1、本科畢業設計（論文） 題 目 XN-1數字鐘的設計 職稱 指導老師 學生姓名 學號 班級 院（系） 完成時間 XN-1數字鐘的設計 在個人家庭、車站、碼頭、劇場、辦公室等公共場所，到處都看到數字鐘的 身影，給人們的生活、學習、工作、娛樂帶來極大的方便。但由于某些數字鐘的 設計存在某些缺陷，使數字鐘走時不夠準確、性能不穩定、攜帶不方便等缺點, 隨著集成電路技術的發展和先進的石英技術的應用使它的性能有了很大改善， XN-1數字鐘具有計時、自動報時、校時等功能；而且走時夠準確、性能穩定、 攜帶方便、數字顯示清晰等優點。本文介紹了 XN-1數字鐘的組成結構、工作原 理，對其電路進行了詳細的分析。 關鍵

2、詞 數字鐘；集成電路；邏輯電路；時序電路 THE DESIGN OF DIGITAL CLOCK ABSTRACT In the in dividuals, families, stati ons, p iers, theaters, offices and other p ublic pl aces, everywhere we can see the figure of the digital clock bring great convenience to the way of peop les live, lear ning, worki ng and en tertai nmen t

3、s. Because of some flaws of the desig n of the digital clock, the digital clock is not accurate eno ugh, un stable of p erforma nee, hard to carry and other shortco min gs. With the devel opment of in tegrated circuit tech no logy and the adva need quartz tech no logy, its p erforma nee has bee n gr

4、eatly impro ved. Not on ly does XN-1 digital clock have tim ing, automatic timekee ping, school functions, but also its travel time is eno ugh for an accurate, stable p erforma nee, easy to carry, clearly figures show and so on. This article describes the structure of the XN-1 digital clock, working

5、 principle, and its circuit a detailed an alysis. KEY WORDS Digital clock; I ntegrated circuit; Logic circuit; Seque ntial circuits 5 ABSTRACT 1.XN-1型數字鐘的組成結構 2. II 2. XN-1數字鐘的工作原理及電路分析 2.1秒信號發生電路 3. 2.2. “時” “分” “秒”計數器電路 2.3. 譯碼顯示電路 2.4. 校時電路 12 2.5. 整點報時電路 14 2.5.1控制門電路部分 14 2.5.2音響電路 15 2.6整機工作過程

6、 15 3.安裝調試方法 1.6 3.1 秒信號發生器的安裝和調試 16 3.2 計數器的安裝和調試 16 3.3 譯碼顯示電路的安裝和調試 16 3.4 校時電路的安裝和調試 17 3.5 整點報時電路的安裝和調試 17 1.7 4.結束語 18 5.總結 錯誤！未定義書簽。 參考文獻 19 現在我國的電子業發展非常快速，電子業的發展有利于鐘表業的發展。在 中國鐘表發展史上，國產機芯研制的失敗已經成為過去， 組裝業”作為新興鐘表 工業的起步階段也已成為過去。一支新的充滿智慧的鐘表精英在成長。 我們相信在科技高速發展的今天，鐘表業運用當今材料工業、電子工業和 其他領域的最新技術，一定會生產出代

7、表中國科學水平的產品。 我們希望鐘表業 的精英們在提高制造技術水平中不斷創新， 培育出擁有自主知識產權的品牌。這 正是中國鐘表業發展的希望。 1.設計目的 XN-1數字鐘具有準確計時，以數字形式顯示時、分、秒的時間、報時和校 時功能。在電路中，要用到振蕩電路提供的1H z脈沖信號。在計時出現誤差時 電路還可以進行校時和校分, 為了使電路簡單所設計的電路不具備校秒的功能。 并且要用數碼管顯示時、分、 秒，各位均為兩位顯示。 2.設計功能 時的計時要求為 “24翻1”，分和秒的計時要求為 60進制 準確計時，以數字形式顯示時，分，秒的時間 (3) 校正時間 (4) 報時功能; 1. XN-1型數字

8、鐘的組成結構 圖1.1是XN-1數字鐘的組成框圖。它是由時鐘信號發生電路、時” 分” 秒”計時電路、報時電路、校時電路、譯碼顯示電路五大部分組成。 圖1.1 XN-1型數字鐘組成框圖 21 2. XN-1數字鐘的工作原理及電路分析 2.1秒信號發生電路 秒信號發生電路是數字鐘的心臟，它是產生時間標準 秒”信號的電路。為了 制作簡便，本系統中采用CD4060構成的晶體振蕩電路。 CD4060是14位二進制串行計數/分頻器。它由兩部分電路組成，一部分電 路是14級二進制分頻器，另一部分電路是振蕩器。分頻器部分是由D觸發器組 成的14位二進制串行計數器，其分頻系數為 16至16384 （分別由Q4到

9、Q14輸 出），振蕩器部分是兩級反相放大器，通過外接電阻和電容構成RC振蕩器，或 通過外接石英晶體構成高精度的晶體振蕩器。 CD4060的十四級計數器只有10個輸出端Q4-Q10、Q12-Q14,其管教排列 和真值表分別如圖2.1和2.2所示 VDD 16 CPI CP CPO 11 CD4060 9 4 6 1-1 13 15 10 C 2 34 4 5 6 7 8 9-11 11 QQ Q-OQ.Q.QQ QQ YSS 圖2.1 CD4060管腳排列 輸入 輸出 CP1 R 計數器狀態 t 0 不變 0 0 1 0 0 加計數 全部輸出為0 X 1 圖2.2 CD4060真值表 R為復位端

10、。它為高電平時計數器全部清零，同時使時鐘禁止輸入或者使內 振蕩器停振；R為低電平時，進入計數狀態。 由CD4060內部門電路構成的晶體振蕩器與普通門電路構成的晶體振蕩器 的電路一樣，如圖2.3:電阻Rf是反饋電阻，用來是非門工作在傳輸特性曲線的 線性區，其值可在幾兆到幾十兆歐之間選取，晶體工作在并聯諧振狀態，呈感性。 調節可變電容Ct的值，可使頻率跳到一個精確值。 圖2.3為CD4060構成的秒信號發生器電路，它可以為數字鐘提供固定的時 鐘信號（1秒）。該電路是由CD4060和BCD碼同步加法計數器 CD4518構成。 電路中利用CD4060組成兩部分電路，一部分是14級分頻器，另一部分是外接

11、 電子表用石英晶體構成的頻率為 32768HZ的振蕩源。振蕩器輸出經14級分頻后 在輸出端Q14上得到2HZ脈沖，再送入由CD4518構成的二分頻器，分頻后在 輸出端Q1上得到秒基準信號，頻率為1HZ0 圖2.3秒信號發生電路 2.2.計數器 數字鐘的 秒” 分”信號產生電路都是由六十進制計數器構成，時”信號產 生電路為二十四進制計數器。他們都可以用兩個 二-十”計數器來實現。 六十進制計數器和二十四進制計數器均可由雙BCD加法計數器CD4518組 成。CD4518的管腳排列如圖2.4所示，真值表如圖2.5所示。 VDD 16 A A 1 f 1 3 13 4 5 QQQQQQQ-Q 4 CD

12、4518 CPA 1 ENA n RA II 1 1 CPB 9 ENB 10 RB 15 圖2.4 CD4518管腳排列 CP EN R 功能 f 1 0 加計數 0 I 0 加計數 i X 0 保持 X t 0 保持 t 0 0 保持 1 1 0 保持 X X 1 復位 圖2.5 CD4518真值表 因為一片CD4518內含有兩個十進制計數器，因此用一片CD4518就可以構 成六十進制或二十四進制計數器了。 選取CD4518和與非門CD4511、采用反饋復位法構成的六十進制和二十四 進制加法計數器電路分別如圖2.6的（a）和（b）所示。 ICR 2CR CC4518 CP ICP 3QC2

13、QB TEN lEN 2CR IQD tr 1 rt 把計數器各功能端前標有“ 1的叫 計數器T,標有“2的叫 計數器2”。在這 兩個電路中，計數器T的控制脈沖均由CP端輸入，因此1EN應接高電平；計 數器2”的控制脈沖均由EN端輸入，因此2CP應接低電平。將1Qd接至2EN保 證了低位十進制計數器向高位計數器提供觸發信號。 由圖2.6可以看出：當 計數器T的狀態由1001向0000轉換時，1Qd(2EN) 正好是一個下降沿，因此高位的計數器開始計數。 在圖2.6 (a)中，將2Qb和1Q相與后接至CR端構成了六十進制計數器。 在圖(b)中，將2QB和1QC相與后接至CR端構成了二十四進制計數

14、器。為 了保證電路能可靠地工作，在 秒”、分”、時”計數器反饋復位支路中，加了一 個RS觸發器，如圖2.7所示。 圖2.7計數器反饋復位電路 將與非門組成的RS觸發器的輸出接至計數器的復位端，展寬了復位和進位 信號的脈沖寬度，使其在本為可靠地復位的同時向高位提供了進位觸發脈沖。與 非門選用四2輸入與非門CD4011，其外部引線排列如圖2.8所示。 , * C4511 A a b E d C e f D o 圖2.9 CD4511管腳排列 LE (Bl) (LT) D C B A a b c d e f g 顯示 X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8 X 0 1 X X X

15、 X 0 0 0 0 0 0 0 熄滅 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 1 1 0

16、0 1 1 1 1 0 0 1 1 9 0 1 1 1010 至 1111 0 0 0 0 0 0 0 熄滅 1 1 1 XXX X 為LE上跳前的BCD碼決定 鎖存 圖2.10 CD4511真值表 由表2.10可知，當鎖存允許端LE=“0”時，鎖存器直通，譯碼器輸出端 a-g 隨輸入A-D端變化，當LE=“ 1時，鎖存器鎖定，輸出端保持不變。熄滅控制端 (BI)=時0”譯碼器輸出全“0,”因此，正常工作是應使BI為高電平。另外燈測 試端(LT) = “0；譯碼器輸出全“ 1數碼管各段均亮，即顯示 8,用來檢測數碼 管是否正常。當輸入的BCD碼大于1001時，七段顯示輸出全“0”各段均不亮。

17、CD4511常用于驅動共陰極 LED數碼管，工作時一定要加限流電阻。由 CD4511組成的基本數字顯示電路如圖 2.11所示。 圖中BS205為陰極LED數碼管，電阻R用于限制CD4511的輸出電流大小，它 決定LED的工作電流大小，從而調節 LED的發光亮度，R值由下式決定: R= (Uoh-Ud) /Id 式中Uoh為CD4511輸出高電平(VD ),Ud為LED的正向工作電壓(1.5到2.5V)。 F面以60進制 秒”計時電路為例，將計數器、譯碼顯示器和顯示數碼管連 在一起，其電路圖示意圖見圖2.12 圖2.12六十進制 秒”計時電路 24 校時電路 當時鐘指示不準時，就需要校準時間。校

18、準的方法很多，常用的有快速校 時法”現在以 分計時器”的校準電路為例，簡要說明它的校時原理，見圖2.13 分計數器的CP端 與非門1,2構成的雙穩態觸發器，可以將1HZ的 秒”信號和 秒計時器的進位 信號”送至 分計數器的CP端”當開關K置于“B端時，與非門1輸出低電平, 門2輸出高電平。秒計數器進位信號”通過門4和門5送至 分計數器的CP端” 使分計數器”工作正常；需要校正 分計數器”時，將開關K置于“A端，與非門 1輸出高電平，門2輸出低電平，門4封鎖 秒計數器進位信號”而門3將1HZ 的CP信號通過門3和門5送至 分計時器”的CP控制端，使 分計數器”在 秒” 信號的控制下 快速”計數，

19、直至正確的時間，再將開關置于 “ B端，達到校準時 間的目的。 2.5.整點報時電路 數字鐘整點報時是最基本的功能之一。本系統設計的電路要求在離整點差 圖2.14整點報時電路 整點報時電路主要由控制門電路和音響電路兩部分組成。 2.5.1控制門電路部分 由與非門1至8組成。圖中與非門1,3,5的輸入信號Q4, Q3，Q2, Q1分別 表示分十位”分個位” 秒十位”和秒個位”的狀態，下標中D，C,B,A分別 表示組成計數器的四個觸發器的狀態。 由圖2.12可知：丫仁Qc4 QA4QD3QA3 Y2=QC2 QA2 QD1 QA1 Y3= (Y1 Y2) Y1為59分，丫2為59秒。 2.5.2音

20、響電路 阻，是為了防止電流過大損壞喇叭，集電極串接 音響電路采用射極輸出器，推動 8Q的喇叭，三極管基極串接1kQ限流電 51 Q限流電阻，三極管選用高 頻小功率管。 2.6整機工作過程 首先利用CD4060和石英晶體構成能輸出 2Hz信號的電路，再把產生的2Hz Q1端得到秒基準信號（1Hz）。第 信號送入CD4518構成二分頻器，分頻后輸出 二步，把得到的秒基準信號送往計數器 CD4518中，每隔1秒計數一次。在 秒” 分” 時”計數器反饋復位支路中加了一個 RS觸發器，將輸出接至計數器的復 位端，實現進位功能。第三步，經譯碼電路將計數器輸出的BCD碼編程能驅動 數碼顯示器的工作信號。此部

21、分需要CD4511進行掃描顯示。輸出顯示穩定的數 據。第四步，由于一些內在或外在的因素，有時候，鐘表可能會顯示不準確。那 么就需要校時電路。此系統的校時電路是由與非門構成的雙穩態觸發器，將1Hz 的秒”信號和 秒計數器的進位信號”送至 分計數器的CP端”并將信號送入開 關控制。第四步，整點報時。將計數器的四個觸發器的狀態進行提取。當時鐘達 到59分59秒時，電路中的三極管導通，電流經過喇叭，發出鳴叫。持續聲音為 1秒。 3. 安裝調試方法 本設計電路在數字電路實驗箱上完成。在進行整體電路連接之前，應對各 部分的電路進行逐一安裝和調試。 3.1秒信號發生器的安裝和調試 按圖2.3電路在實驗箱上連

22、線，輸出接發光二極管，觀察發光二極管的顯 示情況。 3.2計數器的安裝和調試 按圖2.6電路在試驗箱上連線。因為 CD4518內含有兩個同步十進制計數 器，CD4011內含有四個2輸入與非門，因此分別用一片 CD4518和CD4011就 夠了。 1.按圖2.6 （a）電路連線，輸出可接發光二極管。觀察在 CP作用下（CP 為1Hz可直接由實驗箱連續脈沖輸出端提供）輸出端發光二極管的狀態變化情 況，驗證是否為六十進制計數器。 2.按圖2.6 （b）電路連線，驗證電路是否為二十四進制計數器。 3.調試過程中，要注意的問題: （1）根據CD4518的功能表，當觸發脈沖由CP端輸入時，EN端應接高 電

23、平，此時CP上升沿觸發；當觸發脈沖由EN端輸入時，CP端輸入端接低電平， 此時CP下降沿觸發。 （2） CR為異步復位端，咼電平有效。當 CR為咼電平時，計數器復位; 正常計數時，應使CR=O。 3.3譯碼顯示電路的安裝和調試 按圖2.12電路在數字電路實驗箱上連線。它是由十進制加法計數器 CD4518、BCD-7段鎖存譯碼/驅動器CD4511和LED七段顯示數碼管組成。 觀察在CP作用下數碼管的顯示情況。CD4511正常工作時，(LT)(BI)應為 咼電平，LE應為低電平。 3.4校時電路的安裝和調試 按圖2.13所示電路在數字電路試驗箱上連線。將電路輸出(門5)接發光 二極管。撥動開關、觀

24、察在 CP (1Hz)作用下，輸出端發光二極管的顯示情況。 根據開關的不同狀態，輸出端輸出頻率之比約為1:60,可以取自試驗箱上的邏輯 電平開關。 3.5整點報時電路的安裝和調試 按圖2.14電路在數字電路試驗箱上連線。 測試時，1KHz的CP信號可由試驗箱上獲得。 數器的相應輸出端。觀察計數器在 CP信號的作用下, QaiQda端可接至十進制計 喇叭發出聲響的情況。 4.結束語: 經過近一個月的努力，以及同學們和安老師的指導， 成了。本次設計的XN-1型數字鐘不同于以往的機械數字鐘。由于它采用晶體振 蕩電路產生的秒信號，所以走時準確。此外，系統采用的與非門組成的校時功能 具有操作簡便等優點。采用的 LED七段顯示數碼管更清晰直觀的把數字顯示出 來。總體上XN-1數字鐘具有走時夠準確、性能穩定、攜帶方便、數字顯示清晰 等優點。不足之處是本系統沒有直流源電路，所以電池需要定期更換。 XN-1型數字鐘終于完 5.總結 通過本次畢業設計，我明白了一個道理：無論做什么事情，都必需養成嚴謹，認真，善 思的工作作風.我 這畢業設計由于我采用的是數字電路來實現的，所 以電路