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1、数字电子技术数字电子钟课程设计数字电子技术数字电子钟课程 设计设计题目：数字电子钟专业：电气化铁道学号：姓名：指导教师：设计时间：设计技术参数1时制式为24小时制。2采用LED数码管显示时、分，秒采用数字显示3具有方便的时间调校功能。4计时稳定度优于10-4,可精确校正计时精度。5.交流220V供电，但停电24小内要维持正常计时（停电可不显示时间）6. 其它附加功能（显示星期、报时、停电查看时间）。 设计原理及其框图1.数字钟的构成附图SZZ-1数字钟的构成框图数字钟是一个将“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

2、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。干电路系统由秒信号发生器、 “时、分、秒、星期”计数器、译码器及显示器、校时电路、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

3、，该 信号将被送到“时计数器” 。“时计数器”采用 24进制计时器，可实现对一天 24 小时的累计。每累计 24小时，发出一个“星期脉冲”信号，该信号将被送到“星 期计数器”，“星期计数器” 采用 7 进制计时器，可实现对一周 7 天的累计。译 码显示电路将“时” 、“分”、“秒”、“星期”计数器的输出状态送到七段显示译 码器译码，通过七位 LED 七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统 的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路时 用来对“时”、“分”、“秒”、“星期”显示数字进行校对调整的。附图 SZZ-1 所 示为数字钟的一般构成框图。1)晶体振荡器电路

4、晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的 32768Hz 的方波信号， 此外还有一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，使稳 定度优于 10-4，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。2)分频器电路分频器电路将 32768Hz 的高频方波信号经 32768( 215 )次分频后得到 1Hz 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。3)时间计数器电路 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、时个位 和时十位计数器及星期计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位 和分十位计数器为

5、60 进制计数器，时个位和时十位计数器为 24 进制计数器， 星期计数器为 7 进制计数器。4)译码驱动电路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。5)数码管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 数码管。6)直流稳压电源 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。它是由电源变压器、 整流、滤波和稳压电路等四部分组成。 本设计采用的直流稳压电源， 输入为 220V 的交流电，输出为 5V 左右的稳定电压。2数字钟的工作原理1)晶体振荡器电路 晶体振荡器是

6、构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。附图 SZZ-2 所示电路通过 CMOS 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， CMOS 非门 U1 与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路， U2 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 R1 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 C1、C2 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 180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

7、率的稳定和准确晶体XTAL的频率选为32768Hz。该元件专为数字钟电路而设计，其频率 较低，有利于减少分频器级数。其中 Ci的值取520 pF, C2为30pF。Ci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CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻Ri可选为1M Q 10M Q。 本设计中取10M Q。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。附图SZZ-2晶体振荡器电路2)分频器电路因为，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到1 Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路，一 般采用多级2进制计数器来实现。将32768Hz的振荡

8、信号分频为1 Hz的分频倍 数为32768 (215)，即实现该分频功能的计数器相当于 15极2进制计数器。这里 用一个14级2进制计数器和一个1级2进制计数器。2进制计数器我们采用 CMOS管CD4013B。CD4013B其实是一个双D型 触发器。它是由两个相同的、独立的数据型触发器组成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和 Q和Q输出。在时钟脉冲正变化沿时预置在 D输入的逻辑电平转换至 Q输出。时钟置位和复位是独立的，分别通过在置位或 复位线上高电平完成。附图 SZZ-3是CD4013B的管脚图。14|13|12 111 110|J 81VidQ2/Q2 CP2B2D2S2PCD

9、4013B/Q1CF1 RLD1S1Vee11 11r113 457附图SZZ-3 CD4013B的管脚图本设计中采用CD4060来构成14级分频电路。附图 SZZ-4是CD406的 管脚图。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且 CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。 CD4060计数为14级2进制计数器，可以将32768Hz的信号分频为2Hz，CD4060的时钟输入端两个串接的非门，因 此可以直接实现振荡和分频的功能。12号管脚R是复位清零端，高电平有效，（复位全部级）。在CPi（CP0）每个负变换计数器前进一个二进制数。从 3号管脚出来的频率就是2Hz，当然

10、从2号管脚出来的频率就是4Hz,依次类推。16 15 14 13 12 11 10 9I1 1 1丄1 1VddQ10Q8 Q9 RCF1/CFO CFOJCD4060Q13Q14 Q6 Q5Q7111 1f123 4 57 8附图SZZ-4是CD406的管脚图有上面晶体振荡器电路和分频器电路的分析，我可以画出它们之间的连接 图，即是我们所需要的时钟脉冲 1Hz的产生电路。见附图数字电子钟整机图。 其中2Hz的信号我们可用于调校电路。3）时间计数单元时间计数单元有时计数、分计数、秒计数和星期计数等几个部分。时计数 单元一般为24进制计数器，其输出为两位 8421BCD码形式；分计数和秒计数 单

11、元为60进制计数器，其输出也为 8421BCD码；星期计数单元为7进制计数 器，其输出也为两位8421BCD码形式。一般采用10进制计数器来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用 数量，可选CD4518，附图SZZ-5为CD4518的管脚图。16115 |14 1312|11|10丄Vdd2R2Q4 2Q32Q2羽1)CD45181CF1/EK1Q1 1Q2183IQ41Rg111 111n1123 45678附图SZZ-5为CD4518的管脚图CD4518是一只双BCD10进制计数器，它内含两个独立的计数单元，有两 个计数脉冲输入端，上升沿触发端 CP和下降沿触发端，若用CP来触发,则E

12、N接咼电平；若用EN来触发，则CP接咼电平。有4个输出端Q4 Qi， 一个 清零端R,加高电平计数器清零，各输出端为0。在本电路中，第一组计数器ICi-1 用来作秒个位计数，输出端为1Q4 1Qi，计数范围为00001001循环。每当计 数到1001 （相当于10进制数的9）时，再输入一个计数脉冲则会变为 0000,这时IC1-1的1Q4由高电平变低电平输出一个负跳变脉冲到 2EN，作为进位脉冲使第二组计数器IC1-2作一次秒十位的计数。同时IC1-1开始作下一个计数循环。秒十位计数为6进制（可以通过导线连接使10进制变为6进制。实现原理：输出 端2Q42Q32Q22Q1要从0101跳变到00

13、00,中间经过一个瞬间状态 0110。这时 我们只须将2Q3、2Q2两端经过一个二输入与门 CC4081 （管脚图见附SZZ-6） 输出到1R和2R端。）输出端为2Q4 2Q1，计数范围为00000101循环。每当计数到附图SZZ-6 CC4081管脚图0101 （相当于10进制数的5）时，再输入一个计数脉冲则会变为 0000,这时IC1-2 的2Q32Q2两端经过一个二输入与门 CD4081B输出端再送到IC2-1的1CP端，作 为进位脉冲使IC2-1作一次分个位的计数。同时IC1-2开始作下一个计数循环。同 理分计数的实现原理与秒计数的实现原理一样，用第三组计数器 IC2-1作分个位计数，

14、用第四组计数器IC2-2作分十位计数。第三片 CD4518作为时计数器，但附图SZZ-7 CC4073的管脚图要设置为24进制。由IC2-2的2Q32Q2两端经过一个二输入与门 CD4081B输出 端送到IC2-1的1CP端，作为进位脉冲使IC 3-1作一次时个位的计数。计数范围也是00001001循环，当计数由1001变为0000输出一个负跳变脉冲到 2EN， 作为进位脉冲使第六组计数器IC3-2作一次时十位的计数。因为我们要求时间由 23： 59： 59能跳到00: 00： 00。所以当第二片 CD4518向第三片CD4518再发 一次脉冲时，第三片的输出端2Q42Q32Q22Q11Q41

15、Q31Q21Q1要从00100011跳变 到00000000,中间经过一个瞬间状态 00100100。这时我们只须将 2Q21Q3两端 经过一个二输入与门 CD4081B输出到1R、2R端和IC4-1的1CP端，输出到IC4-1 的1CP端的信号作为进位脉冲使IC4-1作一次星期的计数。同时IC3-2开始作下 一个计数循环。星期计数为7进制也要通过导线连接使10进制变为7进制。实 现原理：输出端1Q41Q31Q21Q1要从0110跳变到0000,中间经过一个瞬间状态 0111。这时我们只须将1Q31Q21Q1三端经过一个三输出与门 CD4073B （管脚图 见上页附图SZZ-7）送到1R端。星

16、期一显示“1”，星期二显示“ 2”，星 期六显示“ 6” ，星期天显示“日”。这是要把IC4-1的1Q31Q21Q1三端经过一个三输入或门送到本级译码器 CD4518的LT端即可。管脚图见附图SZZ-8附图SZZ-8 CC4075的管脚图4）译码显示通过上面的分析，我只需要 4片CD4518和1片二输入与门CD4081B就可 以实现时间的计数功能。但这也仅是计数，我们还要通过译码器译码送往数码 管才能显示出来。CD4511是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的“三合一”电路。锁存器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象，便于观察和记录。译码器将 BCD码转换成7段码，再经过大电流反相器，驱动共阴

17、极 LED数码管。译码器属于 非时序电路，其输出状态与时钟无关，仅取决于输入的 BCD码。CD4511的管脚图如附图SZZ-9所示,DA为BCD码输入端,ag是7笔段输出端.LT为灯测试端,当LT = 1时正常显示，当LT = 0时LED数码管显示全亮笔段“ 8”, 可检查数码管的质量好坏，有无笔段残缺现象。为强迫消隐控制端，当 =1是正常显示，当BI = 0时强迫显示器消隐。LE为锁存控制端，当LE = 0时选通，LE = 1时锁存。从执行逻辑功能的先后顺序讲， lt具有第一优先权,无论其他输入端为何种状态，只要LT二0，led就显示全亮笔段。bi具有第 二优先权，只要满足LT二1、BI二0

18、的条件，就强迫显示器消隐。4个输入端A、B、C、D分别与计数器CD4518的Q1 Q4端相连。7个笔段输出端ag 分别与数码管的7个输入端相连。这样我们就可以在数码管上看到时间了。数码管是由八只发光二极管组成（其中一只显示小数点）。工作时，要求发 光二极管的公共阴极接地。当某一发光二极管阳极加上高电平时，相应的发光 二极管导通，这一段（或点）就会发光。若要显示十进制数的十个数码 09,只要在相应的字段阳极上加上高电平即可。 例如，要显示5时，贝U应在a,c,d,f,g各段阳极上加上高电平。为限制个发光二极管的电流，可在它们的公共阴极上串 联一只300Q左右的限流电阻。16 15 14 13 1

19、2 11 10 9I 1 111 1Vdd f ga b cCD4511d eEC /LT/El LE Dk Vss-1 TL 2 31 14 5 617 8附图SZZ-9CD4511管脚图5） 调校电路调校电路我们用三个单刀开关就可以实现。当我们进行调校星期、时或分 时，可以把2Hz的脉冲信号通过单刀开关引到星期、时或分的 1CP端。具体电路见数字电子钟整机电路图。6） 电源电路本电路要求用220V的交流电供电。而我们的数字钟电路需要的是 318V的 直流稳定电压，一般在5V左右。这就要求我们设计一个直流稳压电源，使输入220V的交流电网电压u1经过变压器变成整流电路要求的交流电压 u2，其

20、中整流电路是由四个二极管组成的桥式电路。 u2经过整流电路输出的恒定直流分量U=0.9U2,然后通过一个电容进行滤波。虚线框内是三端固定式集成稳压器 7806输出固定电压的典型电路图，电路中接入电容 C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰， C4是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的高频干扰。 D为保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器 C4 一个放电通路，防止 C4两端电压作用于调整管的 be 结，造成调整管be结击穿而损坏。经过稳压后，可在 1、2端我们可得到5.3V 的稳定电压，1端送到译码电路作为电源。2端送到其他电路作为电源。其中电

21、 容C5作为停电时用的备用电源，经计算（室温T=25C时，记时部分工作总平均 电流为 Idd（Typ）= 0.24 卩 A （CD4060为 0.04 卩 A，CD4013B为 0.02 卩 A，CD4518为 4*0.04卩A, CC4081为0.01卩A，CC4073为0.01卩A），且各芯片最低工作电 压为3V,所以充电电容在没电的时候充当电源，供记时部分工作，它的电压变 化范围 U=5.3-3V=2.3V，则其储存电荷量Q=C/U=2.3C,则停电可提供记 时电路正常工作时间 T=Q/I dd（Typ）=2.3C/ （0.24*10-6 卩 A） =9583333.333s 2662.

22、037h ;记时部分工作最大总电流为 Vddmax=26.5卩A（CD406C为5卩A,CD4013B 为 1 卩 A，CD4518为 4*5 卩 A，CD4081为 0.25 卩 A，CC4073 为 0.25 卩 A）,则 Tmin=Q/I ddep） =2.3C/ （26.5*10-6 卩 A） =86792.453s24.109h。）它最少可维持 24 小时。 停电时译码器断电，停止工作，数码管就停止显示，这样可减少电容C5的开支， 使它能够维持24小时的供电。如果在停电时想看时间，可以使开关 S通路，连通2端，使2端为译码电路供电。具体见整机电路图。7）整点报时电路如果在将到整点时，我们要使在离整点差 10秒时，每隔1秒钟鸣一次，每 次持续时间为1秒，共响5秒，前四次为低音512Hz,最后一声为高音1024Hz0 实现电路见整机图。