毕业设计(论文)-数字时钟设计 (2).doc
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1、信息工程系信息工程系 2008 届届毕业毕业生生 毕毕 业业 论论 文(文(设设 计计) ) 题题目目:_数数 字字时时 钟钟 设设 计计 院院 系:系:_湖北轻工职业技术学院湖北轻工职业技术学院_ 班班 级级: :_ 08 电信一班电信一班_ _ 姓姓 名:名:_ _ _ _ 指指导导老老师师: :_ _ 时时 间:间: 3 月 25 日 第2页 中文摘要: 加入世贸组织以后,中国会面临激烈的竞争。这种竞争将是一场科技实力、管理 水平和人才素质的较量,风险和机遇共存,同时电子产品的研发日新月异,不仅是 在通信技术方面数字化取代于模拟信号,就连我们的日常生活也进于让数字化取缔。 说明数字时代已
2、经到来,而且渗透于我们生活的方方面面。 就拿我们生活的实例来说明一下“数字”给我们带来的便捷。下面我们就以数字 钟为例简单介绍一下。数字钟我们听到这几个字,第一反应就是我们所说的数字, 不错数字钟就是以数字显示取代模拟表盘的钟表,在显示上它用数字反应出此时的 时间,相比模拟钟能给人一种一目了然的感觉,不仅如此它还能同时显示时、分、 秒。而且能对时、分、秒准确校时,这是普通钟所不及的。与此同时数字钟还能准 确定时,在你所规定的时间里准确无误的想你发出报时声音,提醒你在此时所需要 去做的事。与旧式钟表相比它更适用于现代人的生活。 在毕业之际恰好遇上学校的毕业课题电子时钟设计毕业论文。因而在所学专业
3、的 基础上做了以下毕业设计。希望给大家带来方便的同时,使自己对所学专业有进一 步的了解! 目录 前言: 4 第3页 1.设计目的 6 2.设计功能要求 6 3.电路设计6 3.1 设计方案6 3.2 单元电路的设计 .7 3.2.1 主体电路部分 .7 3.2.1.1 振荡电路 .8 3.2.1.2 计数电路 .12 3.2.1.3 校时电路 .17 3.2.1.4 译码与显示电路 19 3.2.2 扩展功功能电路的设计 .21 3.2.2.1 定时控制电路 .21 4.调试 .23 4.1 主体电路部分 .23 4.2 扩展电路部分 25 5.总结 .25 致 谢26 参考文献参考文献.27
4、 附录.29 前言: 中国是世界上最早发明计时仪器的国家。有史料记载,汉武帝太初年间(纪元 前104-101年)由落下闳创造了我国最早的表示天体运行的仪器浑天仪。东汉 第4页 时期(公元130年)张衡创造了水运浑天仪,为世界上最早的以水为动力的观测天 象的机械计时器,是世界机械天文钟的先驱。盛唐时代,公元725年张遂(又称一 行)和梁令瓒等人创制了水运浑天铜仪,它不但能演示天球和日、月的运动,而且 立了两个木人,按时击鼓,按时打钟。第一个机械钟的灵魂擒纵器用于计时器, 这是中国科学家对人类计时科学的伟大贡献。它比十四世纪欧洲出现的机械钟先行 了六个世纪。 第一只石英钟出现在二十世纪二十年代,从
5、三十年代开始得到了推广,从六十 年代开始,由于应用半导体技术,成功地解决了制造日用石英钟问题,石英电子技 术在计时领域得到了广泛的应用。并取代机械钟做了更精确的时间标准。早在1880 年,法国人皮埃尔居里和保罗雅克居里就发现了石英晶体有压电的特性,这 是制造钟表“心脏”的良好材料。科学家以石英晶体制成的振荡计时器和电子钟组 合制成了石英钟。经过测试,一只高精度的石英钟表,每年的误差仅为3-5秒。 1942年,著名的英国格林尼治天文台也开始采用了石英钟作为计时工具。在许多场 合,它还经常被列为频率的基本标准,用于日常测量与检测。大约在 1970 年前后, 石英钟表开始进入市场,风靡全球。随着科学
6、的进步,精密的电子元件不断涌现, 石英钟表也开始变得小巧精致,它既是实用品,也是装饰品。它为人们的生活提供 方便,更为人们的生活增添了新的色彩。 在现行情况下根据简单实用强的、走时 准确进行设计。而实验证明,钟表的振荡部分采用石英晶体作为时基信号源时,走 时更精确、调整更方便。钟是一种计时的器具,它的出现开拓了时间计量的新里程。 提起时钟大家都很熟悉,它是给我们指明时间的一种计时器,并且我们每天都要用 到它。二十世纪八十年代中国的钟表业经历了一场翻天覆地的大转折。其表现在三 个方面: (1)从生产机械表转为石英电子表; (2)曾占据中国消费市场四十多年的大型国有企业突然被刚刚冒起的“组业”所
7、取代,钟表生产中心转向中国南方沿海一带; (3)中国钟表业发展从以机芯为龙头改为以手表外观件为龙头。 这场转折以迅雷不及掩耳的速度,冲击着传统的中国钟表工业。中国的钟表业从技 术简单、零件少的石英钟机芯制造入手。最初石英钟机芯全靠从日本、德国进口, 1989 年开始完全自己生产,包括模具的制造加工。近十余年,逐渐提高机芯质量的 稳定性,同时转向对手表机芯研制与开发。目前石英钟表机芯生产主要在福建省福 第5页 州、广东东莞、番禺;机械钟表机芯在上海、山东等地。 现在我国的电子业发展非常快速,电子业的发展有利于钟表业的发展。在中国 钟表发展史上,国产机芯研制的失败已经成为过去, “组装业”作为新兴
8、钟表工业 的起步阶段也已成为过去。一支新的充满智慧的钟表精英在成长。 我们相信在科技高速发展的今天,钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他 领域的最新技术,一定会生产出代表中国科学水平的产品。我们希望钟表业的精英 们在提高制造技术水平中不断创新,培育出拥有自主知识产权的品牌。这正是中国 钟表业发展的希望。 数字钟被广泛用于个人家庭,车站, 码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活 中的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的 精度,运用超过老式钟表, 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、
9、时间程序自 动控制、定时广播、自动起闭路灯、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。 1.设计目的 设计一种多功能数字钟,该数字钟具有基本功能和扩展功能两部分。其中,基 本功能部分的有准确计时,以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。扩展功 能部分则具有:定时控制、 、自动报整点时数和触摸报正点的功能。数字钟的电路 也是由主体电路和扩展电路两部分构成,在电路中,基本功能部分由主体电路实现, 而扩展功能部电路实现。这两部分都有一个共同特点就是它们都要用到振荡电路提 供的 1Hz 脉冲信号
10、。在计时出现误差时电路还可以进行校时和校分,为了使电路简 单所设计的电路不具备校秒的功能。并且要用数码管显示时、分、秒,各位均为两 位显示,扩展部分要有相应的响应电路。分则由扩展 第6页 2.设计功能要求 基本功能 : (1)时的计时要求为“12 翻 1” ,分和秒的计时要求为 60 进制 (2)准确计时,以数字形式显示时,分,秒的时间 (3)校正时间 扩展功能 : (1)定时控制; (2)仿广播电台报时功能; (3)自动报整点时数; (4)触摸报整点时数; 3.电路设计 3.1 设计方案 根据设计要求首先建立了一个多功能 数字钟电路系统的组成框图,框图如图 1 所示。 时显示器分显示器秒显示
11、器 时译码器分译码器秒译码器 时计数器分计数器秒计数器 校时电路 振荡器分频器 整点报时 触摸报时 仿电台报 定时控制 主体电路扩展电路 图 1 由图 1 可知,电路的工作原理是:多功能数字钟电路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 第7页 能。 振荡器产生的高脉冲信号作为数字钟的振源,再经分频器输出标准秒脉冲。秒 计数器计满 60 后向分计数器个位进位,分计数器计满 60 后向小时计数器个位进位 并且小时计数器按照“12 翻 1”的规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计 时出现误差时电路进行校时、校分、校秒。扩展电路必须在主体电
12、路正常运行的情 况下才能进行扩展功能。 3.2 单元电路的设计 数字电子钟的设计方法很多种,例如,可用中小规模集成电路组成电子钟;也 可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟;还可 以利用单片机来实现电子钟等。 在本次设计,电路是由许多单元电路组成的,因此首先必须对各个单元电路 进行设计。 3.2.1 主体电路部分 主体电路部分的电路主要由振荡电路、计数电路、显示电路以及校时电路四大部 分组成。下面将对各部分电路进行设计。 3.2.1.1 振荡电路 振荡电路由振荡器和分频器产生 1Hz 时钟脉冲和扩展部分所需的频率,下面对 振荡器和分频器两部分进行介绍。 (1)振荡器
13、 数字电路中的时钟是由振荡器产生的,振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定 度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度,一般来说,振荡器的频率越高,计 时精度越高。它利用某种反馈方式产生时钟信号。对数字电路来说,振荡器的输出 的幅度范围为 0v5v 的方波信号而不是锯齿波、三角波或其他形式。典型的振荡 器是弛豫振荡器,它通过一个 RC 网络将反相器的输出反馈回来并存在一定的工作 延迟时间。基本的电路如图 2 所示。 第8页 12 A 7404 12 A 7404 R2 R1 C 图 2 在上述电路中,RI-C 网络由第一个反相器驱动,具有 RC 特性曲线的响应信号 被反馈给反相器的输入。当电容上的电
14、压达到施密特触发器输入反相器的门限电压 的时候,反相器的状态发生改变,并输出一个新的电压值。这个输出电压经过一定 的延迟时间再次通过 RIC 反馈回来,直到电容电压再次达到门限电压为止。 用施密特触发器输入器件(如 74HC04) ,但是由于电容的参考电压在每个临界 点都要发生变化,所以施密特触发器不是必需的。由于电容与输出相连,每次状态 改变时,电容的充电电压会超过 5V。从这一点来说,输出电压会改变电容的充电电 压,直到电容两端的电压变为 74HC04 的门限电压(2.5V)为止。振荡器输出状态 的改变发生在电容上的电压达到 2.5V 时。 弛豫振荡器对许多低成本而精度要求又不高的场所非常
15、适合,但是并不推荐在 任何有精度要求的实际应用电路采用它。 如果想要获得高的精度,就应该在振荡电路中使用石英晶体作振源。在数字钟 的设计与制作中应采用石英晶体振荡器,因为石英晶体具有压电效应,是一个压电 器件。当交流电压加在晶体两端,晶体先随电压变化产生对应的变化,然后机械振 动又使晶体表面产生交变电荷。当晶体几何尺寸和结构一定时,它本生有一个固定 的机械频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时,晶体片的机械振动最 大,晶体表面电荷量最多,外电路的交流电流最强,于是产生振荡,因此将石英晶 体按一定方位切割成片,两边傅以电极,焊上引线,再用金属或玻璃外壳封装即构 成石英晶体。石英晶体的固有
16、频率十分稳定。另外石英晶体的振动具有多谐性,除 了基频振动外,还有奇次谐次泛音振动,对于石英晶体,既可利用基频振动,也可 利用泛音振动。前者称为基频晶体,后者称为泛音晶体,晶片厚度与振动频率成反 比,工作频率越高,要求晶片厚度越薄。将石英晶体作为高 Q 值谐振回路元件接入 反馈电路中,就组成了晶体振荡器。在设计中所用的振荡器的电路图如图 3 所示。 该电路能产生 1MHz 的方波脉冲振荡信号。 第9页 12 A 7404 12 A 7404 12 A7404 1K 0.01uF 5-25pF1MHZ 图 3 (2)分频器 分频器的作用是将由石英晶体产生的高频信号分频成基时钟脉冲信号和扩展部 分
17、所需的频率。在此电路中,分频器的功能主要有两个:一是产生标准脉冲信号; 二是功能扩展电路所需的信号,如仿电台用的 1KHz 的高频信号和 500Hz 的低频信 号等.在此电路中作为分频器的元件是:CD4518。 CD4518 可以组成二分频电路和十分频电路。用 CD4518 组成二分频的电路如图 4;用 CD4518 组成十分频的电路如图 5;在本次设计中所用的分频器的电路图如图 6。电路经过十分频后将晶振来的 1MHz 的振荡脉冲变为 1Hz 的脉冲信号,该信号作 为计数器的计数脉冲使用。 输入 输 出 输入 输入 输 出 清零 图 4 图 5 4Q1Q Cr CP EN 4Q Cr CP
18、第10页 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 100KHZ 10KHZ 1KHZ 100HZ 10HZ 1HZ 1MHZ
19、 图 6 上表:CD4518 的功能表 振荡器和分频器两部分构成振荡电路,它的电路图如图 7 所示。 输入输出 CKCREN 上升沿LH加计数 L L上升沿加计数 下降沿LX XL上升沿 上升沿LL HL下降沿 保 持 XLX全为 L 第11页 根据图 7 可知电路的工作原理是:石英晶体振荡器提供的频率为 1MHz,CD4518 组成十分频电路。并且一个 CD4518 可以组成两个十分频电路即:CD4518 的引脚 2 与引脚 6 组成一个十分频电路而引脚 10 与引脚 14 组成另一个十分频电路。晶振的 输出接入第一块 CD4518 的输入引脚 2,经过一次十分频,频率变为 100KHz。输
20、出 引脚 6 接入同一块 CD4518 的引脚 10 经第二次分频,频率变为 10KHz。输出引脚接 人第二块 CD4518 的输入引脚 2 再经一次分频,频率变为 1KHz。这样经过六次分频 最后可以得到 1Hz 的频率。 12 A 7404 12 A 7404 12 A7404 1K 0.01uF 5-25pF1MHZ CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN
21、2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 CK 1 EN 2 CLR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 4518 100KHZ 10KHZ 1KHZ 100HZ 10HZ 1HZ 图 7 3.2.1.2 计数电路 计数器是一种计算输入脉冲的时序逻辑网络,被计数的输入信号就是时序网络 的时钟脉冲,它不仅可以计数而且还可以用来完成其他特定的逻辑功能,如测量、 定时控制、数字运算等等。 数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和“12 翻 1”计数电路实现的。 数字钟的计数
22、电路的设计可以用反馈清零法。当计数器正常计数时,反馈门不起作 用,只有当进位脉冲到来时,反馈信号将计数电路清零,实现相应模的循环计数。 第12页 以六十进制为例,当计数器从 00,01,02,59 计数时,反馈门不起作用, 只有当第 60 个秒脉冲到来时,反馈信号随即将计数电路清零,实现模为 60 的循环 计数。 下面将分别介绍 60 进制计数器和“12 翻 1”小时计数器。 (一)60 进制计数器 电路如图 8 所示 R0(1) 6 R0(2) 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 11 QC 9 QD 8 74LS92_2 R0(1) 2 R0(2) 3 R9(1) 6 R9(2
23、) 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 9 QC 8 QD 11 74LS90_5 GND GND+5V +5V 图 8 电路中,74LS92 作为十位计数器,在电路中采用六进制计数;74LS90 作为个 位计数器在电路中采用十进制计数。当 74LS90 的 14 脚接振荡电路的输出脉冲 1Hz 时 74LS90 开始工作,它计时到 10 时向十位计数器 74LS92 进位。下面对电路中所 用的主要元件及功能介绍。 十进制计数器 74LS90 74LS90 是二五十进制计数器,它有两个时钟输入端 CKA 和 CKB。其中, CKA 和组成一位二进制计数器;CKB 和组成五进制计数器
24、;若将与 CKB0Q321Q Q Q0Q 相连接,时钟脉冲从输入,则构成了 8421BCD 码十进制计数器。74LS90 有两个ACP 清零端 R0(1) 、R0(2) ,两个置 9 端 R9(1)和 R9(2) ,其 BCD 码十进制计数时序 如表 1,二五混合进制计数时序如表 2,74LS90 的管脚图如图 9。 第13页 R0(1) 2 R0(2) 3 R9(1) 6 R9(2) 7 CKA 14 QA 12 CKB 1 QB 9 QC 8 QD 11 74LS90 图 9 表 1 BCD 码十进制计数时序 表 2 二五混合进制计数时序 异步计数器 74LS92 所谓异步计数器是指计数器
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