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数字电子钟的设计原理 数字电子钟的设计 一、 绪论 （一）引言 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地 推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换 代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当 事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。例如，许 多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试， 测试病人是否对药物过敏。注射后，一般等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。手表当然是 一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。所以，要制作 一个定时系统。随时提醒这些容易忘记时间的人。 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动 报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚 至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用， 有着非常现实的意义。 （二）论文的研究内容和结构安排 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。论文安排如下： 1、绪论 阐述研究电子钟所具有的现实意义。 2、设计内容及设计方案 论述电子钟的具体设计方案及设计要求。 3、单元电路设计、原理及器件选择 说明电子钟的设计原理以及器件的选择，主要从石英晶体振荡器、分 频器、计数器、显示器和校时电路五个方面进行说明。 4、绘制整机原理图 该系统的设计、安装、调试工作全部完成。 二、设计内容及设计方案 （一）设计内容要求 1、设计一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示且有校时功能的电子钟。 2、用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试。 3、画出框图和逻辑电路图。 4 、功能扩展： (1)闹钟系统 (2)整点报时。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频信号，在59分59秒时，输出1000Hz 信号，音像持续1秒，在1000Hz音像结束时刻为整点。 (3)日历系统。 （二）设计方案及工作原理 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。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。 图1 数字电子钟逻辑框图 三、单元电路设计、原理及器件选择 （一）石英晶体振荡器 1、重要概念的解释 (1) 反馈：将放大电路输出量的一部分或全部，通过一定的方式送回放大电路的输入端。 (2) 耦合：是指信号由第一级向第二级传递的过程。 2、石英晶体振荡器的具体工作原理 石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。它被广泛应用于彩电、计算机、遥 控器等各类振荡电路中。它还具有压电效应：在晶体某一方向加一电场，晶体就会产生机械变形；反之， 若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。在这里， 我们在晶体某一方向加一电场，从而在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直 面上产生电场，从而使机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时，才达 到最后稳定，这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。 用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图2所示。利用两个非门G1和G2 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，同时用电容C1来作为两个非门之间的耦合，两个非门输入和输出之间并接的电阻R1和R2作为负反馈元件用，由于反馈电阻很小，可以近似认为非门的输出输入压 降相等。电容C2是为了防止寄生振荡。例如：电路中的石英晶体振荡频率是4MHz时，则电路的输出频率为4MHz。 图2 石英晶体振荡电路 (二)分频器 1、8421码制,5421码制 用四位二进制码的十六种组合作为代码，取其中十种组合来表示0-9这十个数字符号。通常，把用四位二 进制