数字电子钟课程设计.docx

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数字电子钟课程设计

题目数字电子时钟

单位：

机电工程学院电气工程及其自动化专业07级曹瑞平

摘要

数字电子时钟是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。

通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟，以保证其频率的稳定。

以10进制计数器74HC390来实现时间计数单元的计数功能。

采用CD4511作为显示译码电路。

选择LED数码管作为显示单元电路。

由CD4511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。

用COMS与或非门实现的时或分校时电路。

该电路还有在整点前10秒钟内开始整点报时的功能。

报时电路可选74HC30来构成。

时间以12小时为一个周期。

关键词

数字钟、石英晶体振荡器、直流稳压电源

DigitalElectronicClock

Unit:

ElectricalEngineeringElectricalEngineeringandAutomation07CaoRuiping

Abstract

DigitalElectronicClockisastandardfrequency（1HZ）countcountcircuit.Commonlyusedquartzcrystaloscillatorcircuitsdigitalclocktoensureitsfrequencystability.To10decimalcounter74HC390toachievethetimecountingunitcountingfunction.UsedasthedisplaydecoderCD4511.SelectLEDdigitaltubedisplayunitasacircuit.BytheCD4511totaketheincomingbinarysignaltranslatedintodecimalnumbers,andthenfromthedigitaltubedisplay.WiththeCMOSandthenon-implementationorwhenthedoorwhenthecircuitbranch.Alsointhewholepointofthecircuitbeforethestartwithin10secondsthewholepointtimekeepingfunction.Timekeepingcircuittoformanoptional74HC30.Timeasacycleof12hours.

Keywords

Digitalclock,quartzcrystaloscillator,DCpowersupply

引言

数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，通过计时精度很高的石英晶振，采用相应进制的计数器，转化为二进制数，经过译码和显示电路准确地将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来。

与传统的机械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。

它广泛用于电子表、车站、码头、广场等公共场所的大型远距离时间显示电子钟。

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。

此次设计与制做数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。

1设计要求

1．1指标要求：

设计一个数字电子时钟，要求满足以下性能指标：

1．准确计时，一数字形式显示时、分、秒的时间；

2．小时的计时要求为“12翻1”，分和秒的计时要求为60进位；

3．矫正功能。

1．2设计要求

1.能够准确画出电路原理图，并能分析其个部件的功能。

2.广泛查阅相关资料，掌握各元器件性能及参数选择。

3.编写设计报告，写出设计与制作的全过程，并总结个人心得体会。

2方案设计与论证

数字钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。

它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和一些显示星期、报时、停电查看时间等附加功能。

因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”，计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。

干电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒、”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。

秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。

将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。

“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。

整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。

校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”、显示数字进行校对调整的。

3原理框图,原理的简述及元器件清单

3．1数字钟的构成

数字钟实际上是由一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路为主要部分构成的。

由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。

用晶体振荡器电路来构成数字钟的标准时间基准信号,再经分频器输出标准秒脉冲。

数字钟工作时需要一个直流稳压电源来供电，直流稳压电源也是电子钟的重要组成部分。

框图如下:

3.2晶体振荡器电路

振荡器是数字钟的核心，振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体振荡电路。

一般来说振荡器的频率越高计时精度越高。

晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，它可以保证数字钟的走时准确及稳定。

不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。

一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用TTL门电路构成；另一类是通过CMOS非门构成的电路，本次设计采用了后一种。

如图（b）所示，由CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。

输出反馈电阻Ｒ１为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。

电容C1、C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。

由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。

由晶体与2个30pF电容、1个4017、一个10兆的电阻组成，芯片输出2Hz的方波信号，电路如下图。

本电路采用外接32768Hz的晶振来组成晶体振荡器，振荡信号经CD4017内部14次二分频后，输出准确的2Hz频率信号（32768Hz÷16348＝2Hz）。

CMOS晶体振荡器的图形如下

3.3时间计数电路

一般采用10进制计数器如74HC290、74HC390等来实现时间计数单元的计数功能。

本次设计中我们选择的是74HC390。

其内部逻辑框图如右上图。

由其内部逻辑框图可知，其为双2-5-10异步计数器，并每一计数器均有一个异步清零端（高电平有效）。

秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将QA与CPB（下降沿有效）相连即可。

CPA（下降没效）与１ＨZ秒输入信号相连，Q3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连。

秒十位计数单元为6进制计数器，我们需要对它进行进制转换。

将10进制计数器转换为6进制计数器的电路连接方法如图　所示，其中Q2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CPA相连。

分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的Q3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CPA相连，分十位计数单元的Q2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣＰＡ相连。

时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为12进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行12进制转换。

利用1片74HC390实现12进制计数功能的电路如图（d）所示。

                    （d）十二进制电路

另外，图（d）所示电路中，尚余－2进制计数单元，正好可作为分频器2ＨZ输出信号转化为1ＨZ信号之用。

3.4译码驱动及显示单元电路

选择CD4511作为显示译码电路（数字钟论文）；选择LED数码管作为显示单元电路。

由CD4511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。

计数器实现了对时间的累计并以8421BCD码的形式输送到CD4511芯片，再由CD4511芯片把BCD码转变为十进制数码送到数码管中显示出来。

3.5校时电路

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。

即用COMS与或非门实现的时或分校时电路，In1端与低位的进位信号相连；In2端与校正信号相连，校正信号可直接取自分频器产生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信号；输出端则与分或时个位计时输入端相连。

当开关打向下时，因为校正信号和0相与的输出为0，而开关的另一端接高电平，正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处于正常计时状态；当开关打向上时，情况正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态。

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（e）。

                （e）带有消抖电路的校正电路

3.6整点报时电路

电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。

当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5、9和5，因此可将分计数器十位的QＣ和QＡ、个位的QＤ和QＡ及秒计数器十位的QＣ和QＡ相与，从而产生报时控制信号。

报时电路可选74HC30来构成。

74HC30为8输入与非门。

3.7直流稳压电源电路

本电路要求用220V的交流电供电。

而我们的数字钟电路需要的是3~18V的直流稳定电压，一般在5V左右。

这就要求我们设计一个直流稳压电源，使输入为220V的交流电，输出为5V左右的直流稳定电压。

其电路图见下图

直流稳压电源

220V的交流电网电压u1经过变压器变成整流电路要求的交流电压u2,其中整流电路是由四个二极管组成的桥式电路。

u2经过整流电路输出的恒定直流分量U=0.9U2,然后通过一个电容进行滤波。

虚线框内是三端固定式集成稳压器7806输出固定电压的典型电路图，电路中接入电容C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的高频干扰。

D为保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器C4一个放电通路，防止C4两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。

经过稳压后，可在1、2端我们可得到5.3V的稳定电压，1端送到译码电路作为电源。

2端送到其他电路作为电源。

其中电容C5作为停电时用的备用电源，经计算（室温T=25℃时，记时部分工作总平均电流为IDD（Typ）=0.24μA（CD4060为0.04μA，CD4013B为0.02μA，CD4518为4*0.04μA，CC4081为0.01μA，CC4073为0.01μA），且各芯片最低工作电压为3V，所以充电电容在没电的时候充当电源，供记时部分工作，它的电压变化范围△U=5.3-3V=2.3V，则其储存电荷量Q=C*△U=2.3C，则停电可提供记时电路正常工作时间T=Q/IDD（Typ）=2.3C/（0.24*10-6μA）=9583333.333s≈2662.037h；记时部分工作最大总电流为VDD（MAX）=26.5μA（CD4060为5μA，CD4013B为1μA，CD4518为4*5μA，CD4081为0.25μA，CC4073为0.25μA），则TMIN=Q/IDD（Typ）=2.3C/（26.5*10-6μA）=86792.453s≈24.109h。

）它最少可维持24小时。

停电时译码器断电，停止工作，数码管就停止显示，这样可减少电容C5的开支，使它能够维持24小时的供电。

如果在停电时想看时间，可以使开关S通路，连通2端，使2端为译码电路供电。

四、元器件清单

4.1元件清单

1．共阴八段数码管6个

2．CD4518集成块2块

3．CD4017集成块2块

4．74HC390集成块3块

5．74HC51集成块1块

6．74HC00集成块4块

7．74HC30集成块1块

8．10MΩ电阻5个

9．直流稳压电源7806

10.30p电容2个

11．32.768k时钟晶体1个

12．蜂鸣器1个

4.2主要元件的简介

a.CD4060

CD4060是14位二进制串行计数／分频器和振荡器。

CD4060内部分为两部分，其中一部分是14级计数／分频器，其分频系数为16～16348；另一部分既可与外接电阻和电容构成RC振荡器，又可与外接晶体构成高精度的晶体振荡器。

b.共阴八段数码管

LED显示器由8个发光二极管组成。

基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。

LED显示器有两种不同的形式：

一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。

共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。

当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。

8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7D6D5D4D3D2D1D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。

例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为0111011时，显示器显示"P"字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。

如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。

五、各功能块电路图

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，可以由许多中小规模集成电路组成，所以可以分成许多独立的电路。

5.1六进制电路

5.2十进制电路

由74HC390、7400、数码管与4511组成，电路如下图。

5.3六十进制电路

由两个数码管、两4511、一个74HC390与一个7400芯片组成，电路如下图。

5.4校正电路

由74CH51D、74HC00D与电阻组成，校正电路有分校正和时校正两部分，电路如下图。

 5.5整点报时电路

由74HC30D和蜂鸣器组成，当时间在59:

50到59:

59时，蜂鸣报时，电路如下图。

六、总接线元件布局

整个数字钟由时间计数电路、晶体振荡电路、校正电路、整点报时电路组成。

其中以校正电路代替时间计数电路中的时、分、秒之间的进位，当校时电路处于正常输入信号时，时间计数电路正常计时，但当分校正时，其不会产生向时进位，而分与时的校位是分开的，而校正电路也是一个独立的电路。

电路的信号输入由晶振电路产生，并输入各电路。

七、个人心得体会

大二时我们学习了数字电子电路和模拟电子电路，对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。

通过这次数字电子钟的课程设计，我们才把学到的东西与实践相结合。

从中对我们学的知识有了更进一步的理解。

通过这次对数字钟的设计，让我受益非浅。

首先深入的了解了设计电路的程序。

当我们接手一个课题或项目的时候，不是马上就动手搞。

而是应该先进行可行性论证。

首先提出几套方案，然后对各个方案进行对比。

即要在性能上面比较，又要在是否经济合算上面对比。

假如我们设计了一个性能很好的产品。

但是其中的某个元器件却很难买到，或者价格很高。

那么，我们就应该要考虑是否采用这个设计的方案。

最后找出最适合的设计方案。

同时加深了对芯片的了解及其应用。

将书本上面学到的知识和实际应用相结合，我们发现比如说一个加法计数器的基本功能是实现两个二进制数的加法运算，但同时，我们也可以将它作为一个分频器来使用。

对于芯片的使用，我们应该在了解它的各项功能的前提条件下，灵活巧妙地运用。

具体的芯片资料和图片我们通过查阅相关的书籍，在网上能够很方便的查找。

通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，但是由于时间方面的原因，我们没有完全按照最初的要求严格来做，因而还有很多问题我们没有发现，也还有很多知识我们没有接触到。

这对我们来说也是一个遗憾把。

所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。

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高等教育出版社，2000（数字钟论文）

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