1、數電電子時鐘設計 目錄一、設計目的方案.3二、設計原理圖框圖4三、時鐘分頻電路5-8四、調時消抖電路 . 9-12五、編碼譯碼顯示電路13-14六、整點報時電路15七、DXP總電路圖.16八、PCB板電路圖17九、Multisim 10 仿真電路圖18 十、總結.19 附錄：元件清單20一、設計目的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. 了解面包板結構及其接線方法。4. 了解數字鐘的組成及工作原理。5. 熟悉數字鐘的設計與制作。二、設計方案1設計指標時間以24小時為一個周期；顯示時、分、秒；有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；計時過程

2、具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時；為了保證計時的穩定及準確須由晶體振蕩器提供表針時間基準信號。2設計要求畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數選擇；電路仿真與調試；3編寫設計報告寫出設計與制作的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。三、設計原理及其框圖1數字鐘的構成數字鐘是一個將“ 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一些顯示星期、報時、停電查看時間等附加功能。因此，一個基本的數字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”，“分”，“秒”，“星期”計數器、校時電路、報時電路和振蕩器組成。數字鐘實

3、際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數的計數電路。由于計數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定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數字鐘。圖所示為數字鐘的一般構成框圖四、時鐘分頻電路設計晶體振蕩器電路給數字鐘提供一個頻率穩定準確的32768z的方波信號，可保證數字鐘的走時準確及穩定。不管是指針式的電子鐘還是數字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。晶體震蕩電路采用32768Hz的晶振和555時鐘電路（利用555定時器NE555加上一些電阻、電容元件構成的多諧振蕩器來產生秒信號, 提供給秒計數器用）作為信號發生器，但相比之

4、下用晶振的精確度和穩定性要高于555電路，因此本來采用32768HZ晶振做信號震蕩電路。具體內容如下：該電路產生的脈沖周期的計算公式為:T! (R 1+2R 2)C ln20.7(R 1+2R 2)C將圖中電阻(R)、電容(C)元件的參數代入上式, 可得脈沖周期為T 0.987 s, 與標準值誤差為-1.3%。這樣一天下來, 該數字鐘就要快1 123 s, 將近19 min。另外, 由于電阻、電容生產工藝的限制, 它們本身的實際值與標稱值之間也存在著比較大的誤差。可見, 用該電路產生的秒信號的準確度是較低的。另外, 該電路產生的秒信號的穩定性比較差, 在接線的過程中, 有時會出現電路停振, 沒

5、有信號輸出的現象; 或者輸出信號不夠強, 一將時、分、秒計數器連接起來, 輸出脈沖的幅值明顯下降, 頻率增大。用晶振+分頻電路構成秒信號電路為了提高秒信號準確性和穩定性, 利用石英晶體來構成振蕩電路。由于石英晶體的選頻特性非常好, 只有某一頻率點的信號可以通過它, 其它頻率段的信號均會被它所衰減, 而且, 振蕩信號的頻率與振蕩電路中的R、C元件的數值無關。因此, 這種振蕩電路輸出的是準確度極高的信號。然后再利用分頻電路, 將其輸出信號轉變為秒信號, 其組成框圖如圖2。其中, 晶體振蕩電路采用圖3所示電路。該電路所用晶振的標稱值為32 768 Hz, 振蕩信號經過兩個非門G1、G2后輸出的是標準

6、的、頻率為32 768 Hz的矩形波信號。分頻電路采用14位二進制串行計數器! 分頻器CD4060。圖" 為CD4060的管腳圖。Q4Q14等為不同頻率的信號輸出端, R端為清零端, 高電平有效。改進后的電路如圖5所示。由于CD4060的內部已集成有非門, 因此圖# 中的非門G1、G2可以省去, 而將振蕩電路直接接到其反相器輸入! 輸出端, 這樣就有頻率穩定的信號從CD4060的各輸出端( Q4Q14) 輸出。由于CD4060的輸出端Q4Q14的輸出信號為初始振蕩信號的2n次分頻,Q14端輸出信號的頻率為2 Hz, 也就是說, 它的周期T $ 0.5 s, 不是秒信號, 還須經過一次

7、分頻,輸出的才是秒信號。因此, 在Q14端后面接一個由JK觸發器構成的T'觸發器, 再次分頻。這樣JK觸發器輸出端Q15的輸出信號即為秒信號, 供秒計數器用。3 改進后電路性能的提高按圖5接好線后, 用示波器觀察CD4060 CP0端的輸出信號, 為一矩形波, 示波器顯示該信號的頻率為32 755 Hz。測量Q15端的信號, 輸出矩形波的幅值達到4.0 V, 足夠驅動計數器。經過一個星期的試運行, 該電路沒有出現停振的現象;也沒有出現原電路那種負載能力低、脈沖周期發生變化的現象, 整個數字鐘的工作正常。可見采用該電路, 大大提高了秒信號的準確性和穩定性, 電路也不復雜。 校時電路 校時

8、電路的設計 當數字計時器接通電源或者計時出現誤差時，需要校正時間（或稱校時）。校時是數字計時器應具備的基本功能。為使電路簡單。這里只進行分和小時的校對。對校時電路的要求是，在小時校正時不影響分和時不影響秒和小時的正常計數。校時方式有“快校時”和“慢校時”兩種，“快校時”是通過開關控制，使計數器對1Hz的校時脈沖計數。“慢校時”是用手動產生單脈沖做校時脈沖，（圖2.5）為校“時”，校“分”電路。其中S1為校“分”用的控制開關，S2為校“時”用的控制開關。校時脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖，當S1或S2分別為“0”時可進行“快校時”。秒的正常計數；在分校正本設計采用“快校時”。 需要注意的是，校時

9、電路是由與非門構成的組合邏輯電路，可用芯片74LS00和74LS04實現。開關S1或S2為“0”或“1”時，可能會產生抖動，接電容C1，C2可以緩解抖動。2.3.2 芯片功能及管腳介紹（1）74LS00管腳如圖（2.5）圖2.5 74LS00管腳圖（2）芯片功能介紹74LS00為四二輸入與非門，即。當A=1，B=1時Y=0；A=1，B=0時Y=1；A=0，B=1時Y=1；A=0，B=0時Y=1。（3）芯片邏輯功能表輸 入輸出ABY110101011001表2.3 74LS00功能表（4）74LS04管腳如圖（2.6）圖2.6 74LS04管腳圖（5）芯片功能介紹 74LS04為六反相器，即Y=

10、。當A=0時，Y=1；當A=1時，Y=0。（6）芯片邏輯功能表輸 入輸 出AY0110表2.4 74LS04功能表五、校時消抖電路校時電路有很多，關鍵因素是消抖，下面舉例四個，為了簡單些本人使用例一電容消抖。其他消抖方法可能會更好，作為大家借鑒參考；例一：普通電容簡單電路消抖圖2.7 由74LS00和74LS04構成的校時電路工作原理 當“S1”“S2”由接通到斷開或由斷開到接通時可能會產生抖動，接電容“C1”“C2”后可緩解抖動。取C1=C2=0.01uF，分壓電阻R等于3.3千歐。開關S閉合后，電路開始校時。非門1的輸出也為高電平；所以非門b的輸出只與校時脈沖有關。又由于與非門a的輸出也為

11、高電平，所以非門c的輸出只與非門b的輸出有關。因此與非門c的輸出與校時脈沖相同。開關S斷開后，電路開始正常計時。非門1的輸出為低電平，所以與非門b的輸出為高電平，因此與非門c的輸出完全由與非門a的輸出決定；又與非門 a的輸入只與進位脈沖有關，所以電路進行正常計時。例二：也可采用如下電路例3：例4：同時消抖電路可以用555單穩態如下電路六、編碼譯碼顯示電路主芯片74LS90、CD4543時間計數電路由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器及時個位和時十位計數器電路構成，其中秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器為60進制計數器，而根據設計要求，時個位和時十位計數器為24進制計數器。CD4

12、543譯碼芯片譯碼驅動電路將計數器輸出的8421BCD碼轉換為數碼管需要的邏輯狀態，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。數碼管數碼管通常有發光二極管（LED）數碼管和液晶（LCD）數碼管，本設計提供的為LED數碼管。數碼管結構如圖七、整點報時電路一般時鐘都應具備整點報時電路功能，即在時間出現整點前數秒內，數字鐘會自動報時，以示提醒。其作用方式是發出連續的或有節奏的音頻聲波，較復雜的也可以是實時語音提示。根據要求，電路應在整點前10秒鐘內開始整點報時，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。報時電路選74HC30，選蜂鳴器為電聲器件。利用74HC30和蜂鳴器連接

13、成整點報時電路如下圖：總電子時鐘原理圖如下PCB板如下（采用的是雙層疊加板）：Multisim 10仿真原理圖設計總結 在參加了這次時鐘電路設計后，對電路的構造以及使用功能更加了解，也對一些專業的相關軟件有了初步的認知，以至于對PCB板的識別也不再陌生，這些是在課本中無法學到的，這次的課程設計采用了分模塊法，將每一個單獨的功能模塊進行單獨調試，之后再進行組裝總體調試。 本有想過加一些高級芯片，同樣在設計過程中發現更多的好用的數電芯片，如帶編碼譯碼的CD40110芯片，可以讓電路變得更簡單，同時應為受到90芯片的限制只能做到加法調時分鐘，如果換上可加法減法計時的74LS161和CD40110效果

14、會更好，有代改進的是調時消抖用得是簡單的電容消抖，可以改成斯密特觸發器消抖或555直穩態電路消抖效果同樣更好，例如單片機之類的，但由于加上之后課程設計就會略顯簡單，而要詳細介紹芯片又會很復雜，故棄之。本設計為了能夠達到比較精確的振蕩頻率，特別對其參數進行了精確的計算。能夠產生比較準確的振蕩頻率，從而能夠精確的計時和快速的校時。實現了電子計時器的基本功能。基本符合布線要求。我認為本次設計的最大優點是將一學期的數電課程進行了有效的壓縮和總結，對于比較重要的555定時器的使用，也更加的熟練，由于數電在今后的生活中會應用的更加廣泛，將本門課程學好，并且能融會貫通，對于今后的學習和工作有著重要的意義。不過設計的電路還有一些小的問題，如果再能加上一個外圍電路，將整點報時電路與定時電路相串聯，解決掉電保持電池電流不夠的問題，功能將更加強大。附錄元器件清單序號名稱型號數量1貼片電 阻3005