1、 基础课程设计多功能数字钟院系：物理与电气工程学院专业：电气工程及其自动化年级：2009 级时间：2011-12-100多功能数字钟电路设计与制作摘要数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。目前，数字钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。数字钟适用于自动打铃、自动广播，也适用于节电、节水及自动控制多路电器设备。它是由数子钟电路、定时电路、放大执行电路、电源电路组成。为了简化电路结构，数字钟电路
2、与定时电路之间的连接采用直接译码技术。具有电路结构简单、动作可靠、使用寿命长、更改设定时间容易、制造成本低等优点。从有利于学习的角度考虑，这里主要是以中小规模集成电路设计数字钟的方法。11 系统原理框图数字钟电路系统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部分。该系统的工作原理是：振荡器产生的稳定高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。秒计数器计满 60 后向分计数器进位，分计数器计满 60 后向小时计数器进位，小时计数器按照“24 翻 1”的规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时可以用校时电路进行校时
3、、校分。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。其整体系统框图如图 1。时显示器时译码器时计数器分显示器分译码器分计数器秒显示器秒译码器秒计数器校时电路振荡器 分频器仿电台报时定时控制图 1 多功能数字钟系统组成框图555 振荡器电路：555 振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的1KHz 的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。分频器电路：分频器电路将 1KHZ 的高频方波信号经 74LS90 分频后得到 1Hz 的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。时间计数器电路：时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和2分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成
4、，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为 60 进制计数器，时个位和时十位计数器为 24进制计数器。译码驱动电路：译码驱动电路将计数器输出的 8421BCD 码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。仿电台整点报时电路：一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波,较复杂的也可以是实时语音提示。2 主体电路的设计方案与论证2.1 时间脉冲产生电路方案一：由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。通过学习模电数电后，一般学生做数字钟选由集成电
5、路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器图 1 555 与 RC 组成的多谐振荡器图3方案二:选由石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。图 2 石英晶体振荡器图方案三：由集成逻辑门与 RC 组成的时钟源振荡器。图 3 门电路组成的多谐振荡器图用 555 组成的脉冲产生电路:经计算 555 能产生 1KHz 的频率脉冲经分频后可得到设计要求的 1Hz,在精度要求不是很高的时候可以使用。石英晶体振荡电路:虽然精度可以提上去，但相关知识还没学到，为了能跟好的巩固教材上的知识，不宜选用此方案。由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数 RC 有关，而且还取决于门电路
6、的阈值电压 VTH，由于 VTH容易受到温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能用于对频率稳定性要求不高的场合。综上分析，选择方案一，有 555 和 RC 组成的时钟信号源42.2 分频器电路的设计通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到 1Hz 的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的 1KHz 的高音频信号和 500Hz 的低音频信号等。选用三片中规模集成电路计数器 74LS90 可以完成上述功能。因该片为十分频芯片，三片级联可到到所需的信号（第一片能得到500Hz 的
7、频率，第二片能得到 10Hz 的频率第三片能得到,1Hz 的频率。）2.3 时分秒计数器的设计分和秒计数器都是模数 M=60 的计数器，其计数规律为 00-01-58-59-00选 74LS92 作十位计数器，74LS160 作个位计数器，将其级联成模数 M=60 的计数器。时计数器是一个“24 翻 1”的特殊进制计数器，当数字中运行到23 时 59 分 59 秒，下一个数将变为 00 时 00 分 00 秒。实现日常生活习惯用的技术规律。2.4 驱动电路结合教材上所学到的的知识，CD4511 作为驱动芯片有它特有的优势。它不仅是我们所熟悉的共阴极数码管驱动芯片，而且驱动电流加大、价格适中。所
8、以选择 CD4511 做驱动芯片。52.5 校时电路方案一：。通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。图 10 所示为所设计的校时电路。图 4 方案一校正电路图方案二：方案二与方案一原理差不多，但多了 0.01uf 的电容防抖动。6图 5 方案二校正电路图通过比较可知，方案二比方案一多了防抖动的措施，稳定性更好，防抖动措施更好，更完备，通
9、过比较选择方案二，既能实现防抖动功能，做出事物也更经济一些。主体电路调试根据图 1 所示的数字钟系统组成框图，按照信号的流向分级安装和调试，逐级级联。级联时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引起逻辑混乱，可以增加多级门来延时。如果显示字符变化很快，模糊不清，这可能是电源电流的跳变引起的，可以在电源端加退耦滤波电容。通常加几十微发的的大电容和 0.01uF 的小电容并联来退耦。功能扩展电路的设计1. 定时控制电路的设计数字钟在指定的时刻发出信号或驱动蜂鸣器“闹时” ；或对某7装置的电源进行接通或关断“控制” 。不管是控制还是闹时，都要求时间准确，即信号的开始时刻和持续时间必须满足规定的要求
10、。2.仿电台正点报时电路的设计仿电台正点报时电路的功能要求是：每当数字钟计时快到正点时发出声响，通常按照 4 低音 1 高音的顺序发出间断声响，最后一声高音结束的时刻为正点时刻。8（由于器件当时没找到，再加上 PCB 电路画的不是很好，就没有调。仅给出原理图）心得体会：1. 应该在画原理图前进行仿真，仿真后开始画原理图和 PCB 图2. 画 PCB 图要查清楚元器件的封装，能在 21IC.com 网站找到 pdf文档，尽量查看 pdf 文档资料，百度上的中文资料尽量少做参考（除非在其他地方找不到相关资料） 。3. 画封装是最好自己用尺子测量对应元器件的尺寸，然后才着手去画。4. 布局应该尽可能
11、紧凑，这样画出来的既美观，又看着舒服、技术含量又高。应将主体布局思路按照原理图中元器件的位置而布局，尽可能使预拉线没有相交。5. 焊盘最好使它的外径为 2.2mm，内径为 0.7mm；电源线、地线应当加粗，这样可以减少线路电阻，降低误差和线路损耗。6. 画 PCB 时，布线一定要记得把芯片的地线和电源线给接上。7. 尽可能地选用常见器件，能用通用器件实现的最好不选专用器件。选用器件时，应选择尽可能选择同类型的，整个系统所需的器件种类尽量少。 （降低成本）8. 要注意芯片的异步清零和同步预置数的区别。异步清零：当到达预定的数时，输出端全变为零。同步预置数：当到达设定的情况时，要等到下一个脉冲来时
12、，将输出端数变为输入端的数。9附图原理图：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA TitleNumber RevisionSizeBDate: 10-Dec-201 Shet of File: G:大大大大.db Drawn By:A7B1C2D6 LT3BI4LE5A13B12C1D10E9F15G14 cd451451A7B1C2D6 LT3BI4LE5A13B12C1D10E9F15G14 cd4512451A7B1C2D6 LT3BI4LE5A13B12C1D10E9F15G14 cd4513451A7B1C2D6 LT3BI4LE5A13B12C1D10E9F15G14
13、cd4514451A7B1C2D6 LT3BI4LE5A13B12C1D10E9F15G14 cd4515451A7B1C2D6 LT3BI4LE5A13B12C1D10E9F15G14 cd4516451P03P14P25P36Q014Q113Q212Q31TC15CEP7CET10CLK2PE9MR1U174ALS160P03P14P25P36Q014Q113Q212Q31TC15CEP7CET10CLK2PE9MR1U274ALS160P03P14P25P36Q014Q113Q212Q31TC15CEP7CET10CLK2PE9MR1U374ALS160P03P14P25P36Q014Q
14、113Q212Q31TC15CEP7CET10CLK2PE9MR1U474ALS160P03P14P25P36Q014Q113Q212Q31TC15CEP7CET10CLK2PE9MR1 U774ALS160 P03P14P25P36Q014Q113Q212Q31TC15CEP7CET10CLK2PE9MR1 U674ALS160 P03P14P25P36Q014Q113Q212Q31TC15CEP7CET10CLK2PE9MR1 U574ALS160TRIG2Q 3R4CVolt5 THR 6DIS 7VC8GND1N1551 23yu1A74LS04 56yu1B74LS089 10yu1
15、C74LS0 112 13yu1D74LS01 23yu2A74LS04 56yu2B74LS01 2f1A74LS04 3 4f1B74LS0456f1C74LS04R1RES2R2RES2R3RES2R4RES2R5RES4C10.01uFC20.01uFC30.01uFC40.01uFa bf cg deDPY LEDgn1234567abcdefgQ1DPY_7-SEGa bf cg deDPY LEDgn1234567abcdefgQ2DPY_7-SEGa bf cg deDPY LEDgn1234567abcdefgQ3DPY_7-SEGa bf cg deDPY LEDgn123
16、4567abcdefgQ4DPY_7-SEGa bf cg deDPY LEDgn1234567abcdefgQ5DPY_7-SEGa bf cg deDPY LEDgn1234567abcdefgQ6DPY_7-SEGQ012Q11Q29Q38MR16R27 CLK014CLK11L174LS92 Q012Q11Q29Q38MR16R27 CLK014CLK11L274LS92L3SW SPSTL4SW SPST1245 6Y1A74LS201312109 8Y1B74LS201245 6Y2A74LS201312109 8Y2B74LS2012 3OC1A74LS0345 6OC1B74L
17、S038910OC1C74LS0311213OC1D74LS0345 6y1B74LS0R6RES2R8RES2R7RES2p5NPN1245 6Y3A74LS201312109 8Y3B74LS2012 3y2A74LS045 6y2B74LS08910y2C74LS011213y2D74LS01 2f1A74LS043 4f1B74LS0456f1C74LS04 89 f1D74LS04s1SPEAKERs2SPEAKERp2NPNR10RES2R9RES212Z5CON21234Z6CON41234Z7CON41234Z8CON41234Z9CON41234Z10CON41234Z2CON4 234Z4CON41234Z3CON412Z1CON21 2f1A74LS04PGGPPGGPPPPPGGGGG1KHZ1KHZ50HZ50HZP 1KHZC10.01uF C1247uFP123JP1HEADER 310PCB 图：
