一、計(jì)時(shí)器的基本工作原理

計(jì)時(shí)器一般由振蕩器,、計(jì)數(shù)器,、譯碼器、顯示器等幾部分組成,。其中振蕩器組成標(biāo)準(zhǔn)的秒信號(hào)發(fā)生器,，由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計(jì)時(shí)系統(tǒng),。秒信號(hào)送入計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù),，把累計(jì)的結(jié)果“時(shí)”、“分”,、“秒”的數(shù)字顯示出來(lái),。“時(shí)”顯示由二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器、譯碼器,、顯示器構(gòu)成,，“分”、“秒”顯示分別由六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成,。其原理圖如圖1-1

                 圖1-1計(jì)時(shí)電路結(jié)構(gòu)框圖

1.設(shè)計(jì)步驟：

1.1振蕩器

振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度,，一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高

方案一：采用由555集成電路與RC組成多諧振蕩器，以產(chǎn)生符合要求的振蕩脈沖,。

方案二：采用由石英晶體與邏輯門(mén)及RC組成的多諧振蕩電路,，以產(chǎn)生符合要求的振蕩脈沖,。

方案二采用石英晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖頻率穩(wěn)定度高且精度很高,，適宜于作為要求高精度的時(shí)鐘基準(zhǔn)脈沖，作為振蕩器電路,。方案一產(chǎn)生的脈沖頻率穩(wěn)定度相對(duì)不高,，但在要求不是很高的情況，可以采用方案一,?？紤]到市場(chǎng)方面的原因，石英晶體震蕩不宜采用,，這里我們采用方案一,。

原理圖如圖1-2

                                  圖1-2 振蕩器原理圖

輸出波形為圖1-3

                           圖1-3 1HZ脈沖波形

這里選用由555構(gòu)成多諧震蕩器，輸出頻率為fo=

由 f= ,；

其中C=C2=100uf,

得到 R1=4.5K,；R2=5K；

為了能使得到的頻率為1HZ更精確,，電阻均用阻值為10K的可調(diào)電阻,。

1.2計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)

任務(wù)分析：24小時(shí)計(jì)時(shí)器需用3個(gè)計(jì)時(shí)電路，分別為時(shí)計(jì)時(shí)電路,、分計(jì)時(shí)電路和秒計(jì)時(shí)電路,。根據(jù)計(jì)時(shí)要求，時(shí)計(jì)時(shí)電路應(yīng)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器,，分計(jì)時(shí)電路和秒計(jì)時(shí)電路應(yīng)為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器,。計(jì)時(shí)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-4所示。

                     圖1-4計(jì)時(shí)電路結(jié)構(gòu)框圖

①    秒計(jì)時(shí)器：輸入1HZ的CP脈沖信號(hào),，當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)值達(dá)到最大值“9”時(shí),，向十位計(jì)數(shù)器輸送1個(gè)進(jìn)位，當(dāng)十位計(jì)數(shù)器達(dá)到“5”時(shí),，同時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器達(dá)到“9”時(shí),，向分計(jì)時(shí)電路輸出1個(gè)CP脈沖，并將計(jì)數(shù)器清零,。

②    分計(jì)時(shí)器：接收秒計(jì)時(shí)電路送來(lái)的CP脈沖信號(hào),，當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)值達(dá)到最大值“9”時(shí)，向十位計(jì)數(shù)器輸送1個(gè)進(jìn)位,，當(dāng)十位計(jì)數(shù)器達(dá)到“5”時(shí),，同時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器達(dá)到“9”時(shí)，向計(jì)時(shí)電路輸出1個(gè)CP脈沖,，并將計(jì)數(shù)器清零,。

③    時(shí)計(jì)時(shí)電路：接收分計(jì)時(shí)電路送來(lái)的CP脈沖信號(hào)，當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)值達(dá)到最大值“9”時(shí)，想十位計(jì)數(shù)器輸送1個(gè)CP脈沖,，當(dāng)十位計(jì)數(shù)器達(dá)到“2”,，同時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)值為“3”時(shí)，將計(jì)數(shù)器清零,。

計(jì)時(shí)器電路設(shè)計(jì)可參考圖1-5所示邏輯電路

  圖1-5  24進(jìn)制計(jì)時(shí)器邏輯電路圖

1.3譯碼器和顯示管

從數(shù)字鐘計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)為8421BCD代碼,，需要經(jīng)一馬辦成七段字形代碼，用七段數(shù)碼管顯示出來(lái),。

七段數(shù)碼管分共陰,、共陽(yáng)兩種，這里選用共陰數(shù)碼管SM4205,。由于采用靜態(tài)方式顯示,，每個(gè)數(shù)碼管必須有一個(gè)對(duì)應(yīng)的譯碼器將8421BCD代碼譯成七段十進(jìn)制字形顯示信號(hào)。1位譯碼顯示電路的原理如圖 1-6

                    圖1-6 顯示電路

1.4校時(shí)電路設(shè)計(jì)（如圖1-7）

任務(wù)分析：校時(shí)電路的作用是在電源剛啟動(dòng)時(shí),，對(duì)計(jì)時(shí)器進(jìn)行時(shí),、分、秒的校準(zhǔn),?？赏ㄟ^(guò)控制各計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。

方案建議：參考校時(shí)電路如圖1-7所示,。校時(shí)和計(jì)時(shí)的切換用雙擲開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn),。

① 校秒：K1接至“校時(shí)”位，K2,、K3均接至“計(jì)時(shí)”位,，門(mén)G5、G4,、G2的輸出均為1,，門(mén)G3輸出2Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，通過(guò)門(mén)G1送至秒個(gè)位計(jì)數(shù)器CP端,。采用頻率為2Hz的時(shí)鐘脈沖,，目的是加快校秒的速度。

② 校分：K2接至“校時(shí)”位,，K1,、K3接至“計(jì)時(shí)”位，門(mén)G4打開(kāi),，輸出1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)送至分個(gè)位計(jì)數(shù)器,。

④    校時(shí)：K3接至“校時(shí)”位，K1,、K2接至“計(jì)時(shí)”位,，門(mén)G5輸出1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào),，送至?xí)r個(gè)位計(jì)數(shù)器。

                         圖1-7校時(shí)電路

1.5數(shù)字鐘總原理圖如圖1-8及元件清單

                 圖1-8 計(jì)時(shí)器總電路圖

1.51．元件清單

1.52仿真圖

                     圖1-9 計(jì)時(shí)器秒仿真圖

                          圖1-10 計(jì)時(shí)器分仿真圖

                    圖1-11 計(jì)時(shí)器時(shí)仿真圖

二,、系統(tǒng)安裝與調(diào)試

2.1電路板功能的實(shí)現(xiàn)

（1）將555定時(shí)器調(diào)制好使輸出為1HZ的脈沖信號(hào),；

（2）將輸出的脈沖信號(hào)接到計(jì)秒電路的CP端，當(dāng)計(jì)秒電路顯示管為59時(shí),，產(chǎn)生進(jìn)位接到計(jì)分電路CP端,，同時(shí)對(duì)計(jì)秒電路清零，當(dāng)計(jì)分電路顯示管為59時(shí),，產(chǎn)生進(jìn)位接到計(jì)時(shí)電路，同時(shí)對(duì)計(jì)分電路清零,，當(dāng)計(jì)時(shí)電路顯示管顯示為23時(shí),，同時(shí)計(jì)時(shí)電路、計(jì)秒電路顯示管均為59時(shí),，實(shí)現(xiàn)全部清零,，按上述步驟重新開(kāi)始計(jì)時(shí)；

（3）在計(jì)時(shí)電路正常工作時(shí)校正電路一定要打到計(jì)時(shí)那端,；

2.2性能測(cè)試與分析

接通電源,，數(shù)碼管顯示數(shù)字從000000開(kāi)始，秒,、分,、時(shí)顯示正確，在輸入為1Hz的時(shí)鐘脈沖下經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)照,，秒計(jì)時(shí)的周期為1秒鐘,。顯示管顯示秒、分,、時(shí)進(jìn)位正確,。數(shù)字從000000一直進(jìn)位到235959后回到0000000。

手動(dòng)校時(shí)功能正確,，兩者不相影響,。時(shí)間回歸到000000，說(shuō)明計(jì)時(shí)清零功能正常,。

整個(gè)性能測(cè)試結(jié)束,，各項(xiàng)要求都已達(dá)到。這次課程設(shè)計(jì)取得圓滿(mǎn)成功,。

2.3結(jié)論心得與體會(huì)

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)知道,，計(jì)時(shí)器不是僅僅只含計(jì)時(shí)電路，還包含振蕩器,、顯示器,、校正電路,。

（2）本次課程設(shè)計(jì)中主要用到的是24進(jìn)制和60進(jìn)制。計(jì)數(shù)器需要我們能充分掌握同步和異步之間的區(qū)別,，以及置數(shù)和清零的區(qū)別,。通過(guò)對(duì)它們的正確理解使得正確實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)制。

（3）用74LS160芯片組成計(jì)時(shí)電路時(shí),，需要用6個(gè)此芯片,，兩兩芯片組成秒、時(shí),、分電路,。由于整體置零法不僅可靠性較差，而且往往還要另加譯碼電路才能得到需要的進(jìn)位輸出信號(hào),，為了避免置零法的缺點(diǎn),，計(jì)時(shí)電路才用整體置數(shù)法?？紤]計(jì)秒電路,，74160為十進(jìn)制，因?yàn)槊氲氖粸榱M(jìn)制,，所以要改變進(jìn)制就要進(jìn)行改造,，芯片2的QD Qc QB QA當(dāng)輸出為0110時(shí)，與非門(mén)輸出為0,，清零端使芯片清零,。芯片3、4構(gòu)成分計(jì)時(shí)器,，原理和秒計(jì)時(shí)器一樣,。芯片5、6構(gòu)成時(shí)計(jì)時(shí)器,，由于時(shí)為24進(jìn)制,，所以，當(dāng)芯片5的QB為1并且芯片6的Qc為1時(shí)此時(shí)應(yīng)讓芯片強(qiáng)制清零,。所以連接一個(gè)與非門(mén),，在這個(gè)條件成立時(shí)，與非門(mén)的輸出將使芯片強(qiáng)制清零,，計(jì)分,、計(jì)時(shí)電路同理。

（4）計(jì)時(shí)器有6位數(shù)字需要顯示,，用普通的一個(gè)輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)譯碼驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)數(shù)碼管的靜態(tài)顯示方法,，那么僅七端碼輸出就需要多達(dá)42個(gè)I/O口和數(shù)碼管連線(xiàn)，所以此電路應(yīng)進(jìn)行改進(jìn),。用硬件實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器功能,，發(fā)現(xiàn)這個(gè)電路過(guò)于復(fù)雜,，光芯片就多達(dá)20多快，還有6個(gè)數(shù)碼管,，考慮到大量芯片集成于一塊電路板,，電路內(nèi)部易產(chǎn)生干擾；電路過(guò)于復(fù)雜,，在焊接的過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生虛焊等焊接錯(cuò)誤,，這就要求能使用單片機(jī)，所以在以后的學(xué)習(xí)中要努力學(xué)好與電路設(shè)計(jì)有關(guān)的軟件,，并要正握單片機(jī)的使用,。

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)這次數(shù)字鐘的設(shè)計(jì),，讓我深深感受到了數(shù)字電路的重要性和實(shí)用性,，也加深了對(duì)計(jì)時(shí)器內(nèi)部電路的認(rèn)識(shí)，大大提高我們的邏輯思維能力,，使我們?cè)诜治鲭娐泛驮O(shè)計(jì)電路時(shí)，正確把握元器件的使用,。同時(shí)在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí),，加深了我們對(duì)組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的認(rèn)識(shí)。在實(shí)驗(yàn)碰到一些問(wèn)題軟件中找不到使用的器件,、有些管腳不清楚,、方案不確定等，但是經(jīng)過(guò)思考,，查閱資料和跟同學(xué)討論研究后,，總能解決問(wèn)題并提出最佳方案，或?qū)υ蟹桨缸顑?yōu)化,。讓我們深深得體會(huì)到了合作精神的重要性,。所以通過(guò)這次設(shè)計(jì)，不僅加強(qiáng)了我們對(duì)課本知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活中的能力,，還學(xué)到了不少新知識(shí),，鍛煉了獨(dú)立思考與合作處理問(wèn)題的能力，積累了新經(jīng)驗(yàn),，這些都無(wú)疑使我受益深遠(yuǎn),。

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