毕业设计论文数字钟实验报告多功能计时电路的设计论文.docx
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毕业设计论文数字钟实验报告多功能计时电路的设计论文
电类综合实验报告
题目：
多功能计时电路的设计--数字钟
姓名：
马冯生
学号：
114116001203
学院：
材料学院
专业：
材料加工工程
指导：
电子技术中心
完成时间：
2015年3月24日
目录
一、引言
二、实验目的
三、实验设计要求
四、实验原理及框图
五、单元电路设计及其电路
六、实验中遇到的问题及解决方法
七、心得体会
八、元器件清单
一．引言
随着数字技术在仪表和通信系统中的广泛应用，数字钟已经应用到生活的方方面面，而数字钟的功能也随着人们要求的提高在不断的增加，同时在数字技术的快速发展下，功能也越来越强大。
数字钟能够比传统的时钟更加精确的进行计时，并且能够实现多种显示。
在调节方面，能够内嵌许多诸如报时、万年历、彩铃等计时以外的功能。
本设计在介绍数字钟工作原理的基础上，运用数字集成技术，来设计实现一个多功能数字钟。
二．实验目的
1、通过实验掌握十进制加法计数、译码、显示电路的工作过程。
2、通过实验深入掌握电路的分频原理和数字信号的测量方法。
3、熟悉集成电路构成的计数、译码、显示器件的外部功能及其使用方法。
三．实验设计要求
1、秒信号发生电路：
为计时器提供信号。
2、及时电路：
完成0分00秒-9分59秒的计时功能。
3、清零电路：
具有开机自动清零功能；在任何时候，按动清零开关，可进行计时器手动清零。
4、译码显示电路：
显示计时电路产生的数字信息。
5、系统级联调试：
将以上电路进行级联完成等计时器的所有功能。
四．实验原理及框图
图1三位计时器示意图
数字钟示意图如图1所示，计时电路完成计时功能，并将计时结果传送至显示电路，进而实现显示功能。
原理框图如图2所示，主要由计时电路、秒信号发生电路、清零电路和译码电路组成。
计时电路在秒信号的作用下，产生0:
00~9:
59的循环计时，清零电路控制计时电路的清零端，实现时钟的清零，最终将计时电路的输出送至译码显示电路，实现时钟的显示。
图2数字钟的原理框图
五．单元电路设计及其电路
1、秒信号发生电路
图3秒信号发生电路
秒信号发生电路为计时电路提供驱动信号，电路原理如图3所示。
为提供较为精确的秒信号，本设计中振荡电路采用215Hz的石英晶体管为主体的晶振电路，并作为电路的秒信号源。
由于震荡电路产生的源信号为215Hz，而秒的基准信号频率为1Hz，则需要对215Hz信号进行分频，得到1Hz信号，分频器采用CD4060和74LS74来实现，CD4060为14位二进制串行计数器，各脚管功能如表1所示，功能如表2所示。
虽然CD4060内部有14级由T触发器构成的二分频器，但实际输出端只有10个：
Q4~Q10、Q12~Q14、Q1~Q13以及Q13并不引出。
为晶振电路的引出端，需接外部石英晶体。
Cr为复零端，为高电平或正脉冲时振荡器停振。
从输出功能看，CD4060能得到10中不同的分频系数，最小为24=16分频，最大为214=16384分频，即将215Hz送入该芯片，最大分频输出端Q14输出信号频率为2Hz。
表1CD4060管脚功能
由于CD4060最多完成14级二分频，所以还需要再加一级分频，才能把4060输出的2Hz信号变成秒信号。
外接二分频器可采用D触发器（74LS74）构成的二分频电路，74LS74管脚功能如表3所示，该芯片上有上片和下片两个D触发器，2Hz信号经过二分频电路得到1Hz的秒脉冲信号，即将D触发器的同相位输出Q端与触发信号连接在一起，复位端和控制端接电源，使该两端口无效，则Q端的输出信号即为1Hz的秒脉冲信号。
时钟输入端
CP0
时钟输出端
反相时钟输出端
Q4~Q10，Q12~Q14
计数器输出端
表2CD4060功能表
输入
功能
CR
X
1
清零
↓
0
计数
↑
0
保持
表374LS74管脚功能
管脚号
引脚代码
引脚功能
管脚号
引脚代码
引脚功能
1
1
复位信号
8
2
反相位输出
2
1D
触发信号
9
2Q
同相位输出
3
1CP
时钟信号
10
2
控制
4
1
控制
11
2CP
时钟信号
5
1Q
同相位输出
12
2D
触发信号
6
1
反相位输出
13
2
复位信号
7
GND
地
14
VCC
电源
2、计时电路
该电路是本实验中的关键部分，有分计数器、秒十位计数器、秒个位计数器构成，电路均使用CD4518BCD码计数器来实现。
CD4518管教如图45所示，该计数器为双十进制同步加法计数器，片子内部封装两个相同且独立的十进制计数器，每个计数器中都含有四位二进制的技术单元，每个计数器含有两个时钟输入端“CP”和“EN”，简称双时钟，可以根据使用要求来选择不同的始终输入，两者所不同在于“CP”端对始终的上升沿有效，“EN”读研对时钟的下降沿有效。
该计数器功能表如表4所示。
表4CD4518功能表
功能
输入
输出
Cr
CP
EN
QD
QC
QB
QA
清零
X
X
X
0
0
0
0
计数
0
↑
1
BCD码加法计数
保持
0
X
0
保持
计数
0
0
↓
BCD码加法计数
保持
0
1
X
保持
计时整体电路如图5所示，分位计数器和秒个位计数器均是从0~9循环计数（模10计数），可采用CD4518直接实现十进制计数功能；秒十位计数器为六进制计数器，需要将CD4518的模10计数变换为一个从0~5的模六计数：
当4518计数到6时，将Qc，Qb引到与门74LS21的输入端，此时74LS21输出一个高电压送回至4518的Cr端，实现复位（4518回0），由于4518的Cr端为异步复位，因此4518余姚计数到6时才引出复位信号，并且6状态非常短暂，显示器并不显示，所以实际效果还是0~5显示。
74LS21为四输入与门，片子内部封装两个相同且独立的四输入与门，该电路中只用到1个与门的2个输入，因此需要将该与门的其他两个输入端接5V电源+极，不可悬空不接。
搭建电路时，首先将所有芯片电源端（Vcc和GND端）分别连接至5V电源+、-极；对于秒个位计数器，将秒信号发生电路输出的秒信号（1Hz信号）送入秒个位计数器的2CP端，同时2EN端接5V电源+极，2Cr端接5V电源-极（注意：
当清零电路搭建完成后，需将清零电路的输出替换2Cr端的5V电源-极），秒个位计数器即可完成0~9循环计数过程中唯一的下降沿，将此下降沿送至秒十位计数器的2EN端，即可实现秒十位计数器加1，实现进位），同时2CP端接5V电源+极，秒十位计数器即可在进位信号的驱动下完成0~5循环计数。
对于分位计数器，将秒十位计数器的输出2Qc端送入分位计数器的2EN端，完成秒十位到分位的进位（当秒十位计数器从5跳至0时，2Qc端得到0~5循环计数过程中唯一的下降沿，将此下降沿送至分位计数器的2EN端，即可实现分位计数器加1实现进位），同时2CP端接5V电源+极，2Cr端接5V电源-极（注意：
当清零电路搭建完成后，需将清零电路的输出替换2Cr端的5V电源-极），分位计数器即可完成0~9循环计数。
所用器件：
CD4518（计数器）3片、74LS21（与门）1片。
图5计时电路
3、清零电路
该电路具有开机清零和手动清零功能。
电路原理如图6所示，将图5计时电路的秒个位和分位的清零端即CD4518的管脚15（高电压有效）原来的接5V电源-极导线拔开，将非门输出送至2Cr端，而秒十位CD4518的清零端原来接74LS21的输出，需要将此输出和图6中非门送入一个或门，再将或门输出送至秒十位CD4518的清零端，才能同时实现秒十位计数器的清零功能和模6计数功能。
电路管脚连接如图7所示，对于清零电路，电路正常工作是开关打开，刚开机时，由于电容上的电压不能突变，电容两端初始为低电压，经过一个非门输出高电压，送到CD4518的2Cr端，整个计时电路清零，进而实现电路开机时清零，当电容充满电以后，非门的输入端为高电压，非门输出低电压，2Cr端无效，CD4518实现正常计数，电路正常工作。
按下开关后，电容、电阻组成一个回路，电容放电，当电容储存电量放完后，电容两端为低电压，即非门的输入端为低电压，非门输出高电压，送到CD4518的2Cr端，整个计时电路清零，进而实现电路手动清零。
所用器件：
CD4069（非门）1片、74LS32（或门）1片，1kΩ电阻2个、10μF电容1个、开关1个。
图7清零电路管脚连接图
4、译码显示电路
译码显示电路采用三片CD4511显示译码器和三个七段共阴数码管，分位、秒十位和秒个位个采用一片CD4511和一个数码管。
CD4511的作用是将计数器QA~QD输出的二进制代码译成特定的输出信号以供显示器按代码的原意显示成数字，译码器采用CD4511七段字型译码器。
由a~g各个输出段信号，以控制点亮LED数码管的字型段，CD4511的输入端ABCD依次接计数器的QA~QD，及8421（BCD）码输出，CD4511有三个使能管脚。
电路从0:
00~0:
59循环计时，译码电路分别进行译码，采用共阴极七段LED数码管进行循环显示。
CD4511的输入接到相应计数器的输出，而它的输出端与数码管的相应端相连，数码管通过300
的电阻接地。
所用器件：
CD4511（译码器）3片、300Ω电阻3个、LED数码显示管3个。
图9译码显示电路
5、校分电路
图10校分电路原理图
如图10所示，校分电路能在开关闭合的情况下，实现分个位以0.5秒每个数的速度进行计数。
同时，秒个位和十位并不走动。
从而实现对于分个位显示器的校准。
其原理为：
正常计数时时开关打在“1”电平，下面的与非门被选通，上面的与非门被封锁，秒进位产生的脉冲送至分计数器的时钟端；当开关打在“0”电平时，上面的与非门被选通，下面的与非门被封锁，校分信号送至分计数器的时钟端。
校分信号可由4060分频信号得到，一般选为2Hz。
6、总体电路连接图
将以上四个模块按照信号顺序连接，即可得到总体电路如图11所示。
图11总体电路
六、实验中遇到的问题及解决办法
（1）一开始我的电路根本就不亮，经过检查发现由于原件位置摆放时的粗心导致的，经过重新放置，电路能够点亮。
（2）其次，电路亮了之后发现秒个位的显示器右下角的红点点亮了，经过原理的论证，很快发现是由于左边的引脚走线时不小心摆放到了该引脚的线路上，导致这个引脚也接受到了信号，从而点亮，重新排布后，显示器回复正常。
（3）之后，电路并不能正常的实现计数功能，只是每次导通后变换数字，经过线路的检查发现并无问题，通过助教的指导，学会使用二极管检查脉冲信号的通断，发现并无问题，然后使用万能表对线路实现了逐步排查，最后发现原来有个原件是换的，换过之后正常工作。
（4）之后在校分电路的制作中还算顺利，只是在接通校分电路开关后，分个位在跳动的同时，秒十位也在跳动，结果发现是秒十位到分个位的那根信号线没拔，改正后，功能顺利实现。
到此，实验顺利完成。
七、心得体会
本次设计对于动手能力的要求很强，但是同时对于原理的了解也是必要的。
第一天老师布置完实验任务后，我就回去看数电书上相关的知识，也在网上查阅了这个电路的相应资料，大致了解了整个数字时钟原理和各个功能模块作用以及要用到的各个芯片的引脚和功能。
果然由于对于原理的理解，在排线过程中起到了一定的作用。
这次试验中也让我知道了许多做电路实验的注意点和方法，对我今后做更复杂的实验奠定了基础。
首先元件的布局要合理，并且元件之间的连线要做到尽量少交叉，连线要清晰；不同功能的元件或者端口之间可以用不同的颜色的线加以区分，特别是地线和电源线最好用黑线和红线连接，并且其它连线不要用这两种颜色，这样会给检查电路错误带来很大的方便。
整个实验的电路比较复杂，但都是建立在简单的单一功能基础上的，因此每一部分的电路是下一步的基础，一定要做到每一部分线路正确，然后再开始下一部分电路的连接。
最后，我体会很深的一点是一定要学会使用万用表，这对于检查错误很有效。
就在我最后电路运行时，我遇到了很大的问题，用了几乎一下午检查连线，最后才发现了问题所在。
之后完成后还帮助同学的电路进行了检查，在助人为乐的同时，也增加了自己解决问题的能力。
总的来说，这次实验锻炼了我的动手能力、培养了我发现问题后解决问题的能力，同时也让我学会了把理论用于实践，这对于我今后的发展有很重要的意义。
八、元器件清单
元器件清单
元件名称
数量
元件名称
数量
215HZ晶振
1个
CD4069
1片
300
电阻
3个
CD4518
3片
1K
电阻
2个
CD4511
3片
22M
电阻
1个
74LS74
1片
10pF电容
1个
74LS21
1片
20pF电容
1个
74LS32
1片
10uF电容
1个
数码管
3个
CD4060
1片
升级会员 