【数字电路】数字电子时钟设计

2个月前

简介:数字电路综合设计案例:使用数字逻辑芯片设计的一个6位数字时钟设计,实现调时、校时和报时功能。

开源协议: GPL 3.0

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描述

1 设计目的

(1)掌握数字电子钟的设计方法;

(2)掌握常用数字集成电路的功能和使用;

(3)巩固数字电路理论知识,掌握逻辑电路和真值表的画法。

2 数字钟的功能以及要求

(1)分别设计信号产生电路,计时电路,校时电路,报时电路以及显示电路;

(2)使用数码管显示时间;

(3)通过按键对时、分、秒进行设置调时;

(4)实现整点报时报时功能,每到整点发出一段滴~~的提示声(持续5s);

3 系统框图

       石英晶体振荡器和分频器产生稳定的校时信号和“秒”计时信号,对“秒”计时信号进行60进制计数,形成“分”计时信号和秒计数值,再对“分”计时信号进行60进制计数,形成“时”计时信号和分计数值,再进一步对“时”计时信号进行24进制计数得到时计数值。秒计数值、分计数值和时计数值译码显示时间。整点报时采用组合逻辑电路完成。

4 各部分原理解析

4.1 信号产生-石英晶体振荡电路

   脉冲发生器是数字钟的核心部分,它的精度和稳定度决定了数字钟的质量,通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得2Hz的秒脉冲。如晶振为32768 Hz,通过14次二分频后可获得2Hz的脉冲输出

eis6ac2WdhwYLKweMWp99twccxQTIkVCwBG6Q6vP.png

4.2 分频器电路

  由于振荡器产生的频率很高,要得到秒脉冲,需要分屏电路。本实验采用32768HZ晶体振荡器来产生时钟脉冲,实验所需的是标准的秒脉冲信号,所以用74ls74来进行2分频,得到我们需要标准的1HZ的信号

(3)计数显示部分

  秒、分、时、日计数器这一部分电路均使用中规模集成电路CD4518实现秒、分、时的计数,其中秒、分为六十进制,时为二十四进制。从图3中可以发现秒、分两组计数器完全相同。当计数到59时,再来一个脉冲变成00,然后再重新开始计数。图中利用“异步清零”反馈到/CR端,而实现个位十进制,十位六进制的功能。时计数器为二十四进制,当开始计数时,个位按十进制计数,当计到23时,这时再来一个脉冲,应该回到“零”。所以,这里必须使个位既能完成十进制计数,又能在高低位满足“23”这一数字后,时计数器清零,图中采用了十位的“2”和个位的“4”相与后再清零。

 

 

 

  计数器芯片采用CD4518,CD4518驱动器是与8421BCD编码计数器配合用的七段译码驱动器。CD4518是一个双BCD同步加计数器,由两个相同的同步4级计数器组成。CD4518引脚功能(管脚功能)如下:

1CP:

2CP:时钟输入端。

1CR、2CR:清除端。

1EN、2EN:计数允许控制端。

1Q0~1Q3:计数器输出端。2Q0~2Q3:计数器输出端。Vdd:正电源。Vss:地。

  CD4518是一个同步加计数器,在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器,其功能引脚分别为1~7和9~{15}.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入(1脚或2脚;9脚或10脚),4路BCD码信号输出(3脚~6;{11}脚~{14}脚)。CD4518控制功能:CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发信号由CP输入此时EN端为高电平(1),若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低吨平(0),同时复位端Cr也保持低电平(0),只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。

   将数片CD4518串行级联时,尽管每片CD4518属并行计数,但就整体而言已变成串行计数了。需要指出,CD4518未设置进位端,但可利用Q4做输出端。有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端,结果发现计数变成“逢八进一”了。原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的,其上升沿不能作进位脉冲,只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端,高位计数器的CP端接USS。

 

(4)译码显示部分

 译码是指把给定的代码进行翻译的过程,CD4511七段显示器译码器/译码器IC CD4511是一组用来作为BCD对共阴极LED七段显示器译码的包装。其引脚图,图1与真值表图2所示,其各引脚功能如下:

LT:做灯泡测试用,当LT=0,则不论其它输入状态为何,其输出abcdefg=1111111,使七段显示器全亮,即显示8,以便观测七段显示器是否正常;当LT=1,则正常解码。BI:空白输入控制,当BI=0 (LT 为1 时) 则不论DCBA 之输入为何,其输出皆为0,即七段显示器完全不亮,此脚可供使用者控制仅对有效数据译码,避免在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱LE:数据栓锁致能控制;在CD4511 中,不但具译码功能,更具有数据栓锁的记忆功能,当LE=0 时(LT=1 且BI=1),DCBA 数据会被送入IC 的缓存器中保存,以供译码器码;当LE=1 时,则IC 中的暂存器会关闭,仅保存原来在LE=0 时的DCBA数据供译码器译码。换句话说当LE=1 时,不论DCBA 的输入数据为何,皆不影响其输出,其输出abcdefg 仍保留原来在LE 由0转为1。

真值表
Q4 Q3 Q2 Q1 显示
1 0 0 0
0 0 0 1 1
0 0 1 0 2
0 0 1 1 3
0 1 0 0 4
0 1 0 1 5
0 1 1 1 6

 

(5)校时电路

      校时电路采用按键来实现,由于是全硬件搭建的电路,使用无法采用程序方式来消抖,这里采用硬件消抖,由于在校时的时候是直接给CD4518cp端电平,但是cp端接在前级的清零端上,使用这里采用或门方式,无论是后级送过来的脉冲或者是按钮送过来的都可以给计数器脉冲,达到校准时间的目的。

 

(6)整点报时电路

    当时间到达整点的时候,时钟分钟和秒钟分都为0,然后秒钟的十位为0,个位从0-5,这里先用四输入或非门电路将分钟的十位和个位0信号还有秒钟十位的0信号先获取,这里全01,然后秒钟个位0-5秒分两次叫,0-2发出滴~~4-5发出滴~~3秒会听一下,更符合平常时钟报时的设计,这里我们获取1-24-5的真值表,0001001001000101,将他们通过公式法化简得出结果,然后接入电路,最后需要的是滴滴的间断声,所以最后在输出端通过或门耦合了CD4060的一路2HZ的脉冲,电路展示如下,全部仿真模型将放在附录里面。

ZZ73FGUQ8rmfEYwg0HsxfkntbaNBYY6h2jbFFaem.png

 

(7)显示部分设计

 数码管一般为一位数字加一个小数点,我将第三个数码管与滴五个数码管倒置过来正好达时分秒中间间隔的目的,并且将小数点接如1HZ脉冲用三极管来驱动,中间小数点就达到了1HZ频率闪烁的目的

OE4SP5nIDaFow0n7qFoee6noN2kTJfBvGT3R7Kpk.png

 

对于第三个与第五个数码管与cd4511接线如下
数码管端 CD4511端
a d
b e
c f
d a
e b
f c
g g

6.焊接调试

 

(1)焊接先准备好材料(具体材料见bom表),这样在焊接的时候可以有效的减少焊接调试时间,下面开始焊接,首先将电源电路焊接好,先不焊接其他的,先将电路电源电路和脉冲电路焊接好,电源电路有一个二极管,这个二极管是用肖特基二极管当防反接二极管,推荐采用SS24,SS14,SS34,如果没有可以用普通二极管或者直接用焊锡丝短接,但是如果直接短接一定要注意电解电容不要焊接反,不然会发生爆炸危险,当电源灯亮起时将CD4060芯片及其外围电路焊接好,然后用示波器钩晶振的上面那个引脚,当频率在32768HZ的时候说明晶振起振切工作正常,实际展示如下:

6cePmFNZGgRu7Vd3dicuUFLFR9cHsdz2qQ8yRrq0.png

 

xUZ5V1lZraniyQ3vsYkDa9VjfLy5kWuOafBfDMU1.png

 

(2)下面进行显示部分的焊接调试,首先先将按键电路和74ls0874ls32焊接好,然后将秒钟的CD4518和两个CD5411进行焊接,最后将数码管焊接上去,注意:第三个数码管和第五个数码管在焊接的时候记得反过来。 

 

(3)接下来将时钟和秒钟电路焊接上去,并且上电测试再重复一次,第三个和第五个数码管要反接,要是接错了非常难拆。

xX6En7H3pSDAbdCs1f4b1uPTpK2jmDjKNBiYjcO9.png

(4)整点报时电路焊接,首先先将蜂鸣器驱动电路焊接好,然后用镊子将三极管的b极和地短接,看看蜂鸣器驱动电路可不可以正常使用,然后将剩下的电路焊接完毕,通电测试,测试数码管是否走时正常,按键是否可以调时,蜂鸣器整点报时功能一一测试,全部功能完成代表作品调试完成。

wGmlH729OufLno9naUGYUUXC5F2DHBfZkfJPtAWw.png

 

 

7.实物展示

 

8.调试注意事项

1. 焊接时注意每个引脚都焊接好,因为用了比较多的芯片,也要注意不要将芯片焊反焊错,不要出现虚焊,尤其是测试出问题的时候先检查这些问题。

2. 晶振电容和电阻记得不要参数焊错,不然会导致不起振,如果没有一样的参数的电容电阻可以用差不多大的,但是不能相差太大。

3. 每个芯片旁边的旁路电容和电源电容记得要焊接好,旁路电容为了避免电源信号不稳定的时候出现未知错误,电源电解电容为了避免在供电稳定的时候让电路保持电压稳定。

4. 数码管第三个和第五个记得要反过来接,焊上去就不好拆了。

5. 报时电路在第三秒的时候会停顿一下,为正常现象,设计时候这样设计的。

 

 

3 主要器件

序号 器件名称 数量   序号 器件名称 数量
1 CD4518 3   5 74LS32 1
2 CD4511 6   6 74LS08 1
3 74LS74 1   7 74LS20 3
4 CD4060 1   8 共阴数码管 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

文档

PCB_数码管电子时钟纯硬件

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BOM

ID Name Designator Footprint Quantity
1 SUN-12095-5VPA7.6 BUZZER1 BUZ-TH_BD12.0-P7.60-D0.6-FD 1
2 22pF C1,C2 C0805 2
3 100nF C3,C4 C0805 2
4 SS24 D1 SMA_L4.3-W2.6-LS5.2-RD 1
5 K4-6×6_SMD KEY1,KEY2,KEY3 KEY-SMD_4P-L6.0-W6.0-P3.90-LS10.0 3
6 LED-0805_R LED1 LED0805_RED 1
7 S8550-2TY Q1,Q2,Q3 SOT-23-3_L3.0-W1.7-P0.95-LS2.9-BR 3
8 22M R8 R0805 1
9 510R R1,R10 R0805 2
10 3.2K R2,R11 R0805 2
11 2R R12 R0805 1
12 10K R3,R7,R9,R16 R0805 4
13 SEG-TH_0.56×1_Cathode SEG7,SEG8,SEG9,SEG10,SEG11,SEG12 LED-SEG-TH_10P-L12.6-W19.0-P2.54-S15.24-BL 6
14 SS-12F44-G5 SW1 SW-TH_SS-12F44-G5 1
15 测试点 TP1,TP2,TP3,TP4 TEXT_LCEDA 4
16 M3铜柱 TP5,TP6,TP7,TP8 M3铜柱 4
17 CD4060BM96 U7 SOIC-16_L9.9-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1
18 SN74LS74ADR U8 SOIC-14_L8.7-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1
19 CD4518BE U9,U10,U11,U22,U23,U26 DIP-16_L20.3-W10.2-P2.54-LS10.2-BL 6
20 SN74LS08DR U1,U2,U12 SOIC-14_L8.7-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 3
21 CD4002BM96或非门 U13,U14 SOIC-14_L8.7-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 2
22 CD4069UBD 非门 U15 SOP-14_L8.6-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1
23 XL74LS20 4与门 U16,U17,U18 SOP-14_L8.6-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 3
24 MC74LS32DR2 或门 U19 SOIC-14_L8.7-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1
25 CD4511BM/TR U20,U21,U24,U25,U27,U28 SOP-16_L10.0-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 6
26 USB-Micro_2 USB1 MICRO-USB-SMD_5P_C40957 1
27 32.768KHz X1 OSC-TH_BD3.1-P0.8-D0.3 1

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