侯林伶　張立　蔣旭　鄒順華

摘 要 該系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：555時(shí)基電路組成的多諧振蕩器、校時(shí)電路、計(jì)數(shù)進(jìn)位電路以及數(shù)碼管顯示電路。同時(shí)也可以劃分為三大模塊即振蕩器產(chǎn)生脈沖電路模塊、計(jì)數(shù)校時(shí)電路模塊、數(shù)碼管顯示模塊。振蕩器產(chǎn)生脈沖模塊用555時(shí)基電路組成多諧振蕩器產(chǎn)生1HZ的秒脈沖信號(hào)；計(jì)數(shù)校時(shí)模塊則在秒脈沖的作用下開始計(jì)數(shù)進(jìn)位同時(shí)可以進(jìn)行時(shí)、分的校驗(yàn)；數(shù)碼管顯示電路主要是顯示計(jì)數(shù)脈沖的結(jié)果。這就是該數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的主要原理框架。

關(guān)鍵詞 555多諧振蕩器 數(shù)碼管顯示 計(jì)數(shù)器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

這次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘電路，數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、分、秒數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置，廣泛用于個(gè)人家庭、車站、碼頭、辦公室等公共場所，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵罚捎跀?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體與555振蕩器的廣泛應(yīng)用，使得數(shù)字鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。盡管設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘電路計(jì)時(shí)不夠精確，也不能起到定時(shí)鬧鐘等功能，所用的器件也只是555時(shí)基電路、計(jì)數(shù)器74ls90、數(shù)碼管顯示CC4511等器件。但在這次的數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)中我得到了更多的實(shí)踐，幫助我發(fā)現(xiàn)了在書本上不會(huì)出現(xiàn)的問題，也就是在此次設(shè)計(jì)的過程中遇到的許多問題。最終還是在老師的指導(dǎo)下完成了整個(gè)數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)工作。數(shù)字鐘電路是由555時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩電路來提供1khz的信號(hào)脈沖，秒信號(hào)脈沖用來驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器，后計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)字由4511與數(shù)碼管組成的顯示電路顯示出來，最后可以使用校時(shí)電路來檢驗(yàn)該電路的分、時(shí)計(jì)數(shù)進(jìn)位是否正確。

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本課程設(shè)計(jì)中準(zhǔn)備應(yīng)用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)數(shù)字時(shí)鐘，能夠?qū)崿F(xiàn)精確計(jì)時(shí)功能。構(gòu)成簡單數(shù)字時(shí)鐘主要構(gòu)成部件有數(shù)碼管顯示譯碼器CD4511、計(jì)數(shù)器74LS190和74ls92和多諧振蕩器。

1總體方案設(shè)計(jì)

1.1方案比較

1.1.1方案一

方案一的數(shù)字電子鐘邏輯框圖由555集成芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路、計(jì)數(shù)器、數(shù)碼管顯示器和鬧鐘定時(shí)電路組成。555集成芯片構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果通過“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器顯示。

1.1.2方案二

工作時(shí)，由555時(shí)基電路構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生的秒脈沖信號(hào)。并送計(jì)秒電路計(jì)數(shù)，當(dāng)秒計(jì)數(shù)器計(jì)滿60秒時(shí)，輸出秒進(jìn)位脈沖，送計(jì)分電路計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)分器計(jì)滿60分時(shí)，輸出分進(jìn)位脈沖，送計(jì)時(shí)電路計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)時(shí)電路滿24時(shí)，時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器同時(shí)復(fù)零，又開始新一天的計(jì)時(shí)，可以用校時(shí)電路進(jìn)行校時(shí)。

1.2方案論證

兩種方案都可行，方案二的電路系統(tǒng)由四部分電路組成，既由多諧振蕩電路、計(jì)數(shù)電路、數(shù)碼管顯示電路以及校時(shí)電路組成。而方案一，比方案二少了校時(shí)電路，但多了一個(gè)鬧鐘定時(shí)電路。第二個(gè)方案比較的實(shí)用，但沒有第一個(gè)方案簡單容易實(shí)現(xiàn)，而且第一個(gè)方案中的校時(shí)電路對(duì)數(shù)字鐘來說比鬧鐘定時(shí)電路必要的多?；陔娐窂?fù)雜程度以及時(shí)鐘的功能必要性，我選擇方案二。

圖1：方案二的原理框圖

2單元模塊設(shè)計(jì)

2.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要分為4個(gè)單元模塊，它們分別是：多諧振振蕩器模塊、計(jì)數(shù)模塊、譯碼顯示模塊和校時(shí)模塊。各單元模塊功能及相關(guān)電路的具體說明如下。

2.1.1振蕩器設(shè)計(jì)

一般說來，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。本設(shè)計(jì)中采用由集成由555振蕩器、電阻和電容組成。由于555定時(shí)器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，所以用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的震蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。由555的3腳輸出的頻率為1HZ的方波。

2.1.2計(jì)時(shí)器模塊設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)部分共由4個(gè)74ls90和兩個(gè)74ls92芯片相應(yīng)的門電路組成。秒計(jì)數(shù)部分由一個(gè)74ls90和一個(gè)74ls92構(gòu)成構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每過60s產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)給分計(jì)數(shù)器。（分計(jì)數(shù)器采用的元器件以及相關(guān)原理和秒計(jì)數(shù)器是一樣的，所以電路原理圖和秒計(jì)數(shù)電路一致。

當(dāng)秒計(jì)數(shù)夠60的時(shí)候分計(jì)數(shù)器自動(dòng)計(jì)入1，工作原理與秒計(jì)數(shù)器相同，每過60分鐘，產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位給時(shí)計(jì)數(shù)器。

小時(shí)計(jì)數(shù)部分為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)分部分記錄滿60的時(shí)候，時(shí)自動(dòng)計(jì)入一。當(dāng)?shù)?3再次計(jì)入一后自動(dòng)清零。

2.1.3譯碼顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示電路由譯碼器CD4511和8位共陰數(shù)碼管構(gòu)成，計(jì)數(shù)器所記的數(shù)字經(jīng)譯碼器譯碼，而后又有數(shù)碼管顯示。

2.1.4校時(shí)模塊設(shè)計(jì)

校時(shí)電路是數(shù)字鐘不可缺少的部分，每當(dāng)數(shù)字鐘與實(shí)際時(shí)間不符時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，需要校正時(shí)間，校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。對(duì)校時(shí)電路設(shè)計(jì)要求是在“時(shí)”校正時(shí)不影響分計(jì)數(shù)器的正常計(jì)數(shù)， 在“分”校正時(shí)不影響小時(shí)的正常計(jì)數(shù)， 校時(shí)方式有快校時(shí)和慢校時(shí)兩種。當(dāng)剛接通電源時(shí)或計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)， 都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。S1， S2分別是時(shí)、分校正開關(guān)。不校正時(shí)， S1、S2是斷開的。當(dāng)進(jìn)行“時(shí)”校正時(shí)， 需要把S2開關(guān)閉合以切斷分進(jìn)位脈沖信號(hào)同“時(shí)”計(jì)數(shù)器的聯(lián)系， 校時(shí)電路將由1Hz脈沖自動(dòng)校正“時(shí)”計(jì)時(shí)器， 校正完畢后把S2斷開?！胺帧毙r(shí)和“時(shí)”校時(shí)方法是一致的。

3軟件調(diào)試

3.1多諧振蕩器模塊仿真調(diào)試

555時(shí)基電路組成的多諧振蕩能否為電路提供標(biāo)準(zhǔn)為1Hz的基準(zhǔn)信號(hào)，決定本設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘能否準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)，所以對(duì)多諧振蕩器模塊進(jìn)行仔細(xì)調(diào)試十分必要。首先在Proteus中打開設(shè)計(jì)好的仿真圖，接好示波器，可以看到仿真電路如圖2所示。

圖2：仿真界面

4結(jié)論

（1）本數(shù)字鐘設(shè)計(jì)由555多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的信號(hào)作為秒脈沖信號(hào)，分和秒為00-59六十進(jìn)制，小時(shí)為00-23二十四進(jìn)制，能準(zhǔn)確顯示時(shí)間，當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或出現(xiàn)計(jì)時(shí)誤差時(shí)，能對(duì)電路進(jìn)行校準(zhǔn)。

（2）在使用proteus仿真軟件時(shí)，由于軟件自身的不足，仿真過程中仍然存在誤差，proteus仿真軟件只適用于低頻率的仿真，在頻率過高的時(shí)候，則會(huì)失去真實(shí)性，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。

（3）要注意各個(gè)元器件的實(shí)時(shí)工作電壓范圍，一般都是在4.5V—5.5V之間，在通電之前必須調(diào)節(jié)好電源。

（4）該設(shè)計(jì)任然有很多不足的地方，首先就是電路設(shè)計(jì)看上去有些復(fù)雜，元器件種類有點(diǎn)多，它們會(huì)耗費(fèi)掉一定的電力；其次就是本設(shè)計(jì)最核心的部分多諧振蕩器并不能很精準(zhǔn)的產(chǎn)生1hz的秒脈沖信號(hào)，如果需要更精準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)，可能需要使用晶體振蕩來產(chǎn)生；最后我覺得數(shù)碼管顯示部分任然有許多不足，只能使用單個(gè)的數(shù)碼管進(jìn)行顯示，而不能使用兩個(gè)或四個(gè)的，略顯累贅，這些不足之處仍有待解決。

（5）本次設(shè)計(jì)時(shí)間有限，且受到能力限制，所以這個(gè)設(shè)計(jì)還有它的不足之處，它功能比較單一，還需要增加很多實(shí)用性的功能。例如鬧鐘定時(shí)等。

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