基于VHDL语言的自动响铃数字钟设计
一.导言
(一)导言
20世纪末，电子技术取得了飞速发展。在它的带动下，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地促进了社会生产力的发展和社会信息化水平的提高。与此同时，现代电子产品的性能进一步提高，产品更新换代的步伐越来越快。
时间对人来说总是那么宝贵，工作的忙碌和复杂很容易让人忘记当前的时间。忘记做什么，事情不是很重要的时候，这种忘记是无伤大雅的。但是，一旦有重要的事情发生，一时的耽搁可能会酿成大祸。例如，许多火灾是由于人们忘记关煤气或忘记充电时间引起的。尤其是在医院，每次护士都会给病人做皮试，检测病人是否对药物过敏。注射后，一般要等5分钟。一旦时间到了，皮试就失效了。手表当然是个不错的选择，但是随着做皮试的人增多，很难判断谁的皮试到了。因此，我们应该制定一个计时系统。随时提醒这些忘记时间的人。
钟表的数字化给人们的生产生活带来了极大的便利，大大扩展了钟表原有的报时功能。如定时自动报警、定时自动振铃、定时程序自动控制、定时广播、定时开关电路、定时开关烤箱、开关电源设备，甚至各种定时电的自动启动等。，这一切都是基于钟表的数字化。因此，研究数字钟并拓展其应用具有重要的现实意义。
(2)论文的研究内容和结构安排。
该系统由石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和时间校正电路组成。解码器输出的信号由LED数码管显示。采用74LS系列中小型集成芯片。一种使用RS触发器的时间校准电路。总体方案设计由主电路和扩展电路两部分组成。主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。本文安排如下:
1.引言阐述了研究电子钟的现实意义。
2、设计内容和设计方案论述了电子钟的具体设计方案和设计要求。
3.单元电路的设计、原理和器件选择主要从石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器、时间校正电路五个方面来阐述电子钟的设计原理和器件选择。
4.画出整机的原理图。系统的设计、安装和调试已经全部完成。
二、设计内容和设计方案
(一)设计内容要求
1.设计一个具有“时”、“分”、“秒”(23小时59分59秒)显示和时间调整功能的电子钟。
2.电子钟由中小型集成电路组成，在实验箱上组装调试。
3.画出框图和逻辑电路图。
4.功能扩展:
(1)闹钟系统
(2)报时。59分51秒53秒55秒57秒输出750Hz音频信号，59分59秒输出1000Hz信号，视听时长1秒，1000Hz视听结束时间为整点。
(3)日历系统。
(2)设计方案和工作原理
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、解码显示器和定时校正电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号作为数字钟的时间基准，然后通过分频器输出标准的秒脉冲。秒计数器到60时，结转到分计数器，分计数器到60时，结转到小时计数器，按照“24转1”的规则计数。计数器的输出分别通过解码器发送到显示器。当计时出现错误时，计时电路可用于校准时间和分钟。
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
(1)石英晶体振荡器
1，重要概念的解释
(1)反馈:放大电路的部分或全部输出以一定的方式送回放大电路的输入端。
(2)耦合:指信号从第一级传递到第二级的过程。
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，频率调节容易。广泛应用于彩电、电脑、遥控器等各种振荡电路中。它还具有压电效应:当在晶体的某一方向施加电场时，晶体会发生机械变形；相反，如果在晶片的两面施加机械压力，就会在晶片的相应方向产生电场，这就是所谓的压电效应的物理现象。这里我们在晶体的某个方向上加一个电场，从而在垂直于这个方向的方向上产生机械振动。有了机械振动，就会在相应的垂直面内产生电场，这样机械振动和电场互为因果。这个循环过程一直持续到晶体的机械强度达到极限，最后稳定下来。这种压电谐振的频率是晶体振荡器的固有频率。
由反相器和应时晶体组成的振荡器电路如图2所示。利用两个非门G1和G2的自反馈使其工作在线性状态，然后用应时晶振控制振荡频率。同时，电容C1作为两个非门之间的耦合，并联在两个非门输入输出之间的电阻R1和R2作为负反馈元件。由于反馈电阻很小，可以近似认为非门的输出和输入压降相等。电容C2用于防止寄生振荡。例如，如果电路中应时晶体的振荡频率为4MHz，则电路的输出频率为4MHz。
图2应时晶体振荡电路
(2)分频器
1，8421码制，5421码制。
四位二进制码的十六种组合作为编码，取十种组合代表0-9的十个数字符号。通常用四个二进制数字代表一个十进制数字称为二进制-十进制编码，也叫BCD码，如表1所示。
表1
8421代码5421代码
0 0000 0000
1 0001 0001
2 0010 0010
3 0011 0011
4 0100 0100
5 0101 1000
6 0110 1001
7 0111 1010
8 1000 1011
9 1001 1100
2.分频器的具体工作原理。
由于石英晶体振荡器产生的频率很高，需要用分频电路来获得秒脉冲。比如一个振荡器输出一个4MHz的信号，经过D触发器(74ls 74)4分频变成1MHz，然后送到10分频计数器(74LS90，可以被8421码或5421码分频)分六次。(参见图3)
图3分频电路
3、图中标志的含义
CP-输入脉冲信号
C0进位信号
q输出脉冲信号
(3)计数器
秒脉冲信号通过六个计数器，分别获得“秒”位、十位、“分”位和十位以及“时”位和十位的定时。“秒”和“分”计数器是十六进制的，小时是十六进制的。
1，十六进制计数器
(1)计数器按触发模式分类。
计数器是累积时钟脉冲数的逻辑组件。计数器不仅用于计数时钟脉冲，还用于计时、分频、产生拍脉冲和数字运算。计数器是应用最广泛的逻辑元件之一。根据触发方式，计数器分为同步计数器和异步计数器。对于同步计数器，当输入时钟脉冲时，触发器同时翻转，而异步计数器中的触发器则不翻转。
(2)十六进制计数器的工作原理。
“秒”计数电路和“分”计数电路均为十六进制，由一个一级10十进制计数器和一个一级十六进制计数器组成。如图4所示，“秒”和“分”计数器由两个串联的中型集成电路74LS90组成。
图4 60进制计数电路
IC1是十进制计数器，QD1是十进制进位信号，74LS90计数器是十进制异步计数器。十进制计数通过反馈归零实现，IC2和与非门组成十六进制计数。74LS90为CP信号的下降沿，Q A1和Q C2相0101的下降沿作为“分”(“时”)计数器的输入信号，通过与非门和与非门(输出电平始终为低电平0)向下一个计数器发送高电平1。Q B2和Q C2计数到0110，产生的高电平1分别送到74LS90中的归零R0(1)、R0(2)、R0(1)、R0(2)，使计数器归零，然后送到下一级计数器。可以看出IC1和IC2串联实现了六进制计数。
其中:74LS90——可被2/5整除的十进制计数器。
74LS04——不是门
74LS00——两输入与非门
2，24十进制计数器
小时计数电路是由IC5和IC6组成的24位计数电路，如图5所示。
当第10个触发信号来自时位IC5的计数输入端CP5时，IC5计数器自动清零，进位端QD5向IC6时位计数器输出进位信号。当第24小时(来自分钟计数器的进位信号)脉冲到达时，IC5计数器的状态为“0100”。分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0(1)和R0(2)，然后通过7490中R0(1)和R0(2)的NOR清零，完成24位计数。
图5 24进制计数电路
(4)解码和显示电路
1，显示原理(数码管)
数码管是数字显示器的俗称。常用的数字显示器有半导体数码管、荧光数码管、辉光数码管和液晶显示器。
本设计选用半导体数码管，是由发光二极管(简称LED)组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，组成半导体数码管。半导体数码管有两种:阳极和阴极。* * *阳极数码管的七个发光二极管的阳极连在一起，而七个阴极是独立的。* * *阴极数码管与* * *阳极数码管相对。七个发光二极管的阴极连在一起，但阳极是独立的。
当阳极数码管的一个阴极接低电平时，对应的二极管发光，可以使某段二极管按字体发光，所以阳极数码管需要输出一个低电平有效的解码器来驱动。* * *阴极数码管需要输出一个高电平有效的解码器来驱动。
2.解码器原理(74LS47)
解码是编码的逆过程。它“翻译”编码时赋予代码的含义。实现解码的逻辑电路就变成了解码器。解码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是低电平输出的七段字形解码器，这里和数码管一起使用。表2列出了74LS47的真值表，显示了它与数码管的关系。
表2
输入输出显示数字符号
LT(——)RBI(——-)A3 A2 a 1 A0 BI(——)/RBO(——)
a(—) b(—) c(—) d(—) e(—) f(—) g(—)
1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0
1 X 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1
1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2
1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 3
1 X 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 4
1 X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 5
1 X 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 6
1 X 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 7
1 X 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 8
1 X 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 9
x x x x x 0 1 1 1 1 1 1出局。
1000001 1 1 1 1 1 1出局。
0 X X X X X 1 0 0 0 0 0 0 8
(1)LT(——):设置测试灯输入，检查数码管各段能否正常发光。当lt (-) = 0时，无论输入A3、A2、A1和A0的状态如何，解码器输出都为低，如果被驱动的数码管正常，则显示8。
(2) Bi (-):熄灯输入，用于控制多位数字显示的熄灯。当bi (-) = 0时。无论LT(——)和输入A3、A2、A1、A0是什么状态，解码器输出都是高电平，关闭阳极数码管。
(3) RBI (——):置零输入，设置为消除不需要的0。当每个位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但在RBI (-) = 0的作用下，解码器输出全部为高电平。结果和加灭灯信号的结果一样，0会熄灭。
(4) RBO (——):出零输出，与Bi (——) * *连接作为出光输入，一起使用可实现多位数字显示的出零控制。
3.解码器和显示器的配合使用
解码就是翻译给定的代码。本设计是将时、分、秒计数器输出的四位二进制码翻译成相应的十进制数，通过显示器显示出来。通常，显示器和解码器一起使用。我们选用的七段解码器驱动器(74LS47)和数码管(LED)是* * *阳极连接(需要低电平输出的解码器驱动器)。解码显示电路如图6所示。
图6解码显示电路
(5)定时电路
1，RS触发器(见图7)
图7基本RS触发器
R(—) S(—)
Q Q(—)
说清楚
0 1
1 0
1 1
0 0 0
1
0或1
1 1
1或0
1被设置为0
设置1
保持原状
异常状态，0信号消失后，触发器状态不确定。
2、开关电路无震颤
无抖动开关电路原理:(见图8)当开关K转到1时，S(—)=0，R(—)=1，触发器设为1。当S (-)端子由于开关K的颤动而间歇性接地几次时，没有影响。触发器设置为1后，1的状态不变。因为K震颤只使S (-)端离开地，而不使R (-)端离开地，所以触发器被可靠地置为1。
当开关K从S (-)端拉至R (-)端时，具有相同的效果，触发器可靠地设置为0。开关的动作从Q端或Q (-)端反映出来，输出电平稳定。
3.时间校准电路的实现原理。
当电子钟接通电源或发现计时错误时，需要进行校正。时间校准电路分别实现时间和分钟的校准。由于四个机械开关都有抖动现象，所以采用RS触发器作为去抖动电路。采用RS基本触发器和单刀双掷开关，刀在2点钟位置常闭，每移动一次产生一个计数脉冲，实现时间调整功能。电路如图8所示。
图8定时电路
(6)调试
毕等。电子技术实验与课程设计。北京:机械工业。
出版社，1995.131 ~ 132
这本书是完整的。