具有整点报时功能的可校时数字钟EWB仿真.docx

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具有整点报时功能的可校时数字钟EWB仿真

第一章课题的来源及意义

第一节介绍

20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，有力的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，产品跟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，而数字式电子钟又具有体积小、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，使其完成计时及报时校时功能。

本次设计以数字电子为主，分别对一秒信号源、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、秒的显示并且具有整点报时和走时校时的功能。

并通过本次设计加深对数字电子技术的理解以及更熟练是有计数器、触发起和各种逻辑门电路的能力。

电路主要使用集成计数器，例如74LS161、CD4518；译码集成电路，例如CD4511、LED数码管及各种门电路和基本的触发器等，电路使用5号电池供电，很合适在日常生活中使用。

第二节目前研究现状

在做这次设计前，首先了解了一些现在数字钟的研究状况，通过查找，我总结了下面一些方法，通过对比，我选择了适合自己的方法，来实现我的设计。

一、采用小规模集成电路实现

采用集成逻辑电路设计具有能实现，时、分、秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需程序干预。

二、EDA技术实现

采用EDA作为主控制外围电路进行电压，时钟控制键盘和LED控制，此方案逻辑电路复杂，且灵活性较低，不利于各种功能的扩展，在对电路进行检测比较困难。

三、单片机编程实现

在按键较少的情况下，采用独立式4个按键，经软件设计指定的I/O口，送出逻辑电平，控制数码管显示，根据数字电子钟的设计要求与原理以及特性，本系统采用单片机AT89C52串口输出的形式来设计电路，使功能及效果更完美。

比较以上三种方案的优缺点，方法一简洁灵活可扩展性好，能完全达到设计要求，同时符合本次课程设计的要求，故采用第一种方法。

第三节论文结构及主要工作

本次设计的数字钟采用的是小规模集成电路来实现的，文章主要研究的是数字钟的电路组成及原理。

首先，论文研究了数字钟的显示部分，再研究它的内部电路组成。

在显示部分里，主要研究了计数器和译码显示器，及其工作原理。

数字钟的重要部分就是其内部的驱动电路和校时电路，本次设计通过采用晶体振荡器产生1Hz信号给数字钟提供稳定的计数信号，并且通过校时电路实现了对数字钟的时间纠正，使数字钟走时准确，在这次设计中，还为数字钟设计了一个整点报时电路，实现整点报时，使人们准确知道现在的时间。

第二章数字钟的显示部分

第一节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12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。

数字中电路主要由译码显示器、校准电路、报时电路、时计数器、分计数器、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。

时计数器采用12进制计数器，可实现对12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，在经过六位LED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2-1所示多功能数字钟的组成框图。

图2-1组成框图

第二节计数器

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60秒为1分，60分为1小时、时计数器采用12小时计位，分别组成两个六十进制（分、秒）一个十二进制计数器。

将这些计数器适当的连接，就可以构成秒、分、时的计数，实现计时的功能进制计数器，它们都可以用两个十进制计数器来实现，六十进制计数器和十二进制计数器均可由BCD加法计数器CC4518组成，因为一片CC4518就可以构成六十进制和十二进制计数器了。

2.2.1CC4518功能介绍

CC4518是二、十进制（8421编码）同步计数器，内含两个单元的计数器，每个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。

如图2-2所示，其内部电路图如下。

图2-2CC4518的内部逻辑图

CC4518的各个引脚如图2-3所示：

Cr：

异步清零端（复位端），高电平有效。

CP，EN：

计数器工作状态控制与时钟脉冲输入端。

QD，QC，QB，QA：

计数器四位数据输出端。

图2-3CC4518引脚图

由表2-1可知，若用ENABLE信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”，若用CLK信号上升沿触发，触发信号由CLK端输入，ENABLE端置“1”。

RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各端输出端Q1—Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CC4518才能开始计数。

表2-1CC4518逻辑功能表

输入

输出

Cr

CP

EN

QD

QC

QB

QA

清零

1

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

CC4518计数器有两种计数方式，不同的输入端需要不同的信号，实现的计数也不一样，其方式如下表2-2所示，图2-4为CC4518的时序图，可以清楚看清计数情况。

表2-2CC4518真值表功能

CLOCK

ENABLE

RESET

ACTION

上升沿

1

0

加计数

0

下降沿

0

加计数

下降沿

X

0

不变

X

上升沿

0

不变

上升沿

0

0

不变

1

下降沿

0

不变

X

X

1

Q0～Q4=0

图2-4CC4518时序图

如表2-3所示，为CC4518芯片的一些重要参数，只有在参数范围内，才能正常使用CC4518芯片，使数字中正常工作。

表2-3CC4518极限参数

VDD

-0.5Vto+20V

输入电压范围，所有投入

-0.5VtoVDD+0.5V

直流输入电流

±10mA

工作温度范围

-55℃+125℃

储存温度范围

-65℃+150℃

2.2.2六十进制计数器

时钟的“分”、“秒”计数器采用六十进制计数，如下图所示，个位为十进制，故EN=1,Cr=0，计数到9以后自动清零，向高位进位，信号采用Q4Q3Q2Q1=1001，将Q4Q1送入与非门，与非门的输出可以做进位信号。

因为当Q4Q1不同时为1，Y为1，当QQ同时为1时，Y为0，同时计数器到9后自动清零，这时Y又变为1，即出现了一个上升沿。

十位接成六进制，利用Q4Q3Q2Q1=0110的信号清零，同时结合高位进位。

如图2-5所示，为六十进制接线图

图2-5六十进制连接图

2.2.3十二进制计数器

时钟的“时”计数器采用十二进制计数器计数，个位为十进制计数器，当计数器计数到12时，即十位为0001个位为0010时，同时清零，达到了十二进制计数器的目的，即高位的Q1好低位的Q2送入与非门做清零信号，完成“时”计数器的计数，从而完成一个周期的计时。

图2-6为十二进制接线图：

图2-6十二进制连接图

第三节译码显示电路

译码显示电路是将数字钟的计时状态直观清晰的反应出来，被人们的视觉器官所接受，是人们直接看到的部分，也是时钟的主要部分，而我们研究的是对译码显示电路的组成、功能的分析。

显示器件选用LED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。

本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）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连在一起，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。

共阴极数码管则需要输出高电平有效的译码器去驱动。

当数字钟的计数器在CP脉冲的作用下，按60秒为1分、60分为1小时，12小时为半天的技术规律计数时，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。

因此，译码显示电路选用BCD-7段所存译码/驱动器CC4511。

2.3.1数码管

数码管采用LG3611AH型数码管，它是共阴极数码管，需要输入高电平有效。

如图2-7所示，数码管内部电路图和引脚图

图2-7数码管

2.3.2译码器

时钟的计数通过译码电路经过译码然后传给LED显示，本次设计译码器采用CC4511型译码器。

如图2-8所示，是CC4511的外部引脚图。

图2-8CC4511的引脚图

CC4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。

如表2-3所示，是CC4511的工作方式。

表2-4CC4511的真值表

LE

BI

LT

D

C

B

A

a

b

c

d

e

f

g

显示

X

X

0

X

X

X

X

1

1

1

1

1

1

1

8

X

0

1

X

X

X

X

0

0

0

0

0

0

0

熄灭

0

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

2

0

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

3

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

4

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

5

0

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

6

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

7

0

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

8

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

9

0

1

1

1010-1111

0

0

0

0

0

0

0

熄灭

1

1

1

X

X

X

X

为LE上跳前的BCD码决定

锁存

第四节显示部分的仿真电路

通过EWB软件仿真，实现了计数器六十进制仿真和十二进制仿真，并且实现了显示电路的仿真，如图2-9为六十进制仿真图，图2-10为十二进制仿真图，图2-11为显示电路仿真图

图2-9六十进制仿真图

图2-10十二进制仿真图

图2-11显示电路仿真图

第三章数字钟的控制电路

数字钟的控制电路主要由振荡电路、分频电路、校时电路、报时电路组成。

振荡电路和分频电路控制数字钟的计时功能，通过它们给数字钟计时电路提供准确的1Hz频率，使数字钟准确计时。

校时电路通过改变计数器的计数，当时钟不准时及时给与纠正，使数字钟走时准确。

报时电路通过对时钟的整点报时，提醒人们现在的时间，是数字钟的重要组成部分。

第一节振荡电路和分频电路

振荡器是数字钟的核心，起的作用是产生一个频率标准的时间频率信号，然后再由分频器产生分秒脉冲，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32768Hz的方波信号。

保证数字钟的走时准确及稳定。

由数字钟的晶体振荡器输出较高，为了得到1Hz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，一般采用多级二进制计数器来实现。

将32768Hz的振荡信号分频为1Hz的分频倍数为32767（2的15次方），即实现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器。

本次试验中采用CD4060来构成分频电路，CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含了振荡电路所需的非门，使用方便。

如图3-1所示为震荡分频电路的设计图

图3-1振荡分频电路

3.1.1CD4060功能及特性

CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器组成，采用DIP-16封装，工作电压+5V，其引脚如图3-2所示，它的内部有14级二分频器，但外部挚友十个输出端，即Q4-Q10,Q12-Q14，其它四脚没有引出，CP1外接晶振，CP0是晶体振荡输出端，C1=1时晶体停震。

其引脚图如图3-2所示。

图3-2CD4060的外部引脚图

振荡器的结构可以是RC或晶振电路，当CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。

所有的计数器位均为主从触发器。

在CP1（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数。

在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。

其内部电路图如图3-3所示。

图3-3CD4060的内部电路图

如下表3-1所示，是CD4060的一些电气参数，从这些参数中可以看出CD4060芯片的工作环境，只有在CD4060的使用参数范围内，才能使CD4060正常工作。

表3-1CD4060的电气参数

绝对最大额定值

电源电压

-0.5V—+18V

输入电压

-0.5V—+0.5V

储存温度范围

-65℃—+150℃

PD

普通双列封装

700mW

小外形封装

500mW

焊接温度

焊接10秒

260℃

3.1.274LS74功能及特性

74LS74为带预置和清除端的两组D型触发器，共有54/7474、54/74H74、54/74S74、54/74LS74四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如下表3-2所示。

表3-274LS74系列特性

型号

最高工作频率

PD

5474/7474

25MHz

85mW

54H74/74H74

43MHz

150mW

54S74/74S74

110MHz

150mW

54LS74/74LS74

33MHz

20mW

74LS74的各个引脚输出端的作用如下：

1CP、2CP时钟输入端

1D、2D数据输入端

CLR1、CLR2直接复位端（低电平有效）

PR1、PR2直接置位端（低电平有效）

如图3-4所示，是74LS74的外部引脚图。

图3-474LS74逻辑图

如表3-3是74LS74的功能表，通过此表可以看出74LS74的工作方式，其中：

H－高电平

L－低电平

X－任意

↑－低到高电平跳变

表3-374LS74功能表

输入

输出

RP

CLR

CLK

Dn

Qn

Q1

L

H

X

X

H

L

H

L

X

X

L

H

L

L

X

X

H

H

H

H

↑

↑

H

L

H

H

↑

↑

L

H

H

H

L

X

Qn

Q1

表3-474LS74的电气参数

极限值

电源电压

7V

输入电压

54/7474、54/74H74、54/74S74

5.5V

54/74LS74

7V

工作环境温度

54XXX

-55℃—125℃

74XXX

0℃—70℃

存储温度

-65℃—50℃

第二节校时电路

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的准确无误，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。

现在以分计数器的校时电路为例，简要说明它的校时原理，如下图所示，与非门1，2构成的双稳态触发器，可以将1Hz的“秒”信号和“秒计数器的进位信号”送至“分计数器的CP端”。

两个信号中究竟选哪个送入由开关K控制，它的工作过程是这样的：

当开关K置“B”端时，与非门的1输出低电平，门2输出高电平。

“秒计数器进位信号”通过门4和门5送至“分计数器的CP端”，使“分计数器”正常工作；需要校正“分计数器”时，将开关K置“A”端，与非门1输出高电平，门2输出低电平，门4封锁“秒计数器进位信号”，而门3将1Hz的CP信号通过门3和门5送至“分计数器”的CP控制端使“分计数器”在“秒”信号的控制下“快速”计时直至正确的时间，再将开关置于“B”端，以达到校准时间的目的，下图3-5为校时电路设计图。

图3-5校时电路

第三节报时电路

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10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分51秒到59分59秒期间时，报时电路时控制信号每隔1秒钟鸣叫一次每次持续时间为1秒，共响5次，前四次为低音500Hz，最后一声为高音1000Hz。

整点报时电路的电路原理图如下图3-6所示。

图3-6报时电路

参考文献

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中国电力出版社，2006:

56-61

后记

在做毕业设计的短暂的时间里，我收获颇丰。

首先，非常感谢我的指导教师王宇红老师，在毕业设计的整个过程中，王老师以其渊博的学识和独特有效的方法逐步启发式地指引我毕业设计的方向，使我从容地、有条不紊地完成了毕业设计的任务，并从始至终细心为我辅导，不辞辛劳地为我答疑解惑，使我的毕业设计能够顺利的完成。

王老师为我提供了很多资料，使我在设计初期有了明确的研究目标和方向，少走了许多弯路。

在设计之前我对这个电路还是一头雾水，通过知道老师的讲解，我对电路有了大概的了解。

然后继续通过查询资料，对电路的基本组成部分有了更进一步的认识。

在设计过程中我学到了很多知识，提高了思考的能力，也学会了如何运用已有的知识解决遇到的新问题，以及在遇到不懂的问题时如何去查阅相关资料，这些进步也同样要感谢王老师对我的谆谆教导。

经过和王老师的学习，王老师严谨的学术作风，和对真理孜孜追求的信念感染了我，我从他身上学到了很多书本上学不到的东西。

总之，经过一次毕业设计的洗礼，我收获颇丰。

虽然，我的设计不是什么高精端产品，但是它设计简单易于调试，而且实用性高。

这个设计的过程将为我今后对任何知识的学习打下坚实的基础。

最后，再一次地感谢帮我顺利完成这次毕业设计的王老师，以及曾帮助过我的同学们。