多功能数字钟设计一、
绪论 (一) 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备,甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
本系统采用石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。由LED数码管来显示译码器所输出的信号。采用了74LS系列中小规模集成芯片。使用了RS触发器的校时电路。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能。论文安排如下: 1、绪论 阐述研究电子钟所具有的现实意义。 2、设计内容及设计方案 论述电子钟的具体设计方案及设计要求。 3、单元电路设计、原理及器件选择 说明电子钟的设计原理以及器件的选择,主要从石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路五个方面进行说明。 4、绘制整机原理图 该系统的设计、安装、调试工作全部完成
二、设计内容及设计方案 (一)设计内容要求 1、设计一个有“时”、“分”、“秒”(23小时59分59秒)显示且有校时功能的电子钟。 2、用中小规模集成电路组成电子钟,并在实验箱上进行组装、调试。 3、画出框图和逻辑电路图。 4 、功能扩展: (1)闹钟系统 (2)整点报时。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频信号,在59分59秒时,输出1000Hz信号,音像持续1秒,在1000Hz音像结束时刻为整点。 (3)日历系统。 (二)设计方案及工作原理 数字电子钟的逻辑框图如图1所示。它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。
三、单元电路设计、原理及器件选择 (一)石英晶体振荡器 1、重要概念的解释 (1) 反馈:将放大电路输出量的一部分或全部,通过一定的方式送回放大电路的输入端。 (2) 耦合:是指信号由第一级向第二级传递的过程。 2、石英晶体振荡器的具体工作原理 石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。它被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中。它还具有压电效应:在晶体某一方向加一电场,晶体就会产生机械变形;反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。在这里,我们在晶体某一方向加一电场,从而在与此垂直的方向产生机械振动,有了机械振动,就会在相应的垂直面上产生电场,从而使机械振动和电场互为因果,这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时,才达到最后稳定,这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。 用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图2所示。利用两个非门G1和G2 自我反馈,使它们工作在线性状态,然后利用石英晶体JU来控制振荡频率,同时用电容C1来作为两个非门之间的耦合,两个非门输入和输出之间并接的电阻R1和R2作为负反馈元件用,由于反馈电阻很小,可以近似认为非门的输出输入压降相等。电容C2是为了防止寄生振荡。例如:电路中的石英晶体振荡频率是4MHz时,则电路的输出频率为4MHz。
石英晶体振荡电路 (二)分频器 1、8421码制,5421码制 用四位二进制码的十六种组合作为代码,取其中十种组合来表示0-9这十个数字符号。通常,把用四位二进制数码来表示一位十进制数称为二-十进制编码,也叫做BCD码,见表1。 表1 8421码 5421码 0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0010 3 0011 0011 4 0100 0100 5 0101 1000 6 0110 1001 7 0111 1010 8 1000 1011 9 1001 1100 2、分频器的具体工作原理 由于石英晶体振荡器产生的频率很高,要得到秒脉冲,需要用分频电路。例如,振荡器输出4MHz信号,通过D触发器(74LS74)进行4分频变成1MHz,然后送到10分频计数器(74LS90,该计数器可以用8421码制,也可以用5421码制),经过6次10分频而获得1Hz方波信号作为秒脉冲信号。
分频电路 3、图中标志的含义 CP——输入的脉冲信号 C0——进位信号 Q——输出的脉冲信号 (三)计数器 秒脉冲信号经过6级计数器,分别得到“秒”个位、十位,“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60进制,小时为24进制。 1、60进制计数器 (1) 计数器按触发方式分类 计数器是一种累计时钟脉冲数的逻辑部件。计数器不仅用于时钟脉冲计数,还用于定时、分频、产生节拍脉冲以及数字运算等。计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。按触发方式,把计数器分成同步计数器和异步计数器两种。对于同步计数器,输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的,而异步计数器中的触发器的翻转则不是同时。 (2)60进制计数器的工作原理 “秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60进制,它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成,如图4所示,采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“秒”、“分”计数器。
60进制计数电路 IC1是十进制计数器,QD1作为十进制的进位信号,74LS90计数器是十进制异步计数器,用反馈归零方法实现十进制计数,IC2和与非门组成六进制计数。74LS90是在CP信号的下降沿翻转计数,Q A1和 Q C2相与0101的下降沿,作为“分”(“时”)计数器的输入信号,通过与非门和非门对下一级计数器送出一个高电平一(在此之前输出的一直是低电平0)。Q B2 和Q C2计数到0110,产生的高电平一分别送到计数器的清零R0(1), R0(2),74LS90内部的R0(1)和R0(2)与非后清零而使计数器归零,此时传给下一级计数器的输入信号又变为低电平0,从而给下一级计数器提供了一个下降沿,使下一级计数器翻转计数,在这里IC2完成了六进制计数。由此可见IC1和 IC2串联实现了六十进制计数。 其中:74LS90 可二/五分频十进制计数器 74LS04 非门 74LS00 二输入与非门
24进制计数器 小时计数电路是由IC5和IC6组成的24进制计数电路,如图5所示。 当“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发信号时,IC5计数器自动清零,进位端QD5向IC6“时”十位计数器输出进位信号,当第24个“时”(来自“分”计数器输出的进位信号)脉冲到达时,IC5计数器的状态为“0100”,IC6计数器的状态为“0010”,此时“时”个位计数器的QC5和“时”十位计数器的QB6输出为“1”。把它们分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0(1)和R0(2),通过7490内部的R0(1)和R0(2)与非后清零,从而完成24进制计数。
24进制计数电路 (四) 译码与显示电路 1、显示器原理(数码管) 数码管是数码显示器的俗称。常用的数码显示器有半导体数码管,荧光数码管,辉光数码管和液晶显示器等。 本设计所选用的是半导体数码管,是用发光二极管(简称LED)组成的字形来显示数字,七个条形发光二极管排列成七段组合字形,便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起,而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反,七个发光二极管的阴极接在一起,而阳极是独立的。 当共阳极数码管的某一阴极接低电平时,相应的二极管发光,可根据字形使某几段二极管发光,所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。 2、译码器原理(74LS47) 译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器,它在这里与数码管配合使用,表2列出了74LS47的真值表,表示出了它与数码管之间的关系
输 入 输 出 显示数字符号 LT(——) RBI(——-) A3 A2 A1 A0 BI(—)/RBO(———) a(—) b(—) c(—) d(—) e(—) f(—) g(—) 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 X 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2 1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3 1 X 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 4 1 X 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 5 1 X 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 6 1 X 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7 1 X 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 8 1 X 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 9 X X X X X X 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭 0 X X X X X 1 0 0 0 0 0 0 0 8 (1)LT(——):试灯输入,是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT(——)=0时,无论输入A3 ,A2 ,A1 ,A0为何种状态,译码器输出均为低电平,若驱动的数码管正常,是显示8。 (2)BI(—):灭灯输入,是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI(—)=0时。不论LT(——)和输入A3 ,A2 ,A1,A0为何种状态,译码器输出均为高电平,使共阳极数码管熄灭。 (3)RBI(——-):灭零输入,它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时,本应显示0,但是在RBI(——-)=0作用下,使译码器输出全为高电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样,将0熄灭。 (4)RBO(———):灭零输出,它和灭灯输入BI(—)共用一端,两者配合使用,可以实现多位数码显示的灭零控制。 3、译码器与显示器的配套使用 译码是把给定的代码进行翻译,本设计即是将时、分、秒计数器输出的四位二进制数代码翻译为相应的十进制数,并通过显示器显示,通常显示器与译码器是配套使用的。我们选用的七段译码驱动器(74LS47)和数码管(LED)是共阳极接法(需要输出低电平有效的译码器驱动)。
译码显示电路 (五)校时电路 1、RS触发器基本RS触发器 R(—) S(—) Q Q(—) 说 明 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0或1 1 1 0 1或0 1 置0 置1 保持原来状态 不正常状态,0信号消失后,触发器状态不定 2、无震颤开关电路 无震颤开关电路的原理:当开关K的刀扳向1点时,S(—)=0,R(—)=1,触发器置1。S(—)端由于开关K的震颤而断续接地几次时,也没有什么影响,触发器置1后将保持1状态不变。因为K震颤只是使S(—)端离开地,而不至于使R(—)端接地,触发器可靠置1。 当开关K从S(—)端扳向R(—)端时,有同样的效果,触发器可靠置0。从Q端或Q(—)端反映开关的动作,输出电平是稳定的。 3、校时电路的实现原理 当电子钟接通电源或者计时发现误差时,均需要校正时间。校时电路分别实现对时、分的校准,由于4个机械开关具有震颤现象,因此用RS触发器作为去抖动电路。采用RS基本触发器及单刀双掷开关,闸刀常闭于2点,每搬动一次产生一个计数脉冲,实现校时功能.
追问这个与题目不符啊!再说我要的是需要买的元件和电路板的详细电路图(就是用来拿给厂家加工电路板的)以及制作的方法,不是论文!!!