聲高，正好報整點。整點報時電路主要由控制門電路和音響電路兩部分組成（如圖8所示）。圖 8整點報時電路Ø 控制門電路部分圖9中與門的輸入信號Q4、Q3、Q2、Q1、分別表示“分十位”、“分個位”、“秒十位”、“秒個位”的狀態，下標中的D、C、B、A分別表示組成計數器的四個觸發器的狀態。由圖9可以看出：Y1=QC4*QA4*QD3*QA3Y2=Y1*QC2*QA 2 以上二式表示當分十位為5（即QC4QA4=101）、分個位為9（即QD3QA3=1001）、秒十位為5（即QC2QA2=101）時，即59分50秒時發出控制信號。根據設計要求，數字鐘電路要求在59分51秒、

11、53秒、55秒、59秒時各鳴叫一次。當計數器達到59分50秒時，分、秒計數器的狀態為：QD4QC4QB4QA4=0101（分十位）QD3QC3QB3QA3=1001（分個位）QD2QC2QB2QA2=0101（秒十位）QD1QC1QB1QA1=0000（秒個位）前四聲計數器狀態發生在59分51秒至59分58秒之間。因此，只有秒個位的狀態發生變化，而其他計數器的狀態無需變化，所以可保持不變。此時 QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不變，將它們相與即得Y2。而51秒、53秒、55秒、57，59秒時的秒計數器個位狀態分別為QD1QC1QB1QA1=0001（51秒）QD1QC1QB1

12、QA1=0011（53秒）QD1QC1QB1QA1=0101（55秒）QD1QC1QB1QA1=0111（57秒）并根據需要，前四聲為低，則接如512Hz的脈沖信號。最后一聲的各計數器狀態分別如下：QD4QC4QB4QA4=0000（分十位）QD3QC3QB3QA3=0000（分個位）QD2QC2QB2QA2=0000（秒十位）QD1QC1QB1QA1=0000（秒個位）即只須將分進位信號和1024Hz的脈沖信號接入即可（如圖9所示）。圖 9 整點報時控制門電路Ø 音響電路部分音響電路采用集電極輸出器，推動8歐母的喇叭，三極管基極串接10K限流電阻，是為了防止電流過大損壞喇叭（如圖1

13、0所示）。圖 10 整點報時音響電路四、 設計電路原理圖：圖11 設計電路原理圖五、 印制板圖圖12 印制板圖六、 材料清單七、 電路調試1. 計數器的安裝與調試。按圖2，圖3，圖4電路在實驗箱上連線。連線順序為秒計數器，分計數器，時計數器。接好線路后，將秒計數器，分計數器，時計數器連接個位的芯片的第2個和第10個管腳分別接上脈沖上檢驗所接電路是否為正確的。2. 譯碼顯示電路的安裝與調試。按圖5電路在數字電路實驗箱上連線。按已接好的脈沖調試，看看所接電路是否正確。3. 振蕩器的安裝和調試。按圖6電路在實驗箱上連線。接上示波器，觀察波形可知道振蕩器安裝是否正確。4. 校時電路的安裝和調試。按圖7

14、所示的電路圖在數字實驗箱上連線。將電路輸出接二極管。撥動開關。觀察在CP作用下，輸出端二極管的顯示情況。根據開關的不同狀態，輸出端輸出頻率之比約為1：60，“開關”即數字實驗箱上的邏輯電平開關。5. 整點報時電路的安裝和調試。按圖8在數字實驗箱上連線。報時電路發出的聲響是59分1秒至59分60秒之間，59分的狀態是不變的。觀察計數器CP信號的作用下，喇叭發出聲響的情況。八、 設計體會通過該設計讓我通過設計掌握數字電路設計和制作的一般方法。通過對實際電路方案的分析比較、設計計算、元件選取、安裝調試環節，我初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設計方法。認識到理論和實際電路之間的不同，讓我更注意理論

15、和實際的聯系，并初步學會了在電路設計方面理論向實際轉化的方法。在整個數字鐘的設計過程中，自己從中也學到了不少知識，特別是CMOS門電路。加強了理論知識與實踐統一的能力，加強了自己的動手操作能力，為以后的電路設計打好基礎。附錄 芯片功能表CD4518 雙BCD同步加計數器 CD4023 三3輸入端與非門 CD4013 雙主-從D型觸發器CD4081 四2輸入端與門 CD4082 雙4輸入端與門 CD4060 14級二進制串行計數/分頻器 參考文獻【1】 賈秀美，數字電路實踐技術（第一版）.中國科學技術出版社，2000【2】 王毓銀，脈沖與數字電路（第三版）.高等教育出版社，1999【3】 路勇，電子電路