数电课程设计

一、数字电子钟

1.设计目的

(1)培养数字电路的设计能力。

(2)掌握数字电子钟的设计、组装与调试方法。

2.设计内容及要求

(1)设计一个数字电子钟电路。要求:

①按24小时制直接显示“时”、“分”、“秒”。

②当电路发生走时误差时具有校时功能。

③具有整点报时功能,报时音响为4低1高,即在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出500Hz信号,在59分59秒时输出1000 Hz信号,音响持续时间为1秒,最后一响结束时刻正好为整点。

(2)用中小规模集成电路组成电子钟,并在实验仪上进行组装、调试。

(3)画出各单元电路图、整机逻辑框图与逻辑电路图,写出设计、实验总结报告。

(4)选作部分:①闹钟系统。②日历系统。

3.数字电子钟基本原理及设计方法

数字电子钟的逻辑框图如图14-1-1所示。它由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路与整点报时电路组成。振荡器产生的脉冲信号经过分频器作为秒脉冲,秒脉冲送入计数器计数,计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。有的数字电子钟还加有定时响铃、日历显示等其它功能,需增加相应的辅助电路。

图14-1-1 数字电子钟的基本逻辑框图

(1)振荡分频电路

振荡器就是数字电子钟内部用来产生时间标准“秒”信号的电路。构成振荡器的电路很多,图14-1-2(a)就是RC环形多谐振荡器,其振荡周期T≈2、2RC。作为时钟,最主要的就是走时准确,这就要求振荡器的频率稳定。要得到频率稳定的信号,需要采用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器电路如图14-1-2(b)所示,这种电路的振荡频率只取决于石英晶体本身的固有频率。

u O

（b）

图14-1-2 振荡器

(a)RC环形多谐振荡器 (b)石英晶体多谐振荡器

由于石英晶体振荡器产生的频率很高,要得到秒信号,需采用分频电路。例如,振荡器输出4 MHz信号,先经过4分频变成1 MHz,再经过6次10分频计数器,便可得到1Hz的方波信号作为秒脉冲。

(2)计数器

把秒脉冲信号送入秒计数器个位的CP输入端,经过6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进制,“时”计数器为24进制。

24进制计数器如图14-1-3所示。当“时”个位计数器输入端CP来到第10个触发脉冲时,该计数器归零,进位端Q D5向“时”十位计数器输出进位信号。当第24个“时”脉冲(来自“分”计数器输出的进位信号)到来时,十位计数器的状态为0010,个位计数器的状态位0100,此时“时”十位计数器的Q B6与“时”个位计数器的Q C5输出为1。两者相与后送到两计数器的清零端R0A与R0B,通过74LS90内部的R0A与R0B与非后清零,完成24进制计数。同理可构成60进制计数器。

CP

来自分计数器

的进位信号

图14-1-3 24进制计数器

(3)译码显示电路

译码驱动器采用8421 BCD码七段译码驱动器74LS48,显示器采用共阴极数七段数码显示器,有关74LS48与七段显示器的使用方法前面已经作了介绍,这里不再赘述。

(4)校时电路

当数字电子钟出现走时误差时,需要对时间进行校准。实现校时电路的方法很多,如图14-1-4所示电路即可作为时计数器或分计数器的校时电路。

CP端

图14-1-4 校时电路

现设用该电路作为分计数器的校时电路,图中采用RS触发器作为无抖动开关。通过开关K的接入

位置,可以选择就是将“1 Hz 信号”还就是将“来自秒计数器的进位信号”送至分计数器的CP 端。当开关K 置于B 端时,RS 触发器的输出1=Q 、0=Q ,“来自秒计数器的进位信号”被送至分计数器的CP 端,分计数器正常工作;需要校正分计数器时,将开关K 置于A 端,这时RS 触发器的输出0=Q 、

1=Q ,“1 Hz 信号”被送至分计数器的CP 端,分计数器在“1Hz 信号”的作用下快速计数,直至正确

的时间,再将开关K 置于B 端,达到了校准时间的目的。

(5)整点报时电路

电路的设计要求在差10 s 为整点时开始每隔1 s 鸣叫一次,每次持续时间为1 s,共鸣叫5次,前4次为低音500 Hz,最后一次为高音1 kHz 。因为分计数器与秒计数器从59分51秒计数到59分59秒的过程中,只有秒个位计数器计数,分十位、分个位、秒十位计数器的状态不变,分别为Q D4Q C4Q B4Q A4＝0101,Q D3Q C3Q B3Q A3＝1001,Q D2Q C2Q B2Q A2＝0101,所以Q C4＝Q A4＝Q D3＝Q A3＝Q C2＝Q A2＝1不变。设Y 1＝ Q C4Q A4Q D3Q A3Q C2Q A2,又因为在51、53、55、57秒时Q A1＝1,Q D1＝0,输出500Hz 信号f 2;59秒时Q A1＝1,Q D1＝1,输出1kHz 信号f 1,由此可写出整点报时电路的逻辑表达式为:

21D 1A 111D 1A 12f Q Q Y f Q Q Y Y +=

用与非门实现,则整点报时电路如图14-1-5所示。

图中音响电路采用射极输出器,推动8Ω的喇叭。三极管基极串接1 k Ω限流电阻,就是为了防止电流过大损坏喇叭,在集电极也串接51Ω限流电阻。三极管选用高频小功率管即可。

4.组装与调试要点

在实验箱上组装电子钟,组装时应严格按图连接引脚,注意走线整齐,布局合理,器件的悬空端、清0端、置1端要正确处理。调试步骤与方法如下:

(1)用数字频率计测量晶体振荡器输出频率,用示波器观察波形。晶体振荡器输出频率应为4 MHz,同时波形为矩形波。

(2)将频率为4 MHz 的信号送入分频器各输入端,并用示波器检查各级分频器的输出频率就是否符合设计要求。

(3)将1 s 信号分别送入“时”、“分”、“秒”计数器,检查各级计数器的工作情况。若不正常,则可依次检查显示器、译码驱动器、计数器及计数器的反馈归零电路。

(4)观察校时电路的功能就是否满足校时要求。

(5)将时间调整到59分50秒,观察报时电路能否准确报时。 (6)整机联调,使数字电子钟正常工作。

Q

图14-1-5 整点报时电路

5.供参考选择的元器件

(1)集成电路:74LS90 12片,74LS48 6片,74LS00 6片,74LS20 2片。