数字秒表.docx
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数字秒表
湘潭职业技术学院工学院
2011届毕业设计
专业：
应用电子专业
毕业设计课题：
数电电子时钟制作
班级：
08302班
姓名：
沈学龙
指导教师：
朱承志老师
2010年5月20日
摘要
本文以数字电子技术电子时钟制作为主要内容记载，其电路设计全部采用数电芯片，其中包括编码、译码、调时、报时、时钟电路等模块，能够实现走时、调时、整点报时功能，电路稳定性高，但其仍有许多需要改进的地方，此文仅供参考。
关键词：
分频，编码，译码，时钟，报时，消抖……
前言
本次毕业设计是为了让我们更清楚地理解应用电子技术这门课程，为我们即将走上工作岗位的毕业生打基础，最后，通过分析数电逻辑门电路，培养我们电路分析上了一个新台阶。
应用电子技术在世界各个领域都有广泛应用，很多电路应用到数字电子技术相关知识，各种芯片在电子产品都有运用，芯片的运用在产品中地位越来越重要，这一切给产品结构带来了深刻的变化。
为电子领域新型人才带来新的机遇和挑战。
随着我国综合国力的进一步加强和加入世贸组织。
我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用电子技术参与国际竞争。
电子电路，数字电路，模拟电路，各种芯片的集成化的基础，一直在慢慢的进步，不断的改进升级，为提高产品质量，提高劳动生产率是不可少的技术手段。
目录
摘要2
前言3
目录4
第一章绪论5
第二章设计方案论证6
2.1设计要求6
2.2设计目的6
2.3设计报告7
第三章电子时钟设计与制作8
3.1设计原理及其框图8
3.2总电子时钟原理图如下9
3.2.1DXP原理图9
3.2.2PCB板如下（采用的是双层叠加板）9
3.2.3仿真原理图10
3.3时钟频率电路设计10
3.3.1NE555时钟频率电路10
3.3.2石英晶体振荡电路11
3.3.3电源电路设计14
3.4校时消抖报时电路14
3.4.1校时消抖电路的设计14
3.4.2整点报时电路17
3.5芯片功能及管脚介绍18
3.5.174LS0018
3.5.274LS0419
3.5.374LS9019
3.5.4CD454320
3.5.5稳压块780521
3.5.6报时芯片74HC3022
3.5.774LS11223
3.6编码译码显示电路23
3.7附录25
第四章总结28
致谢30
参考文献31
第一章绪论
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。
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。
但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,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不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,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。
第二章设计方案论证
做一个简易的单片机数字钟。
该数字钟有8个共阴极七段数码管，分别显示小时，分钟和秒。
其显示方式为：
XX-XX-XX。
2.1设计要求
1画出电路原理图（或仿真电路图）
2元器件及参数选择
3电路仿真与调试
4写出完整的设计任务书：
课题的名称、系统的功能、硬件原理图、软件框图、程序清单、参考资料；
5时间以60分种为一个周期;电子钟的格式为：
XXXX，由左向右分别为：
分、秒。
完成显示由秒01一直加1至59，再恢复为00；分加1，由00至01，一直加1至59，再恢复00；
2.2设计目的
1、熟悉集成电路的引脚安排。
2、掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
3、了解面包板结构及其接线方法。
4、了解数字钟的组成及工作原理。
5、熟悉数字钟的设计与制作。
6、培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；
7、掌握计数器、加法器、半导体数码管显示器与七段码显示译码器的使用；
2.3设计报告
写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
第三章电子时钟设计与制作
3.1设计原理及其框图
3.1.1数字钟的构成
数字钟是一个将“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一些显示星期、报时、停电查看时间等附加功能。
因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”，“星期”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
图所示为数字钟的一般构成框
3.2总电子时钟原理图如下
3.2.1DXP原理图
3.2.2PCB板如下（采用的是双层叠加板）
3.2.3仿真原理图
3.3时钟频率电路设计
3.3.1NE555时钟频率电路
给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。
不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
晶体震荡电路采用32768Hz的晶振和555时钟电路（利用555定时器NE555加上一些电阻、电容元件构成的多谐振荡器来产生秒信
号,提供给秒计数器用）作为信号发生器，但相比之下用晶振的精确度和稳定性要高于555电路，因此本来采用32768HZ晶振做信号震荡电路。
具体内容如下：
该电路产生的脉冲周期的计算公式为:
T!
（R1+2R2）Cln2≈0.7（R1+2R2）C
将图中电阻（R）、电容（C）元件的参数代入上式,可得脉冲周期为T≈0.987s,与标准值误
差为-1.3%。
这样一天下来,该数字钟就要快1123s,将近19min。
另外,由于电阻、电容生产工艺的限制,它们本身的实际值与标称值之间也存在着比较大的误差。
可见,用该电路产生的秒信号的准确度是较低的。
另外,该电路产生的秒信号的稳定性比较差,在接线的过程中,有时会出现电路停振,没有信号输出的现象;或者输出信号不够强,一将时、分、秒计数器连接起来,输出脉冲的幅值明显下降,频率增大。
3.3.2石英晶体振荡电路
为了提高秒信号准确性和稳定性,用晶振+分频电路构成秒信号电路。
利用石英晶体来构成振荡电路。
由于石英晶体的选频特性，非常好,只有某一频率点的信号可以通过它,其它频率段的信号均会被它所衰减,而且,振荡信号的频率与振荡电路中的R、C元件的数值无关。
因此,这种振荡电路输出的是准确度极高的信号。
然后再利用分频电路,将其输出信号转变为秒信号,其组成框图如下图。
其中,晶体振荡电路采用下图所示电路。
该电路所用晶振的标称值为32768Hz,振荡信号经过两个非门G1、G2后输出的是标准的、频率为32768Hz的矩形波信号。
分频电路采用14位二进制串行计数器!
分频器CD4060。
如图为CD4060的管脚图。
Q4~Q14等为不同频率的信号输出端,R端为清零端,高电平有效
：
改进后的电路如图5所示。
由于CD4060的内部已集成有非门,因此图#中的非门G1、G2可以省去,而将振荡电路直接接到其反相器输入!
输出端,这样就有频率稳定的信号从CD4060的各输出端（Q4~Q14）输出。
由于CD4060的输出端Q4~Q14的输出信号为初始振荡信号的2n次分频,Q14端输出信号的频率为2Hz,也就是说,它的周期T$0.5s,不是秒信号,还须经过一次分频,输出的才是秒信号。
因此,在Q14端后面接一个由JK触发器构成的T'触发器,再次分频。
这样JK触发器输出端Q15的输出信号即为秒信号,供秒计数器用。
按上图接好线后,用示波器观察CD4060CP0端的输出信号,为一矩形波,示波器显示该信号的频率为32755Hz。
测量Q15端的信号,输出矩形波的幅值达到4.0V,足够驱动计数器。
经过一个星期的试运行,该电路没有出现停振的现象;也没有出现原电路那种负载能力低、脉冲周期发生变化的现象,整个数字钟的工作正常。
可见采用该电路,大大提高了秒信号的准确性和稳定性,电路也不复杂。
3.3.3电源电路设计
为了携带移动方便，采用5-12V直流电源适配器给电子钟供电，电路上采用桥式整流滤波，7805稳压块稳压，如下图所示，时钟提供稳定电源
3.4校时消抖报时电路
3.4.1校时消抖电路的设计
当数字计时器接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（或称校时）。
校时是数字计时器应具备的基本功能。
为使电路简单。
这里只进行分和小时的校对。
对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和时不影响秒和小时的正常计数。
校时方式有“快校时”和“慢校时”两种，“快校时”是通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数。
“慢校时”是用手动产生单脉冲做校时脉冲，为校“时”，校“分”电路。
其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关。
校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为“0”时可进行“快校时”。
秒的正常计数；在分校正
本设计采用“快校时”。
需要注意的是，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，可用芯片74LS00和74LS04实现。
开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，接电容C1，C2可以缓解抖动。
校时电路的关键因素是消抖，下面举例四个，为了简单些本人使用例一电容消抖。
其他消抖方法可能会更好，作为大家借鉴参考；
例一：
普通电容简单电路消抖
图由74LS00和74LS04构成的校时电路
工作原理
当“S1”“S2”由接通到断开或由断开到接通时可能会产生抖动，接电容“C1”“C2”后可缓解抖动。
取C1=C2=0.01uF，分压电阻R等于3.3千欧。
开关S闭合后，电路开始校时。
非门1的输出也为高电平；所以非门b的输出只与校时脉冲有关。
又由于与非门a的输出也为高电平，所以非门c的输出只与非门b的输出有关。
因此与非门c的输出与校时脉冲相同。
开关S断开后，电路开始正常计时。
非门1的输出为低电平，所以与非门b的输出为高电平，因此与非门c的输出完全由与非门a的输出决定；又与非门a的输入只与进位脉冲有关，所以电路进行正常计时。
例二：
也可采用如下电路
例3：
例4：
同时消抖电路可以用555单稳态如下电路
说明：
1）特点"RT-7.6-CT"2端输入。
外脉冲启动或人工启动。
2）公式：
Td=1.1RT*CT
3）用途：
定（延）时、消抖，分频，脉冲输出、LC速率检测
3.4.2整点报时电路
一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。
其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。
根据要求，电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。
报时电路选74HC30，选蜂鸣器为电声器件。
利用74HC30和蜂鸣器连接成整点报时电路如下图：
3.5芯片功能及管脚介绍
3.5.174LS00
（1）74LS00管脚如下图
74LS00管脚图
（2）芯片功能介绍
74LS00为四二输入与非门，即
。
当A=1，B=1时Y=0；A=1，B=0时Y=1；A=0，B=1时Y=1；A=0，B=0时Y=1。
（3）芯片逻辑功能表
输入
输出
A
B
Y
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
3.5.274LS04
（1）74LS04管脚图如
74LS04管脚图
（2）芯片功能介绍
74LS04为六反相器，即Y=
。
当A=0时，Y=1；当A=1时，Y=0。
（3）芯片逻辑功能表
输入
输出
A
Y
0
1
1
0
3.5.374LS90
（1）芯片功能及管脚介绍
（2）芯片逻辑功能表
3.5.4CD4543
（1）芯片功能及管脚介绍
（2）芯片逻辑功能表
3.5.5稳压块7805
7805引脚图
3.5.6报时芯片74HC30（8-inputNANDgate）
芯片功能及管脚介绍
芯片逻辑功能表
3.5.774LS112
74LS112功能表
3.6编码译码显示电路
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60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。
利用74ls90编码和CD4543译码电路，由1HZ秒钟标准频率驱动8个共阴数码管秒钟计时。
CD4543译码芯片
译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
编码译码显示电路如下图所示：
数码管结构
数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED共阴数码管。
如图
3.7附录
（1）元器件清单
序号
名称
型号（规格）
数量
1
贴片电阻
300
50个
2
插脚
3.3k
2
3
22M
1
4
有源晶振
32768HZ
1
5
瓷片电容
103
2
6
33pf
2
7
TTL集成芯片
74LS00
2+2
8
74LS04
1+1
9
74LS30
1+1
10
CD4543
6
11
74LS90
6+6
12
74LS112
1+1
13
CD4060
1
14
按钮开关
6*6/10mm长柄
3
15
插座
杜邦头，插座
20对
16
数码管
0.56寸1位共阴
8
17
蜂鸣器
5V12mm长声
1
18
5V稳压块
7805
1
19
整流二极管
1N4001
4
20
电源适配器
9V/400mA
1
21
排座/排针
40*1间距2.54mm
各2排
注：
其中单位带有加号的表示附带芯片座。
（2）元器件资料
A、CD4060------14位二进制串行计数器
简要说明：
CC4060由一震荡器和14极二进制串行计数器位组成，震荡器的结构可以是
RC或晶振电路。
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
冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。
CD4060提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑
料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。
推荐工作条件：
电源电压范围…………3V～15V
输入电压范围…………0V～VDD
工作温度范围
M类…………－55℃～125℃
E类………….－40℃～85℃
极限值：
电源电压…...－0.5V～18V
输入电压……－0.5V~VDD+0.5V
输入电流…………….±10mA
储存温度…………－65℃～150℃
引出端符号：
CP1时钟输入端
CP0时钟输出端
CP0反相时钟输出端
Q4～Q10，Q12～Q14计数器输出端
Q14第14级计数器反相输出端
VDD正电源
Vss地
B、NE555内部电路图
第四章总结
在参加了这次时钟电路设计后，对电路的构造以及使用功能更加了解，也对一些专业的相关软件有了初步的认知，以至于对PCB板的识别也不再陌生，这些是在课本中无法学到的，这次的课程设计采用了分模块法，将每一个单独的功能模块进行单独调试，之后再进行组装总体调试。
本有想过加一些高级芯片，同样在设计过程中发现更多的好用的数电芯片，如带编码译码的CD40110芯片，可以让电路变得更简单，同时应为受到90芯片的限制只能做到加法调时分钟，如果换上可加法减法计时的74LS161或CD40110效果会更好，可以实现加减调时，有待改进的是调时消抖用得是简单的电容消抖，可以改成斯密特触发器消抖或555直稳态电路消抖效果同样更好，例如单片机之类的，但由于加上之后课程设计就会略显简单，而要详细介绍芯片又会很复杂，故弃之。
本设计为了能够达到比较精确的振荡频率，特别对其参数进行了精确的计算。
能够产生比较准确的振荡频率，从而能够精确的计时和快速的校时。
实现了电子计时器的基本功能。
基本符合布线要求。
通过校对标准时间，本毕业设计准确度在一个星期1-2秒钟的误差左右，工作稳定，但精确度需改进，利用晶振那个引脚的50PF可调电容可以适当调整其精确度。
我认为本次设计的最大优点是将一学期的数电课程进行了有效的压缩和总结，对于比较重要的555定时器的使用，也更加的熟练，由于数电在今后的生活中会应用的更加广泛，将本门课程学好，并且能融会贯通，对于今后的学习和工作有着重要的意义。
不过设计的电路还有一些小的问题，如果再能加上一个外围电路，将整点报时电路与定时电路相串联，解决掉电保持电池电流不够的问题，功能将更加强大。
致谢
本研究及毕业论文是在我的导师朱承志老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。
他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
从课题的选择到项目的最终完成，朱老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
两年多来，朱老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向朱老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢在一起愉快的度过跟我一起培训过的培训队的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!
参考文献
数字电子技术基础（第五版）作者：
阎石
出版社:
高等教育出版社
出版时间：
1983年04月
模拟电子技术基础（第四版）作者：
华成英
出版社:
高等教育出版社
出版时间：
2007年03月
现代数字电路与逻辑设计作者：
朱定华，饶志强，吴建新
出版社：
北方交通大学出版社
出版时间：
2007年02月
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