数字时钟的设计及原理毕业设计.doc
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1、数字时钟的设计及原理 摘 要本文针对简易数字钟进行了设计及原理的分析,提出了整体的设计方案,进行了由上而下层次化的设计.首先对各部分单元电路进行了详细的设计,对各部分的电路原理及所需要的元器件进行了分析,以及做出了各部分的电路图,其中包括振荡电路、计数电路、校时电路、译码与显示电路等.振荡电路由振荡器和分频器两部分构成,计数电路是用两个六十进制计数电路和一个“12翻1”计数电路实现的,校时电路用到的元器件有三块四-2输入与非门74LS00 、一块六反相器74 LS04等,译码与显示电路由译码器、显示器构成.最终达到了设计的目的,完成了数字时钟显示时、分、秒的功能,而且能够通过校时电路对时、分准
2、确校时.并在此基础上进行了扩展,完成了整点报时电路的设计,最终完成了设计任务.关键词:数字时钟;校时电路;译码;报时器ABSTRACTThe design and analysis of the principle of simple digital clock, the overall design scheme, a top-down hierarchical design.Detailed design of the first part of the unit circuit, on the part of the circuit and the required components
3、 were analyzed, and made various parts of the circuit, including the oscillation circuit, counting circuit, timing circuit translationcode and display circuit. The oscillator circuit from the oscillator and divider of two parts, the counting circuit is implemented with two six decimal counting circu
4、it and a 12 turn a counting circuit, the circuit components used in the school three 40 -2 input NAND gate 74LS00, a hex inverter 74 LS04, etc., decoding and display circuit by the decoder, the display constitutes. Ultimately achieve the purpose of the design to complete the digital clock display ho
5、urs, minutes, seconds, and through the school circuit, sub-accurate school. On this basis, an extension to complete the whole point timekeeping circuit design, the final completion of the design task.Key words: Digital clock; the timing electric circuit; Decoding; chronopher目 录1前言:12设计目的:23设计功能要求24电
6、路设计34.1设计方案34.2单元电路的设计44.2.1 主体电路部分44.2.1.1 振荡电路44.2.1.2 计数电路64.2.1.3 校时电路114.2.1.4 译码与显示电路134.2.2扩展功功能电路的设计154.2.2.1整点报时电路的设计155总结15附录16参 考 文 献17致 谢171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
7、)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
8、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
9、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
10、福建省福州、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
11、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、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.2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:整点报时电路以及触摸报整点时数电路.数字时钟的电路也是由主体电路和扩展电路两部分构成
12、,在电路中,基本功能部分由主体电路实现,而扩展功能是由扩展电路实现.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.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.3设计功能要求基本功能:(1)时间以12小时为一个周期,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)具有校时功能,可以分别对时及分进行单独校时,使其校正到标准时间;(4)为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号.扩展
13、功能:(1)计时过程具有报时功能,当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时.4电路设计4.1设计方案根据设计要求首先建立了一个数字钟电路系统的组成框图,如图1所示图1数字时钟逻辑方框图由图1可知,电路的工作原理:电路是由555集成芯片构成的振荡电路、分频器、计数器、显示器和校时电路组成.555集成芯片构成的振荡电路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,秒脉冲送入计数器,计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间秒计数器计满60后向分计数器个位进位,分计数器计满60后向时计数器个位进位,并且时计数器按照“12翻1”的规律计数.计数器的输出经译码器送显示器.而且计时出现误差时
14、,校时电可以分别对时及分进行单独校时,使其校正到标准时间.扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行扩展功能.4.2单元电路的设计数字电子时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时钟;也可以利用专用的电子时钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子时钟;还可以利用单片机来实现电子时钟等.在本次设计中,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.4.2.1 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、校时电路以及译码与显示电路四大部分组成.下面将对各部分电路进行设计.4.2.1.1 振荡电路振荡电路由振荡器和分频器构成,产生1Hz的时钟脉冲
15、及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)振荡器数字电路中的时钟是由振荡器产生的,振荡器是数字时钟的核心.振荡器的稳定度及频率的精度决定了数字时钟计时的准确程度,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、三角波或其他的形式.首先介绍一种典型的振荡器: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.图2 弛豫振荡器在上述电路中,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.当电容上的电压
16、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适合,但是并不推荐在任何有精度要求的实
17、际应用电路采用它.石英晶体振荡器.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.石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整.它还具有压电效应,在晶体某一方向加一电场,则在与此垂直的方向产生机械振动,有了机械振动,就会在相应的垂直面上产生电场,从而机械振动和电场互为因果,这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限止时,才达到最后稳定这时压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率.一般来说,振荡器的频率越高,计时精度越高,但耗电量将增大.如果精度要求不高也可以采用由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器.如图3所示.设振荡频率f=1MHz,R为可调电阻,微调R1可以调出
18、1MHz输出图3 555多谐振荡器为了简单方便本次设计选择了由555集成芯片构成的振荡电路.(2)分频器分频器的作用是将由振荡器产生的高频信号分频成基时钟脉冲信号和扩展部分所需的频率,即在此电路中,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.本实验用的是集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器,产生1KHz的脉冲信号.故采用3片中规模集成电路分频计数器74LS90来实现,得到需要的秒脉冲信号.例如,振荡器输出1kHz信号,通过D触发器(74LS74)送到10分频计数器(74LS90,该计数器可以用8421码制),经过3次10分频而获得1Hz的方波信号作为秒脉冲信
19、号.如图4所示. 图4 分频计数电路振荡器和分频器两部分构成振荡电路,根据图3及图4可知电路的工作原理是:振荡器提供的频率为1kHz,74LS90组成十分频电路.74LS90的引脚2与引脚6组成一个十分频电路,晶振的输出接入第一块74LS90的输入引脚14,经过一次十分频,频率变为100Hz.输出引脚11接入第二块74LS90的输入引脚14经第二次十分频,频率变为10Hz.输出引脚接人第三块74LS90的输入引脚14再经一次十分频,频率变为1Hz.这样经过三次分频最后即可得到1Hz的频率.4.2.1.2 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
20、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.在此设计中的数字时钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和一个“12翻1”计数电路实现的.秒脉冲信号经过6级计数器,分别得到“秒”个位、十位、“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时.“秒”“分”计数器为六十进制,小时计数器为“12翻1”.数字钟的计数电路的设计采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.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6
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