数字电子钟毕业设计数字IC构成讲解.docx

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数字电子钟毕业设计数字IC构成讲解

论文题目：

数字电子时钟

一、设计题目

数字电子钟设计

二、设计要求

1.能够利用软件设计数字电子钟电路原理图。

2.要求熟悉集成芯片功能。

前言

目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不可见的。

要知道当前的时间，必须先开灯，故较为不便。

现在市场上出现了这样一类的电子钟，它以六只LED数码管来显示时分秒，与传统的以指针显示秒的方式不同，超越了人们传统的习惯与理念。

数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到广泛的应用。

如，日常生活中的电子手表，车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。

要实现数字电子钟的设计可以由单片机控制或者由数字IC构成。

这里我们要做的是一个由数字IC构成的数字电子钟设计。

目　　录

1设计功能要求

设计一数字钟，该数字钟能够准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。

在电路中，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、校分和校秒的功能。

并且要用数码管显示时、分、秒，各位均为两位显示。

具体要求如下：

1.时的计时要求为“23置0”，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。

2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2.1所示。

由图2.1可知，电路的工作原理是：

多功能数字钟电路主要由振荡器、计数器、译码器和显示器构成。

图2.1电路框图

主体电路由基准频率源、计数器、译码显示驱动器、数字显示器和校准电路等五部分组成。

其中：

（1）基准频率源是数字电子钟的核心，它产生一个矩形波时间基准源信号，其稳定性和频率精确度决定了计时的准确度。

（2）译码器采用BCD码-七段显示译码驱动器。

显示器采用LED七段数码管。

（3）校准电路可采用按键及门电路组成。

系统工作原理：

振荡器产生的稳定高频脉冲信号作为数字钟的时间基准。

秒计数器计满

后向分计数器进位，分计数器计满

后向小时计数器进位，小时计数器按照“23置0”规律计数。

计数器的输出经译码器送显示器，计时出现误差可以用校时电路进行校时、分、秒。

3设计中所用到的元器件

3.1译码器

显示译码器，一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码，并通过显示器件将译码器的状态显示出来。

发光二极管点亮只须使其正向导通即可，根据LED的公共极是阳极还是阴极分为两类译码器，即针对共阳极的低电平有效的译码器和针对共阴极LED的高电平输出有效。

这里我选用CD4511,它是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段显示译码器，其特点为：

具有BCD转换，信号锁存控制，能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示器。

它的引脚图如图3.1所示：

图3.1CD4511的引脚图

其功能介绍如下：

  BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

  LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

  LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

  A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

  a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是GND、Vcc。

CD4511的逻辑功能如表3.1所示。

表3.1CD4511的逻辑功能

输入

输出

LE

BI

LI

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

消隐

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

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

1

1

1

X

X

X

X

锁存

锁存

3.2计数器

在数字电子技术中应用的最多的时序逻辑电路中，计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时以及进行数字运算等。

按照计数器中的触发器是否同时翻转分类，可将计数器分为同步计数器和异步计数器。

常见的同步计数器有74160系列,74LS290系列。

这里选用74LS160。

它是一个具有异步清零、同步置数的集成四位同步十进制加法计数器

。

它的引脚图如图3.2所示。

图3.274LS160的引脚图

它的工作真值表如表3.2所示

表3.274LS160工作真值表

输入变量

输出变量

工作模式

MR

PE

CEP

CET

CLK

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q0

0

X

X

X

X

X

X

X

X

0

0

0

0

异步清零

1

0

X

X

↑

d3

d2

d1

d0

d3

d2

d1

d0

同步置数

1

1

1

1

↑

X

X

X

X

计数

加法计数

1

1

0

X

X

X

X

X

X

保持

数据保持

1

1

X

0

X

X

X

X

X

保持

数据保持

3.3显示器

常用的数字显示器有多种类型。

按接法分有两种：

共阳极显示器或共阴极显示器。

按发光物质分，有半导体显示器【又称发光二极管（LED）显示器】、荧光显示器（VFD）、液晶显示器（LCD）、等。

我所选用用的是LED显示器。

因为选用的CD4511译码器对应的显示器是共阴极显示器，所以它的结构和共阴极接法如图3.3所示。

图aLED结构图bLED共阴极接法

图3.3七段显示器

3.4振荡器

振荡器有石英晶体震荡和多谐振荡器两种。

石英晶体震荡较多谐振荡器昂贵，我们对精度要求不高所以选择由集成

定时器与

、

组成的多谐振荡器。

555构成的多谐振荡器，输出振荡频率f＝1Hz的脉冲。

555定时器的引脚排列如图3.4所示。

图3.4555引脚排列图

由它组成的多谢振荡器电路图如图3.5。

图3.5555构成的多谐振荡器

图中，C是外接定时电容，R1、R2是充电电阻，R2又是放电电阻。

C1用于防干扰。

当接通电源后，Vcc要通过电阻对C充电，充至当THOLD=2/3Ucc时，A1输出为1，比较器A2输出高电平，输出端3输出低电平，放电三极管T导通，电容C又要通过R2、T放电，Vcc下降，当Vcc下降至1/3Ucc时，VT截止，C又重新充电，以后恢复以上过程。

其震荡周期为

T=T1+T2=0.7（R1+R2）C（式3.1）

因为f=1Hz，所以T=1s。

根据公式3.1选择R1、R2、C即可。

4电路设计

4.1时分秒计数器

4.1.1秒计数器的设计

秒的个位部分为逢十进一，十位部分为逢六进一，从而共同完成60进制计数器。

74LS160实现60进制的方式有两种：

异步清零、同步置数。

我选择的是同步置数功能，即当计数到59时清零并重新开始计数，所以MR应设置为1。

因为单片74LS160所能实现的最大记数模数M=10,构成N=60进制计数器,M

N=60,SN-1=01011001

用74LS160构成六十计数所示,低位片

（1）实现十进制，时位片

（2）实现六进制。

其工作原理如下：

十进制加法计数：

将低位片的MR和CEP、CET并联，即MR=CEP=CET=1，当秒输出的输出信号≠59时，低位片和高位片的输出信号通过与非门74LS20后使低位片和高位片的PE=1，在CLK端输入计数脉冲，此时低位片进行十进制加法计数。

低位片每计数到第十次时，进位输出信号TC=1，将低位片的TC端接高位片的CEP和CET,即CEP=CET=TC=1,高位片的MR=1=PE,此时高位片进行十进制加法计数。

保持：

当低位片没有进位输出信号时，即TC=0,高位片的CET=CEP=0,MR=PE=1,高位片保持状态不变。

同步置数：

当低位片输出为9且高位片输出为5时置零。

所以将低位片和高位片的输出信号连接与非门74LS20。

当高位片低位片输出信号为59时，低位片和高位片的输出信号通过与非门74LS20使低位片和高位片的PE=0，又因为MR=1，在输入时钟脉冲CLR上升沿作用下，并行输入端的数据P0P1P2P3被置入计数器的输出端，即低位片和高位片的Q0Q1Q2Q3=P0P1P2P3，所以把P0P1P2P3接地，使得Q0Q1Q2Q3=0。

从而完成低位片

（1）、高位片

（2）的同步置数。

电路图如4.1所示。

图4.1秒部分设计图

4.1.2分计数器的设计

分的设计与秒的设计原理基本相同，不再阐述。

4.1.3时计数器的设计

根据设计要求,时计数器设计必须为24进制技术,（5）片为是时信号低位片,（6）片为时信号高位片。

当高位片为0,1时,低位片为十进制计数,当高位片为2时,低位片为4进制记数。

因此，要实现数字电子时钟时信号24小时制的功能，只需要加入与非门进行条件判断，在按照4.1的内容，同理易得二十四进制记数即24计数电路如图4.2所示。

图4.2时部分设计图

4.2校时电路

当数字钟接通电源或者计时出现误差时需要校正时间（校时）。

下面以秒校时电路为例分析校时电路的工作原理。

b接多谐振荡器的OUT，当双刀双掷开关S1打到bd时，与非门U5A的输入端2为高电平；d接GND，与门U11A的输入端2为低电平，U11A的输出端为低电平,即U5A的输入端1为低电平，所以U5A的输出端3为高电平，供给计数器脉冲。

此时电路为计数器正常计数状态。

ac接VCC，当S1打到，ac时，，与非门U5A的输入端2为高电平；与门U11A的输入端2为高电平：

此时按下行程开关K2，U11A的输入端1为低电平，U11A的输出端3为低电平,即U5A的输入端1为低电平，所以U5A的输出端3为高电平供给计数器脉冲。

此时电路为校时状态；如果此时没有按下K2，U11A的输入端1为高电平，U11A的输出端3为高电平,即U5A的输入端1为高电平，所以U5A的输出端3为低电平这时计数器没有脉冲。

因为在使用时电路开关存在抖动问题，所以接一个电容滤波已完成去抖动功能。

所以整个校时电路图如图4.3所示

图4.3校时电路

4.3译码显示电路

译码是编码的相反过程，译码器CD4511将计数器输入的二进制代码翻译成相应的输出信号给LED显示器U9。

把CD4511的LE接地，允许译码输出。

LT为灯测试端，加高电平，显示器正常显示。

BI为消隐功能端，正常显示时，BI端应加高电平。

CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管尾端接上限流电阻即可工作。

ABCDEFG是7段输出，连接LED数码管的abcdefg端,驱动共阴LED数码管显示数字。

译码显示电路如图4.4。

图4.4译码显示电路

4.4总体电路

电路最小计时0时0分0秒，最大计时23时59分59秒。

电路的秒脉冲信号有多谐振荡器供给，频率为1HZ。

当秒计数为59时，秒计数置零，分计数得到一个脉冲，分计数加一；当分计数为59时，分计数计数置零，时计数得到一个脉冲，时计数加一，时计数到23时置零。

校时的时候，正常计数脉冲为断路状态，分别由校时电路分别供给时分秒计数器脉冲，以完成校时。

计数器经过CD4511译码器译码后驱动LED数码管显示数字。

整体电路图如图4.5。

图4.5整体电路

5器件清单

表5.1器件清单

属性

元器件

数量

用途

计数器

74LS160

6

计时

译码器

CD4511

6

译码

定时器

555定时器

1

多谐振荡器

电容

10uf电容

1

多谐振荡器

显示器

LED数码管

6

显示

四2输入与门

74LS08

3

校时电路

四2输入与非门

74LS00

3

校时

电容

0.01uf电容

1

多谐振荡器滤波

三3输入与非门

74LS10

1

时计时电路

双4输入与非门

74LS20

2

分、秒计时电路

开关

行程开关

3

校时电路

开关

双刀双掷开关

3

校时电路

电阻

电阻

若干

结束语

经过这段时间的课程设计，我学到了许多东西，对课本上的内容的理解加深了印象，同时也学会了一种学习的态度。

理论要联系实践，当然实践也离不开理论，由于对课本的内容还不是很熟悉，所以在做这个课程设计前，我先把课本的重点知识复习了一遍，时序逻辑电路、组合逻辑电路、计数器、定时器等，然后就是到图书馆查找相应的资料，抱着好几本书就在那里认真地查，查的过程中也看到了很多关于74LS系列芯片的应用实例。

然后自己做了设计方案，并请老师帮助分析检查。

设计方案经过老师肯定之后就是数字钟的电路设计，这是一个难点也是重点。

在这个环节中，我学到了许多在课本上学不到的东西，我想这个过程用“山穷水复疑无路，柳暗花明又一村”来形容最贴切不过了。

但还是坚持下来了，经过近几天天时间的查找和分析秒个位设计终于成功了。

在这个过程中吸取了许多教训，我在接下了的设计过程中就显得异常轻松，比较快的完成了这次任务。

这就是好事多磨吧！

理论上的知识搞定了，接下来就是开始设计整体电路图了。

EDA做原理图，给我的印象是英文看不懂，所以查阅课本重新学习了EDA计数，最后做出了电路原理图。

这次课程设计也再次让我看到理论与实践的差别和联系，理论固然重要，然而我们要在实践中发现错误，并解决错误，也提高了自己的动手能力和实际解决问题的能力。

一种学习态度：

认真、严谨的学习态度。

这就是我的另一个收获，不仅仅是做课程设计，无论是做什么研究，都必须要有一种认真严谨的学习态度，比如说，独立思考独立完成，认真接线，仔细检查等，这些都是对我们自身能力的一种培养，在以后的学习甚至工作中，很多东西都只能靠自己去独立思考完成，因此我们也藉此学会了一种独立思考的学习态度。

无论最后的结果是怎样，你参与了，你就肯定有收获。

在这几天可以说是废寝忘食的课程设计过程中，我也收获了许多，我仍然记得将课程设计做出来的时候，那种喜悦的心情，是难以形容的。

致　　谢

毕业设计完成了，在这个过程中我学到了很多东西。

首先我要感谢我的指导老师刘慧老师，她在我完成论文的过程中，给予了我很大的帮助。

在论文开始的初期，我对于论文的结构以及文献选取等方面都有很多问题，整体构思不是很明确，段落层次也不是很清晰，老师详细给我分析论文的写作过程，从论文的题目，论文的内容，论文的脉络，都给我详细的指导。

在我论文的进展过程中，老师也及时给我解决疑惑，并且监督我论文的进展过程，非常感谢！

但是惭愧的是，我没有及时完成任务，论文也时有偏差出现，经过了曲折的过程，老师也耐心的给我激励，非常感谢!

我想，毕业论文的过程不仅仅是一个完成一篇论文的过程，而是一个端正态度的过程，是总结大学四年的一个过程，是在踏入社会前的历练过程。

这个过程将使我受益匪浅！

参考文献

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附录A数字电子钟整体体电路图