本文關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

一、設(shè)計(jì)目的
1.       熟悉集成電路的引腳安排。
2.       掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。
3.       了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法。
4.       了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。
5.       熟悉數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作。
二、設(shè)計(jì)要求
1．設(shè)計(jì)指標(biāo)
?     時(shí)間以24小時(shí)為一個(gè)周期；
?     顯示時(shí)、分、秒；
?     有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；
?     計(jì)時(shí)過程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前5秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)；
?     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表針時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。
 
2．設(shè)計(jì)要求
?     畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；
?     元器件及參數(shù)選擇；
?     電路仿真與調(diào)試；
?     PCB文件生成與打印輸出。
3．制作要求  自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。
4．編寫設(shè)計(jì)報(bào)告  寫出設(shè)計(jì)與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。
 
三、設(shè)計(jì)原理及其框圖

1．?dāng)?shù)字鐘的構(gòu)成
   數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)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，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)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 3-1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。 

 ⑴晶體振蕩器電路　　
 
晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Ｈz的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)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。
 
⑵分頻器電路　　
 
分頻器電路將32768Ｈz的高頻方波信號(hào)經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號(hào)供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。
 
⑶時(shí)間計(jì)數(shù)器電路　　
 
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，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。
 
⑷譯碼驅(qū)動(dòng)電路　　
 
譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)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。
 
⑸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(jì)提供的為ＬＥＤ數(shù)碼管。
 
2．?dāng)?shù)字鐘的工作原理
 
１）晶體振蕩器電路
 
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。
 
圖3-2所示電路通過ＣＭＯＳ非門構(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，ＣＭＯＳ非門Ｕ１與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，Ｕ２實(shí)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Ｒ１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(gè)高增益的反相放大器。電容Ｃ１、Ｃ２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，從而和非門構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，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XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。
 
從有關(guān)手冊(cè)中，可查得C1、C2均為30pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時(shí)，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)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10MΩ。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。   

 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(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。
 
通常實(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)器來實(shí)現(xiàn)。例如，將３２７６８Ｈz的振蕩信號(hào)分頻為１ＨZ的分頻倍數(shù)為３２７６８（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。常用的２進(jìn)制計(jì)數(shù)器有７４ＨＣ３９３等。
 
本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來構(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，使用更為方便。
 
ＣＤ４０６０計(jì)數(shù)為１４級(jí)２進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將３２７６８ＨZ的信號(hào)分頻為２ＨZ，其內(nèi)部框圖如圖3-3所示，從圖中可以看出，ＣＤ４０６０的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。

 ３）時(shí)間計(jì)數(shù)單元
 
時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個(gè)部分。
 
時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為１２進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，其輸出為兩位８４２１ＢＣＤ碼形式；分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為６０進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為８４２１ＢＣＤ碼。
 
一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC390來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)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�。�.３所示。該器件為雙２—５－１０異步計(jì)數(shù)器，并且每一計(jì)數(shù)器均提供一個(gè)異步清零端（高電平有效）。

 秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將ＱＡ與ＣＰＢ（下降沿有效）相連即可。ＣＰＡ（下降沒效）與１ＨZ秒輸入信號(hào)相連，Ｑ３可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。
 
秒十位計(jì)數(shù)單元為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法如圖3-5所示，其中Ｑ２可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。

 分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的Ｑ３作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連，分十位計(jì)數(shù)單元的Ｑ２作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。
 
時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為１２進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是１０的整數(shù)倍，因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行１２進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用１片７４ＨＣ３９０實(shí)現(xiàn)１２進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖3-6所示。
 
另外，圖3-6所示電路中，尚余－２進(jìn)制計(jì)數(shù)單元，正好可作為分頻器２ＨZ輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為１ＨZ信號(hào)之用。

 4）譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元
 
計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計(jì)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，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。
 
5）校時(shí)電源電路
 
當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。通常，校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。
 
 根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧�(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖3-7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時(shí)電路， 

 6）整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路
 
一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能，即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí)，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(shí)時(shí)語(yǔ)音提示。
 
根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。報(bào)時(shí)電路選74HC30，，選蜂鳴器為電聲器件。
 
四、元器件
實(shí)驗(yàn)中所需的器材
?     5V電源。
?     面包板1塊。
?     示波器。
?     萬用表。
?     鑷子1把。
?     剪刀1把。
?     網(wǎng)絡(luò)線2米/人。
?     共陰八段數(shù)碼管6個(gè)。
?     CD4511集成塊6塊。
?     CD4060集成塊1塊。
?     74HC390集成塊3塊。
?     74HC51集成塊1塊。
?     74HC00集成塊5塊。
?     74HC30集成塊1塊。
?     10MΩ電阻5個(gè)。
?     500Ω電阻14個(gè)。
?     30p電容2個(gè)。
?     32.768k時(shí)鐘晶體1個(gè)。
?     蜂鳴器。
 
五、個(gè)功能塊電路圖
 
1.一個(gè)CD4511和一個(gè)LED數(shù)碼管連接成一個(gè)CD4511驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)碼管可從0---9顯示，以次來檢查數(shù)碼管的好壞。
 
4511驅(qū)動(dòng)電路
 
2.利用一個(gè)LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管從0—9顯示。
 
74390十進(jìn)制計(jì)數(shù)器
 
3.利用一個(gè)LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00和一個(gè)晶振連接成一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，數(shù)碼管從0—6顯示。
 
74390六進(jìn)制計(jì)數(shù)器
 
4.利用一個(gè)六進(jìn)制電路和一個(gè)十進(jìn)制連接成一個(gè)六十進(jìn)制電路，電路可從0—59顯示。
 
六十進(jìn)制電路
 
5.利用兩個(gè)六十進(jìn)制的電路合成一個(gè)雙六十進(jìn)制電路，兩個(gè)六十進(jìn)制之間有進(jìn)位。
 
雙六十進(jìn)制電路
 
6.利用CD4060、電阻及晶振連接成一個(gè)分頻——晶振電路。
 
分頻—晶振電路
 
7.利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個(gè)校時(shí)電路。
 
校時(shí)電路
 
8.利用74HC30和蜂鳴器連接成整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。
 
整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。
 
9.利用兩個(gè)六十進(jìn)制和一個(gè)十二進(jìn)制連接成一個(gè)時(shí)、分、秒都會(huì)進(jìn)位的電路。。
 
時(shí)、分、秒的進(jìn)位連接。
 
六、總接線元件布局。
 
七、芯片連接。
 
八、總結(jié)
 
1.設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及其解決方法。
 
1)在檢測(cè)面包板狀況的過程中，出現(xiàn)本該相通的地方卻未通的狀況，后經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是由于萬用表筆尖未與面包板內(nèi)部垂直接觸所至。
 
2)在檢測(cè)CD4511驅(qū)動(dòng)電路的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示的狀況，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主要是由于接觸不良的問題，其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良，在實(shí)驗(yàn)過程中，數(shù)碼管有幾段二極管時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，有時(shí)會(huì)消失。用5V電源對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行檢測(cè)，一端接地，另一端接觸每一段二極管，發(fā)現(xiàn)二極管能正常顯示的，再用萬用表歐姆檔檢測(cè)每一根線是否接觸良好，在檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)有幾根線有時(shí)能接通，有時(shí)不能接通，把接觸不好的線重新接過后發(fā)現(xiàn)能正常顯示了。其次是由于芯片接觸不良的問題，用萬用表歐姆檔檢測(cè)有幾個(gè)引腳本該相通的地方卻未通，而檢測(cè)的導(dǎo)線狀況良好，其解決方法為把CD4511的芯片拔出，根據(jù)面包板孔的的狀況重新調(diào)整其引腳，使其正對(duì)于孔，再用力均勻地將芯片插入面包板中，此后發(fā)現(xiàn)能正常顯示，本次實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)一塊壞的LED數(shù)碼管和兩塊壞的CD4511，經(jīng)更換后均能正常顯示。
 
3)在連接晶振的過程中，晶振無法起振。在排除線與芯片的接觸不良問題后重新對(duì)照電路圖，發(fā)現(xiàn)是由于12腳未接地所至。
 
4)在連接六進(jìn)制的過程中，發(fā)現(xiàn)電路只能4、5的跳動(dòng)，后經(jīng)發(fā)現(xiàn)是由于接到與非門的引腳接錯(cuò)一根所至，經(jīng)糾正后能正常顯示。
 
5)在連接校正電路的過程中，出現(xiàn)時(shí)和分都能正常校正時(shí)，但秒?yún)s受到影響，特別時(shí)一較分鐘的時(shí)候秒亂跳，而不校時(shí)的時(shí)候，秒從40跳到59，然后又跳回40，分和秒之間無進(jìn)位，電路在時(shí)、分、秒進(jìn)位過程中能正常顯示，故可排除芯片和連線的接觸不良的問題。經(jīng)檢查，校正電路的連線沒有錯(cuò)誤，后用萬用表的直流電壓檔帶電檢測(cè)秒十位的QA、QB、QC和QD腳，發(fā)現(xiàn)QA腳時(shí)有電壓時(shí)而無電壓，再檢測(cè)秒到分和分到時(shí)的進(jìn)位端，發(fā)現(xiàn)是由于秒到分的進(jìn)位未拔掉所至。
 
6)在制作報(bào)時(shí)電路的過程中，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在57分59秒的時(shí)候就開始報(bào)時(shí)，后經(jīng)檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)是由于把74HC30芯片當(dāng)16引腳的芯片來接，以至接線都錯(cuò)位，重新接線后能正常報(bào)時(shí)。
 
7)連接分頻電路時(shí)，把時(shí)個(gè)位的QD和時(shí)十位的1腳斷開，然后時(shí)十位的1腳接到晶振的3腳，時(shí)十位的3腳接到秒個(gè)位的1腳，所連接的電路圖無法正常工作，時(shí)十位從0-9的跳，時(shí)個(gè)位只能顯示一個(gè)0，在這個(gè)電路中3腳的分頻用到兩次，故無法正常顯示，因此要把12進(jìn)制接到74HC390的一個(gè)邏輯電路空出來用于分頻即可，因此把時(shí)十位的CD4511的12、6腳接地，7腳改為接74HC390的5腳，74HC390的3、4腳斷開，然后4腳接9腳即可，其中空出的74HC390的3腳就可用于2Hz的分頻，分頻后變?yōu)?Hz，整個(gè)電路也到此為正常的數(shù)字鐘計(jì)數(shù)。
 
2.設(shè)計(jì)體會(huì)
 
    在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程中，更進(jìn)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。
 
    在連接六進(jìn)制、十進(jìn)制、六十進(jìn)制的進(jìn)位及十二進(jìn)制的接法中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了。
 
    在設(shè)計(jì)電路中，往往是先仿真后連接實(shí)物圖，但有時(shí)候仿真和電路連接并不是完全一致的，例如仿真的連接示意圖中，往往沒有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳，因此在實(shí)際的電路連接中往往容易遺漏。又例如74HC390芯片，其本身就是一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在仿真電路中必須連接反饋線才能正常顯示，而在實(shí)際電路中無需再連接，因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區(qū)別的。
 
    在設(shè)計(jì)電路的連接圖中出錯(cuò)的主要原因都是接線和芯片的接觸不良以及接線的錯(cuò)誤所引起的。
 
3.對(duì)該設(shè)計(jì)的建議
 
    此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)重在于仿真和接線，雖然能把電路圖接出來，并能正常顯示，但對(duì)于電路本身的原理并不是十分熟悉�？偟膩碚f，通過這次的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步地增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力。

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本文編號(hào)：134711