数字电子钟综述Word文档格式.docx

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这些都是数字电路中应用最广的基本电路，原理框图如图8-15所示。

石英晶体振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成每秒一次的方波秒信号。

秒信号送入计数器进行计数，并把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。

“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数电路实现；

“分”的显示电路与“秒”相同，“时”的显示由两级计数器和译码器组成的二十四进制电路来实现。

所有计时结果由六位数码管显示。

1.3振荡器的选择

晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。

数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。

因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一信号。

也可采用由门电路或555定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

1.3.1用555定时器构成的多谐振荡器

为了制作简便，在精度要求不高的条件下，振荡电路可选用555定时器构成的多谐振荡器，见图2-1。

多谐振荡器的振荡频率可由式2.3.1估算。

（式2.3.1）

图1-1555定时器构成的多谐振荡器

若选

，要在输出端得到频率为1Hz的时钟信号，则C应选47uF。

调节电位器，即可调整秒信号。

1.3.2石英晶体振荡器

振荡器是电子钟的核心，用它产生标准频率信号，再由分频器分成秒时间脉冲。

振荡器振荡频率的精度与稳定度基本上决定了钟的准确度。

振荡电路是由石英晶体，微调电容与集成反相器等元件构成，原理图如图2-2所示。

图1-2晶体振荡器

图中1门、2门是反相器，1门用于振荡，2门用于缓冲整形，

为反馈电阻，反馈电阻的作用是为反相器提供偏置，使其工作在放大状态。

反馈电阻

的值选取太大，会使放大器偏置不稳甚至不能正常工作；

值太小又会使反馈网络负担加重。

图中

是频率微调电容，一般取5～35pF。

是温度特性校正电容，一般取20pF～40pF。

电容

、

与晶体共同构成π型网络，以控制振荡频率，并使输入输出移相180°

。

石英晶体振荡器的振荡频率稳定，输出波形近似于正弦波，可用反相器整形而得到矩形脉冲输出。

用555集成定时器组成的多谐振荡器。

它具有电路简单、组装方便等优点。

但是它产生的时间信号频率低、稳定性差，严重影响数字钟的精度。

因此，要产生频率稳定的时标信号，一般应采用石英晶体振荡器。

而石英晶体振荡器产生的脉冲信号振荡频率都比较高，需要经过分频电路才能得到我们所需要的1Hz的“秒”脉冲信号。

若从数字钟的精度考虑，晶体振荡的频率越高，计时的准确度也就越高。

但是，与此同时将会造成分频器的级数增多、耗电量增加的矛盾。

综合考虑以上两方面的因素，目前多采用CC4060和电子表石英晶体构成振荡频率为32768Hz（=215Hz）的振荡器，经其内部14级分频后得到2Hz的时钟脉冲，再送入计数器CC4518构成二分频器，即可得到“秒”信号。

这里就选用555集成定时器组成的多谐振荡器。

2数字钟的组成和基本工作原理

数字电子钟是一个将“时”、“分”、“秒’’显示于人的视觉器官的计时装置。

它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和报时功能。

因此，一个基本的数字钟电路主要由五部分组成。

其整体框图见图3-1所示。

图2-1数字电子钟框图

2.1晶体振荡器

2.2计数器

有了时间标准“秒”信号后，就可以根据60秒为1分、60分为1小时、24小时为1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。

将这些计数器适当连接，就可以构成秒、分、时的计数，实现计时功能。

2.3译码和数码显示电路

译码和数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。

2.4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。

2.5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59分50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1秒，10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。

3设计步骤与方法

3.1振荡电路的设计

振荡器是数字钟的心脏，它是产生时间标准“秒”信号的电路。

为了制作简便，在精度要求不高的条件下，本系统中的振荡电路选用555定时器构成的多谐振荡器，分析如上述。

3.2计数器的设计

数字钟的“秒”、“分”信号产生电路都是由六十进制计数器构成，“时”信号产生电路为二十四进制计数器。

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BCD加法计数器CC4518组成。

因为一片CC4518内含有两个十进制计数器，因此用一片CC4518就可以构成六十进制或二十四进制计数器了。

选取CC4518和与非门CC4511、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4-1（a）和（b）所示。

图3-1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

在这两个电路中，“计数器1”的控制脉冲均由CP端输入，因此1EN应接高电平；

计数器2的控制脉冲均由EN端输入，因此2CP应接低电平。

将1

接至2EN保证了低位十进制计数器向高位计数器提供触发信号。

图4-2是同步十进制计数器的时序图。

由图4-2可以看出：

当“计数器的状态由1001向0000转换时，1

（2EN）正好是一个下降沿，因此高位的计数器开始计数。

在图4-2中，将2

和2

相与后接至CR端，构成了六十进制计数器，在图（b）中，将2

和1

相与后接至CR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RS触发器，如图4-3所示（以六十进制电路为例）。

图3-2同步十进制计数器的时序图

图3-3进位扩展

将与非门组成的RS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脉冲。

与非门选用四2输入与非门CC4011，其外部引线排列见图4-4

图3-4CC4011外部引线

3.3译码显示电路的设计

当数字钟的计数器在CP脉冲韵作用下，按60秒为1分、60分为1小时，‘24小时为1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BCD代码以高低电平来表现。

因此，需经译码电路将计数器输出的BCD代码变成能驱动七段数码显示器的工作信号。

译码显示电路选用BCD-7段锁存译码／驱动器CC4511。

七段显示数码管的外部引线排列见图4-5.

（a）外部引线（b）二极管示意图

图3-5七段显示数码管

现以60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4-6.

图3-6数码显示电路

3.4校时电路的设计

当时钟指示不准或停摆时，就需要校准时间（或称对表）。

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4-7.

图3-7校时电路

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“分计时器”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“分计时器”的CP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“B”端，以达到校准时间的目的。

3.5整点报时电路的设计

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整点差10秒时，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图4-8所示。

整点报时电路主要由控制门电路和音响电路两部分组成。

图3-8整点报时电路

3.5.1控制门电路部分

由与非门1-8组成。

图中与非门1，3，5的输入信号Q4，Q3，Q2，Q1分别表示“分十位”、“分个位”、“秒十位”和“秒个位”的状态，下标中D，C，B，A分别表示组成计数器的四个触发器的状态。

由图4-8可以看出：

（1KHz）

（500Hz）

根据设计要求，数字钟电路要求在59分51秒、53秒、55秒、57秒和59秒时各鸣叫一次。

当计数器计到59分50秒时，分、秒计数器的状态为：

（分十位）

（分个位）

（秒十位）

（秒个位）

要求音响电路工作，计数器状态的变化仅发生在59分50秒至59分59秒之间。

因此，只有秒个位的状态发生变化，而其它计数器的状态无须变化，所以可保持

不变。

将它们相与

将此信号作为与非门5、6的控制信号。

可见要使Y5=1，在Y2=1的情况下（即59分50秒不变的前提下）有以下两种情况：

（1）当1000Hz信号输入时，应使

的状态为1，即

=1001，即59秒。

（2）当500Hz信号输出时，应使函

的状态为1，即QDl=0、QA1=11，我们把Q1状态的真值表列于表4-1中。

由表4-1可以看出：

QDl=0、QA1=1的所有状态组合只有四种，即0001、0011、0101、0111，它们分别表示51秒、53秒、55秒和57秒。

表3-1真值表

QD1 

QC2QB3QA1

D1QA1

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1

0

3.5.2音响电路

音响电路采用射极输出器，推动8Ω的喇叭，三极管基极串接lkΩ限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭，集电极串接51Ω限流电阻，三极管选用高频小功率管即可。

当Y5端为高电平时，三极管T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59分51、53、55、57秒时，频率为500Hz的信号通过喇叭，当计时至59分59秒时，频率为1000Hz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59分60秒。

4电路的仿真与调试

整体电路图如图4-1：

图4-1整体电路

课程设计体会

我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？

如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？

我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。

在做本次设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的设计手册了。

为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅电气设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。

我们是在作设计，但我们不是艺术家。

他们可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。

作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，由于本次设计要求用AUTOCAD制图、EWB绘制电路图等，所以我们还要好好掌握这几门软件。

虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率好高，记得大一学EWB时觉得好难就是因为我们没有把自己放在使用者的角度，单单是为了学而学，这样效率当然不会高。

边学边用这样才会提高效率，这是我作本次课程设计的第二大收获。

但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。

参考文献

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