【毕业论文】创意新型数字钟电路设计.doc

湖南安全技术职业学院毕业设计论文题目简易数字钟电路设计学生姓名专业班级指导教师系主任评阅人完成日期年月日摘要本系统由石英晶体振荡器分频器计数器译码器显示器和校时电路组成采用了系列双列直插式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进行了各单元设计总体调试关键字石英晶振器分频器计数器译码器显示器目录摘要前言第一章数字钟的组成和基本工作原理振荡器分频器电路计数器译码显示电路校时电路报时电路第二章设计步骤与方法振荡电路分频器电路计数器计数器六十进制的接法二十四进制计数器的接法译码显示电路校时电路整点报时电路控制门电路部分音响电路部分第三章组装与调试接通电源逐步调试按顺序对电路连线和调试第四章结论前言世纪末电子技术获得了飞速的发展在其推动下现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高同时也使现代电子产品性能进一步提高产品更新换代的节奏也越来越快数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品广泛用于个人家庭以及车站码头剧场办公室等公共场所给人们的生活学习工作娱乐带来极大的方便由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术使数字钟具有走时准确性能稳定集成电路有体积小功耗小功能多携带方便等优点因此在许多电子设备中被广泛使用电子钟是人们日常生活中常用的计时工具而数字式电子钟又有其体积小重量轻走时准确结构简单耗电量少等优点而在生活中被广泛应用因此本次设计就用数字集成电路和一些简单的逻辑门电路来设计一个数字式电子钟使其完成时间及星期的显示功能本次设计以数字电子为主分别对时钟信号源秒计时显示分计时显示小时计时显示整点报时及校时电路进行设计然后将它们组合来完成时分秒的显示并且有整点报时和走时校准的功能并通过本次设计加深对数字电子技术的理解以及更熟练使用计数器触发器和各种逻辑门电路的能力电路主要使用集成计数器例如译码集成电路例如数码管及各种门电路和基本的触发器等电路使用号电池共电很适合在日常生活中使用本次毕业设计得到娄底职业技术学院电子信息工程系钟新跃老师的大力支持他提出了许多的意见和建议在此表示衷心的感谢由于本人能力有限在设计中难免会出现错误与不足希望各位老师及读者给予批评并提出宝贵意见第一章数字钟的组成和基本工作原理数字钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路它的计时周期是小时由于计数器的起始时间不可能与标准时间如北京时间一致所以采用校准功能和报时功能数字钟电路主要由译码显示器校准电路报时电路时计数分计数秒计数器振荡电路和单次脉冲产生电路组成其中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准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进制计数器每累计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进制计数器每累计分钟发出一个时脉冲信号该信号将被送到时计数器时计数器采用进制计时器可实现对一天小时的计时译码显示电路将时分秒计数器的输出状态通过显示驱动电路七段显示译码器译码在经过六位七段显示器显示出来整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号然后去触发一音频发生器实现低高音报时校准电路时用来对时分秒显示数字进行校对调整的如图图数字钟组成框图振荡器振荡器是数字钟的核心其的作用是产生一个频率标准时间频率信号然后再由分频器分秒脉冲因此振荡器频率的精度与稳定度基本决定了数字电子钟的质量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构成振荡器电路一般来说振荡器的频率越高计时精度越高采用石英晶体振荡器经过分频得到这一个频率稳定准确的的方波信号保证数字钟的走时准确及稳定分频器电路分频器电路将的高频方波信号经次分频后得到的方波信号供秒计数器进行计数分频器实际上也就是计数器本次设计是运用了分频器进行分频分频电路可提供和的频率在经分频器进行一分频为此电路输送一秒脉冲计数器时间计数电路由秒个位和秒十位计数器分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成其中秒个位和秒十位计数器分个位和分十位计数器为进制计数器通常用个十进位计数器的集成片组成其中秒个位是十进制秒十位为六进制可采用反馈归零变秒十位为六进制实现秒的六十进制分计数器原理也一样而根据设计要求译码显示电路是将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来被人们的视觉器官所接受显示器件选用七段数码管在译码显示电路输出信号的驱动下显示出清晰直观的数字符号并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流校时电路实际的数字钟电路由于秒信号的精确性和稳定性不可能做到完全绝对准确无误加之电路中其它原因数字钟总会产生走时误差的现象因此电路中就应该有校准时间功能的电路报时电路当数字钟显示整点时应能报时要求当数字钟的分和秒计数器计到分秒时驱动音响电路要求每隔一秒音响电路呜叫一次每次叫声的时间持续秒秒钟内自动发出五声呜叫且前四声低最后一声高正好报整点第二章设计步骤与方法振荡电路晶体振荡器是构成数字式时钟的核心它保证了时钟的走时准确及稳定如图所示电路通过非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路这个电路中非门与晶体电容和电阻构成晶体振荡器电路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晶体的频率选为其中的值取为作为校正电容可以对温度进行补偿以提高频率准确度和稳定度由于电路的输入阻抗极高因此反馈电阻可选为较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性图振荡电路图分频器电路由数字钟的晶体振荡器输出频率较高为了得到的秒信号输入需要对振荡器的输出信号进行分频实现分频器的电路是计数器电路一般采用多级进制计数器来实现例如将的振荡信号分频为的分频倍数为即实现该分频功能的计数器相当于极进制计数器本实验中采用来构成分频电路在数字集成电路中可实现的分频次数最高而且还包含振荡电路所需的非门使用更为方便计数为最高为级进制计数器首先由的第脚产生的振荡信号然后由二进制计数器和两个组成计数器分频从的输出端输出一个的分脉冲作为分钟计数器的分钟信号按键开关作为分钟调时有手动脉冲开关每按动一次从的输出端输出一个脉冲同时的管脚输出秒脉冲信号驱动发光二极管作为秒指示因为的信号经位二进制计数器分频后为如图所示图分频电路计数器秒脉冲信号经过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秒为分分为小时小时为天的计数周期分别组成两个六十进制秒分一个二十四进制时的计数器将这些计数器适当地连接就可以构成秒分时的计数实现计时的功能进制计数器它们都可以用两个二十进制计数器来实现六十进制计数器和二十四进制计数器均可由双加法计数器组成因为一片内含有两个十进制计数器因此用一片就可以构成六十进制或二十四进制计数器了选取和与非门采用反馈复位法构成的六十进制和二十四进制加法计数器电路分别见图和图所示图计数器六十进制计数器六十进制的接法图个位为十进制故计数到以后自动清零向高位进位信号采用将送入与非门与非门的输出可以做进位信号因为当不同时为为当同时为时为同时计数器到后自动清零这时又变为即出现了一个上升沿十位接成六进制利用的信号清零同时结合高位进位二十四进制计数器的接法个位为进制计数器当计数器计数到时即十位为个位为时同时清零达到了二十四进制计数器的目的即高位的底位的送入与非门做清零信号如图二十四进制计数器二十四进制计数器在这两个电路中计数器的控制脉冲由端输入接高电平计数器的控制脉冲由端输入状态如图看出当计数器的状态由向转换时正好是一个下降沿高位的计数器开始计数在图中将和相与后接至端构成了六十进制计数器在图中将和相与后接至端构成了二十四进制计数器为了保证电路能可靠地工作在秒分时计数器反馈复位支路中加了一个触发器如图所示图计数器状态图秒进位电路各功能模块中用到的门电路可以采用四输入与非门来实现其外部引线排列见图所示将与非门组成的触发器的输出接至计数器的复位端展宽了复位和进位信号的脉冲宽度使其在本位可靠地复位的同时向高位提供了进位触发图引线排列译码显示电路数码管是数码显示器的俗称常用的数码显示器有半导体数码管荧光数码管辉光数码管和液晶显示器等译码和数码显示电路是将数字钟和计时状态直观清晰地反映出来被人们的视觉器官所接受显示器件选用七段数码管在译码显示电路输出的驱动下显示出清晰直观的数字符号本设计所选用的是半导体数码管是用发光二极管简称组成的字形来显示数字七个条形发光二极管排列成七段组合字形便构成了半导体数码管半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起而七个阴极则是独立的共阴极数码管与共阳极数码管相反七个发光二极管的阴极接在一起而阳极是独立的当共阳极数码管的某一阴极接低电平时相应的二极管发光可根据字形使某几段二极管发光所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动当数字钟的计数器在脉冲韵作用下按秒为分分为小时小时为天的计数规律计数时就应将其状态显示成清晰的数字符号这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来我们选用的计数器全部是二十进制集成片秒分时的个位和十位的状态分别由集成片中的四个触发器的输出状态来反映的每组四个输出的计数状态都按代码以高低电平来表现因此译码显示电路选用段锁存译码驱动器七段显示数码管的外部引线排列见图现以进制秒计时电路为例将计数器译码显示器和显示数码管连在一起其电路示意图见图图译码器外引线排列图二极管示意图图译码显示器和显示数码管校时电路实际的数字钟表电路由于秒信号的精确性不可能做到完全绝对准确无误加之电路中其它原因数字钟总会产生走时误差的现象因此电路中就应该有校准时间功能的电路校准的方法很多常用的有快速校时法现在以分计时器的校时电路为例简要说明它的校时原理见图与非门构成的双稳态触发器可以将的秒信号和秒计数器的进位信号送至分计数器的端两个信号中究竟选哪个送入由开关控制它的工作过程是这样的当开关置端时与非门输出低电平门输出高电平秒计数器进位信号通过门和门送至分计数器的端使分计数器正常工作需要校正分计时器时将开关置端与非门输出高电平门输出低电平门封锁秒计数器进位信号而门将的信号通过门和门送至分计时器的控制端使分计数器在秒信号的控制下快速计数直至正确的时间再将开关置于端以达到校准时间的目的图校时电路图整点报时电路图整点报时电路数字钟整点报时是最基本的功能之一现在设计的电路要求在离电路应在整点前秒钟内开始整点报时即当时间在分秒到分秒期间时报时电路报时控制信号每隔秒钟鸣叫一次每次持续时间为秒共响次前四次为低音最后一声为高音整点报时电路的电路原理图如图所示图数字钟的布线图控制门电路部分图中与非门的输入信号分别表示分十位分个位秒十位和秒个位的状态下标中分别表示组成计数器的四个触发器的状态每当分和秒计数到分秒时可见从分秒到分秒之间只有秒个位计数而分有十位分的个位秒的十位中不变将它们相与即图中作为控制信号去控制和在每小最最后秒输入端加有频率为的信号可取自分频器的端同时又受的控制即就是在时将关闭打开信号通过的输入端加有频率为的信号同时又受的控制即在时将关闭打开信号通过则即可实现前四响为的底音后一响为的高音最后一响完毕正好整点音响电路部分音响电路中采用射极输出器推动的喇叭三极管基极串接限流电阻是为了防止电流过大损坏喇叭集电极串接限流电阻三极管选用高频小功率管即可当端为高电平时三极管导通有电流流经喇叭使之发出鸣叫声通过以上分析可知当计时至分秒时频率为的信号通过喇叭当计时至分秒时频率为的信号通过喇叭因而发出四低一高的声音音响结束正好为分秒第三章组装与调试在实验板上组装组装电子时钟时应严格按图连接引脚注意走线整齐布局合理器件的悬空端清端置端要正确处理插拔集成芯片时要用力均匀避勉芯片管脚在插拔过程中变弯折断接通电源逐步调试如果出现错误可先检查各芯片的电源线是否接上并保证有正常的工作电压按图电路在数字电路实验箱上连线它是由十进制加法计数器段锁存译码驱动器和七段数码管组成观察在作用下数码管的显示情况需要注意的是正常工作时为高电平应为低电平按图电路在实验箱上连线因为内含有两个同步十进制计数器内含有四个输入与非门因此分别用一片和就够了按图电路连线输出可接发光二极管观察在作用下为可直接由实验箱连续脉冲输出端提供输出端发光二极管的状态变化情况验证是否为六十进制计数器按图电路连线验证该电路是否为二十四进制计数器其次安装的是晶体振荡电路电路按图电路连线输出接发光二极管观察发光二极管的显示情况按顺序对电路连线和调试按图所示在数字电路实验箱上对校时电路连线将电路输出门接发光二极管拨动开关观察在作用下输出端发光二极管的显示情况根据开关的不同状态输出端输出频率之比约为开关可以取自实验箱上的逻辑电平开关参照图对整点报时电路的安装因为报时电路发出声响的时间是分秒至分秒之间分的状态是不变的图中的不变测试时的信号可由实验箱上获得的信号可将的信号经触发器二分频得到端可接至十进制计数器的相应输出端观察计数器在信号的作用下喇叭发出声响的情况将时间调整到分秒观察报时电路能否准确报时如果不正常则需检查相应的芯片第四章结论数字钟的设计涉及到模拟电子与数字电子技术其中绝大部分是数字部分逻辑门电路数字逻辑表达式计算真值表与逻辑函数间的关系编码器译码器显示等基本原理数字钟是典型的时序逻辑电路包含了计数器二进制数六进制数六十进制二十四进制十进制数的概念数字钟的设计与制作可以进一步加深对数字电路的了解通过本次电子电路的设计为数字电路的制作提供思路我学到了很多东西最重要的是去做好一个事情的心态也许在你拿到题目时会觉得困难但是只要你充满信心一步一个脚印去实现它就肯定会完成的有时候画的线和其它线重要合时会看不到有时又会明明连的是这个端点一移动时却连到任外一个端点了再加上电路有这么大了显示器的界面宽度又有限所以做起来有点麻烦一但搞不好就要重新来这个时候就要你有足够的耐心了从这次设计中我觉得我学到了以下东西对于数字逻辑一些基本知识有了更深的了解了解很多集成门电路芯片的使用增强了面对困难勇于面对勇于解决的信心以往每做一次课程设计感觉自己的收获总会不少这次也不例外做课程设计是为了让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高学会将知识应用于实际的方法提高分析和解决问题的能力通过这次对数字钟的设计与制作让我了解了设计电路的程序也让我了解了关数字钟的原理与设计理念要实现电路功能总要先设计成功之后才实际接线的但是最后的成品却不一定与理想的完全一样因为再实际接线中有着各种各样的条件制约着所以在设计时应考虑两者的差异从中找出最适合的设计方法在做课程设计的过程中我深深地感受到了自己所学到知识的有限明白了只学好课本上的知识是不够的要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩充自己的知识在实验过程中我们曾经遇到过问题一个是在电路接好之后计数的显示结果不正确经分析检查后我们请老师帮我们检查了知道了是电路中有些不懂的地方改正了错误我们遇到的第二个问题是有线路太多容易混乱所以我们没有一时检查出问题但是我们没有沮丧在使用万用表测量各个接点电压后我们找到了原因但是从中我们学习到了如何对待遇到的困难进一步培养了我们一丝不苟的科学态度和不厌其烦的耐心在设计的过程中我和我们组的成员始终在一起我们互相讨论互相合作使得我们的设计得以顺利完成体会到了合作的力量感受到了参考文献曾日波多功能数字电子钟系统的设计与实现乐山师范学院学报赵淑范张玲霞于秀霞数字电子钟的设计长春大学学报卢超基于单片机的数字电子钟的设计与制作大庆师范学院学报董良杰简易数字电子钟的制作山西广播电视大学学报何宏森多功能智能电子钟的设计兵工自动化王韧俞斌简易电子钟的设计电子世界刘盛雄周奇韦云隆基于单片机的数字式电子钟的设计与制作重庆工学院学报向继文廖立新基于的电子钟系统设计机电产品开发与创新电子钟万年历电子技术应用邵兰简易数字钟电路设计基本思路职业技术致谢经过今半年的学习和忙碌本次毕业设计已经接近尾声作为一个毕业设计由于经验的匮乏难免有许多考虑不周全的地方如果没有指导老师的督促指导以及一起工作的同学们的支持想要完成这个设计是难以想象的在这里首先要感谢我的指导老师老师老师平日里工作繁多但在我做毕业设计的每个阶段从外出实习到查阅资料从开题报告到论文初稿从设计草案的确定和修改到论文中期检查从整体的把握到毕业设计的每一个细节在整个过程中都给予了我悉心的指导我的设计较为复杂烦琐但是胡老师仍然细心地纠正图纸中的错误除了敬佩胡老师的专业水平外他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样并将积极影响我今后的学习和工作然后还要感谢大学三年来所有的老师为我们打下专业知识的基础没有老师们的谆谆教诲就没有我们学业上的进步是老师们的栽培造就了一批批的栋梁之才我们有幸在安全学院度过了青春里最美好的三年是老师们给了我们知识的洗礼让我们充实了自己提高了适应社会贡献社会的能力同时还要感谢所有的同学们正是因为有了你们的支持和鼓励此次毕业设计才会顺利完成最后感谢安全技术学院对我的大力栽培