0 引 言
本系统采用石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。由LED数码管来显示译码器所输出的信号。采用了74LS系列中小规模集成芯片。使用了RS触发器去抖的校时电路。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能。
系统的工作原理:
振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。
1 设计要求
(1)掌握电子钟的设计,组装与调试方法。
(2)熟悉中、小规模集成电路的使用。
2 设计内容
(1)设计一个具有“秒”、“分”、“时”显示的电子钟(23小时59分59秒)
(2)具有校时功能,分别对“分”、“时”进行校对。
3 设计方案
数字电子钟的逻辑框图如图1所示。它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。
4 单元电路设计、原理及器件选择
4.1 石英晶体振荡器
石英晶体振荡器的特点是频率准确,电路结构简单、频率易调整。
石英晶体振荡器电路如图2所示,利用两个与非门自我反馈,使它们工作在线性状态;然后利用石英晶体JU来控制振荡频率,同时用C1作电容间耦合,两与非输入输出间电阻R1、R2作为负反馈元件、电容C2防止寄生振荡。在输出端得到较稳定的4MHZ脉冲信号。
4.2 分频器
由于石英晶体振荡产生频率很高为4MHz,而电子钟需要秒脉冲,可采用分频电路实现,具体电路如图3所示。先经过1次四分颁,再经过6次十分频,最后得到秒脉冲信号。
这里采用74LS161作为四分频、将74LS161QC连接于74LS192,增计数CPV端。用74LS192作为十分频,将74LS161四分频信号加74LS192 5脚CPV,将进位信号C0连接下一片74LS192的CPV,完成十分频,最后输出1HZ的秒脉冲给计数电路。
4.3 计数器
因为电子钟由秒、分、时组成、分别为60进制和24进制。
(1)60进制计数器,电路如图4所示。74LS192为十进制计数器,C0为进位端,74LS161为二进制计数器和与非门组成六进制计数,当74LS161计数至6(110)时,与非门发出清零信号使74LS161清零。同时74LS192也清零,完成60进制计数。秒和分的计数器结构完全相同。当秒的十位在清零时也同时向分的个位发一个脉冲,使分加1。
( 2)二十四进制计数器。二十四进制计数,由74LS161和74LS192组成,将74LS161的QB与74LS192的QC作为与非门输入端,当74LS161加至2(010)时,74LS192加至4(100)时与非门发出清零信号使74LS161和74LS192同时清零,实现二十四进制计数。电路如图5所示。
4.4 译码与显示电路
译码是把给定的代码进行翻译,本设计即是将时、分、秒计数器输出的四位二进制数代码翻译为相应的十进制数,并通过显示器显示,通常显示器与译码器是配套使用的。我们选用的七段译码驱动器(74LS47)和数码管(LED)是共阳接法。译码显示电路如图6所示。
4.5 校时电路
当电子钟接通电源或者计时发现误差时,均需要校正时间。校时电路分别实现对时、分的校准,由于4个机械开关具 有抖动现象,因此用RS触发器作为去抖动电路。采用RS基本触发器及单刀双掷开关,闸刀常闭于2点,每搬动一次产生一个计数脉冲,实现校时功能。电路如图7所示。
4.6 调 试
本次设计,在进行实验调试过程中,采用了分级调试方法,对各部分电路遵循调试一部分、安装焊接一部分的原则,取得了较好的效果。
在调试校时电路过程中,发现了一接校时开关,尚未开始调节时便自然增加一个数的情况。通过分析可知,由于74LS192为上升沿有效,而Q端先输出高电平,若改用Q-端,则排除了脉冲间隔造成的错误计数,并且充分利用了RS触发器的去抖功能。
具体调试步骤及方法:
(1)用示波器检测石英晶振的输出信号波形和频率、输出频率应为4MHZ。
(2)将4MHZ信号送入分频器,用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合要求。
(3)将1HZ秒脉冲分别送入时,分、秒计数器检查各级计数器的工作情况。
(4)观察校时电路的功能是否满足要求。
(5)当分频器和计数器调试正常后,观察电子钟是否准确、正常地工作。
4.7 系统操作方法
系统上电后,LED数码管显示累加的秒脉冲秒显示每累加至59后回零向分进1,分计数器也为60进制,进行正常计数。需进行校时时,只需把校时按纽开关搬到校时位置即可。用手动开关加单脉冲进行调整,调整之后,把校时开关还原即可。
4.8 误差分析
由测试可知,系统在运行时有一定的误差,其原因是晶体振荡的特点所决定的,同时与芯片的内部结构有关。有时会出现跳字现象,解决这些误差的方法是提高石英晶体振荡器的稳定性及使用精度较高的电容等。
4.9 元器件的选择
(1)可预置的二～十进制加/减74LS192计数器。
(2)可预置的同步二进制计数器74LS161
(3)BCD七段译码器 74LS47
(4)与非门74LS00
(5)反相器74LS04
(6)共阳数码管LED
(7)晶体振荡器4MHZ
(8)电阻电容若干
(9)单刀双掷开关
5 绘制整机原理图
根据方案3的框图和设计各部分原理图,绘制出整机原理图
综上所述,该系统的设计,安装、调试工作全部完成。设计元器件的选择不是唯一的,还可选用CMOS系列器件,这里不再赘述。
参考文献
1 康华光.电子技术基础(数字部分).第三版.北京:高等教育出版社,1988.197～253
2 孙文杰等.标准集成电路数据手册-TTL电路(增补本).北京:电子工业出版社,1994.9
3 毕满清等.电子技术实验与课程设计.北京:机械工业出版社,1995.131～132
本文作者：赵淑范 于秀霞 张玲霞
