数字石英钟报告
课题名称:数字石英钟的设计与制作姓名:郭佳伟 学号:1143031319 学院:电气信息学院 完成时间:2013.7.12目录摘要------------------------------------------------------------------------------------------------1 一、设计任务及要求-----------------------------------------------------------------------------1 二、原理框图-------------------------------------------------------------------------------------1 三、单元电路的设计-----------------------------------------------------------------------------2 1、晶体振荡电路及分频器-----------------------------------------------------------------2 2、计数器------------------------------------------------------------------------------------2 3、译码及显示------------------------------------------------------------------------------4 4、校时电路---------------------------------------------------------------------------------4 5、整点报时电路---------------------------------------------------------------------------5 四、总体电路-------------------------------------------------------------------------------------7 五、总结-------------------------------------------------------------------------------------------7 六、参考文献-------------------------------------------------------------------------------------8 七、元件清单-------------------------------------------------------------------------------------8摘要数字石英钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置,与传统的机械钟相比,它具 有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点,因而得到了广泛的应用。小到人们日 常生活中的电子手表,大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。本设计实 验以中规模数字集成电路为主,介绍一种数字电子钟的设计方法。本实验用石英晶体组 成的多谐振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。本实验采用了 74LS 系列 中小规模集成芯片。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。 通过本次设计实验与制作:进一步加强数字电路综合运用能力,掌握数字电路的设 计技巧, 增进实践能力; 熟悉数字电子钟的工作原理; 了解并掌握数字电子钟系统设计、 组装、调试及故障排除方法。 关键词:数字石英钟 计数器 一、设计任务与要求 1、基本要求 设计一个能显示时间从 00:00:00 到 23:59:59 的数字石英钟 该数字钟能完成对时、分、秒的校时功能 2、扩展功能 能进行整点报时 1)整点前四声低音,整点时一声高音 2)整点时用音乐芯片报时,且 白天报晚上不报 该数字钟还具有定时定闹的功能 该数字钟还具有报整点时数的功能,几点就响几次,便于盲人使用。 二、原理框图 时显示器 分显示器 秒显示器 定时定闹控制 显示器 校时电路 调试时译码器分译码器秒译码器蜂鸣器整点报时音乐整点报时 时计数器 分计数器 秒计数器校时电路报整点时数振荡器分频器1三、单元电路的设计 1、晶体振荡电路及分频器 由于要产生稳定的 1Hz 的脉冲信号, 所以选用石英晶体振荡器。 选用的石英晶体振 荡器的频率是 2MHz 的, 故需对其分频。 用三片 74LS390 分得 2Hz 的频率后再用 74LS73 双 J-K 触发器得到 1Hz 的频率。原理图如下。2、计数器 时计数采用二十四进制,用 74LS390 实现。分和秒计数采用六十进制,用 74LS92 和 74LS390 实现 ① 时计数器二十四进制原理图74LS390 引脚图输入R01 R02 S91 S92 CPA CPB2输出QD QC QB QA1 1 01 10 × 1× 0 1 1× × × × CP× × × × 0 CPQA0 0 1 10 0 0 00 0 0 00 0 1 101二进制计数 五进制计数 8421 码十进制计数 5421 码十进制计数R01 R02=0S91 S92=00 CPQDCP74LS390 功能表 CPA 接计数脉冲信号, 将 QA 与 CPB 相连, 这样就选择了 74HC390 的 8421 码十进制计 数。 ② 分、秒计数器6 7 14 1六十进制原理图R 0 ( 1 ) QA R 0 ( 2 ) QB QC C K A QD CKB 74LS92 74LS92 管脚图12 11 9 8用 74LS92 构成 6 进制方法有两种:方法之一:由 74LS92 的时序可知,QC QB QA 输出 000-101 六个状态,在译码显示时,译码器的 D 不与 QD 相连而直接接地。方3法之二:采用反馈清零法,由计数时序可见当第 6 个 CP 脉冲过后 QD QC QB QA 翻 转成 1000, QD 正好产生一个上跳,以此作为清零信号反馈到 74LS92 的清零端便 实现了六进制计数。 3、译码与显示 选择 74LS48 作为显示译码电路;选择LED数码管作为显示单元电路。由 74LS48 把 输进来的二进制信号翻译成十进制数字, 再由数码管显示出来。 这里的 LED 数码管是采 用共阴的方法连接的。共阴数码管引脚图译码显示部分原理图 4、校时电路4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。当开关 J2 打向下时,就 选择了对分的校对;J2 打向上,开关 J3 打向下就选择了对时的校对。 实际使用时,因为电路开关存在抖动问题,所以一般会接一个 RS 触发器构成开关消抖 动电路,所以整个较时电路就如图所示。5、整点报时电路 整点报时电路的功能的实现是仿照广播电台的报时声音,以下是仿广播的要求: 1) 每当数字钟计时快到整点时发出响声; 2) 通常按时 4 低音 1 高音的顺序发出间断的响声; 3) 以最后一声高音的结束时刻为整点时刻。 设 4 声低音(由 CD4060 的 Q6 脚输出的 512Hz 频率提供)分别发生在 51 秒,53 秒, 55 秒,57 秒;最后一声高音发生在 59 秒。 分析声响的控制可得,有报时响声时应该满足以下条件: ① 只有当秒的十位为‘5’且当秒的个位为奇数时才响; ② 当秒小于 59 时为低音,等于 59 秒时为高音。 分析计数器的 BCD 码(Q3 Q2 Q1 Q0)可知: 低音时的输出为:十秒的 Q2=1 且 Q0=1(‘5’);个秒的 Q3=0 且 Q0=1(奇数)。 高音时的输出为:十秒的 Q2=1 且 Q0=1(‘5’);个秒的 Q3=1 且 Q0=1(‘9’)。 经过逻辑真值表分析和卡诺图运算最终得出的逻辑电路图如下:5VCVCCU7AU9A4521R4621k1GND74ALS0474LS2U8C010sec0Q0sec1Q0sec1Q2CQ19014RP189R21K1KU9DU10C74LS0100LS1U8B389859674ALS0474LS0Speaker0474LS00U8A312474ALS04U9B74LS0图 94 输入与非门(74LS20)U7A 和非门(74LS04)U9A 构成的电路实现的是第 1 个条件的检验;而 2 输入与非门(74LS00)U8A、U8B、U8C 和非门(74LS04)U9B 构成的电路实现第 2 条件的检验。 其中分别供给扬声器 1024Hz 和 512Hz 频率产生高音和低音。 可见当 sec0Q3=1 (秒 的个位)时即(Q3 Q2 Q1 Q0=1 0 0 1)为‘9’时,频率为 1024Hz 的信号可以通过 U8C 直到 U10C,而 512Hz 的信号无法通过 U8A。相反,当 sec0Q3=0 时是 512Hz 信号 通过 U8A 到 U10C,而 1024Hz 信号无法通过。从而实现根据秒的状态来切换响声的高 低音。60512Hzsec0Q31024Hz四、总体电路V CC5VR6200ohmCo mR7200ohmCo mR8200ohmCo mR9200ohmCo mR10200ohmCo mR11200ohmCo mA B C DE F GA B C DE F GA B C DE F GA B C DE F GA B C DE F GA B C DE F GV CC5VV CC5VV CC5VV CC5VV CC5VV CC5V[***********][***********][***********][**************]5U7OG BI/RBOU8OG BI/RBOU9OG BI/RBOU10OG BI/RBOU11OG BI/RBO14U12OG BI/RBO 499999OAOBOCODOAOBOCODOAOBOCODOAOBOCODOAOBOCODOAOBOCODOEOEOEOEOE9OEOFOFOFOFOFRBIRBIRBIRBIRBI[***********][***********][***********][1**********]10U13B1 QA 1 QB 1 QC 2 QDU14A1 QD 2 QA 2 QB 2 QCU14B2 QD 1 QA 1 QB 1 QC 5 4U15A1 QD 2 QA 2 QB 2 QC9U15B2 QD35671 QA1 QB1 QC1 QD2 QA2 QB1 CL R2 CL R1 CL R1 CL R2 CL R1 INA1 INB2 INA2 INBU18A74LS 08D6 1 [**************]LS 390D1274LS 08D8174LS 08D42V CC5VR1 J11 2U19A31 12 13U20R 145-32.768 kH z时 计 数 9器8 10U21C10 8 9U22RT C CT C 11 RSX21校 时K ey = A9 1074LS 00D7 O3 5 MR12R25V4 5U19B611 2 3U21D1 2器 分 计 数 6 13 11O4 4 O5 6V CCR510MohmR4 U21A34 5U24A4 ~ 1 PR 5 1Q 1D 3 1 2O6 14 O7 13 O8 15 O9 1 O1 1 2 O1 2 3 O1 374LS 00DJ21 2C130pF 30pF校 分K ey = B[1**********]LS 51D6 ~1QR34 5m setU21B6~ 1 CL R74LS 74D4060B P开 关 在 下 , 校 准 状 态 开 关 在 上 , 正 常 工 作74LS 00DV CC5V五、总结 在设计过程中遇到的问题及排除措施:1、在做仿真的时候用 1Hz 的输入信号是不能让计数部分和译码显示部分正常工作, 必须的采用两百多赫兹或更高的信号才能正常工作。至于其原因,现在也没弄明白。2、计数部分在实验台上接好线后,输入电源进行工作时,发现秒计数正常,为六十进制,而分与时的计数却发生错误,不能计数。对造电路图检查接线,发现接线并未 错误。 就怀疑是实验台和导线有问题, 换了实验台测了每根导线后还是存在先前的 问题。快要气馁的时候突然想到是不是电路图有问题,于是检查电路图,终于发现 问题的所在。在秒向分传递信号和分向时传递信号的地方出了错,本该接在 Qc 端 却都错接在了 Qd 端。改正后在实验台上实现了预想的效果。3、晶振部分根据一个现有的原理图在实验台测试后能正常工作, 于是焊接到了电路板上,但最后在电路板上晶振却不能起振。也是经过很多分析和探索后,最后发现把 并联在石英晶振上的 1 兆欧电阻改为 22 兆欧电阻晶振就能正常起振了。 设计心得体会:72 CL R1 INA2 INA1 INA1 INB2 INB1 INB2 INA2 INBU13A2 QC9U18C10 9U18BC25RBI74LS 47DLT A B C D74LS 47DLT A B C D74LS 47DLT A B C D74LS 47DLT A B C D74LS 47DLT A B C D74LS 47DLT A B C DOF21 3通过这次设计并制作实践中,让我明白了先有充分的理论准备再有细致的实践操 作,才会在整个过程遇到更少的困难和更好的结果。我们组也是因为对这两点把握的比 较好,所以自我感觉比其他组做的更顺利,取得的结果较好。“磨刀不误砍柴工”,这 应该成为我们工科学生牢记的并遵行的一句话。 参考文献: 【1】 阎石.《数字电子技术基础》(第五版). 清华大学电子学教研组 【2】 康华光. 《电子技术基础》(第五版). 华中科技大学电子技术课程组 【3】 《芯片使用手册》. 电子工程技术论坛 元件清单 器件名称 74LS00 74LS48 74LS390 74LS92 74LS20 74LS73 数码管 晶体 蜂鸣器 光敏电阻 音乐芯片 9011 单刀双掷开关 电阻 1k 电阻 100k 数量 6 6 5 2 1 1 6 1 1 1 1 1 3 2 389