13分频记数器原理

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，希望能够帮助到您 。

所谓“分频 ”，就是把输入信号的频率变成成倍数地低于输入频率的输出信号
。文献资料上所谓用计数器的方法做“分频器
”的方法 ，只是众多方法中的一种。它的原理是：把输入的信号作为计数脉冲，由于计数器的输出端口是按一定规律输出脉冲的
，所以对不同的端口输出的信号脉冲，就可以看作是对输入信号的”分频“ 。至于分频频率是怎样的 ，由选用的计数器所决定。如果是十进制的计数器那就是十分频
，如果是二进制的计数器那就是二分频，还有四进制、八进制 、十六进制等等
。以此类推。

使用计数器来做分频 ，首先计数 。例如采用16计数器
。每来一次外部时钟
，记一次数，当计数到16时 ，计数器输出一个方波。然后重新计数 。当再次达到16时再次输出
，这样就形成了16分频
。

当采用不同计数器就可以实现不同分频。但是采用单一计数器只能实现整数分频，不能进行小数分频 。

基于VHDL语言的自动打铃数字钟设计

载波若不是正弦 ，就会有很多谐波
，这样，就会干扰其他接收设备 ，本身的发射能量也得不到最大利用
。

载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。载波信号
，就是把普通信号（声音
、图象）加载到一定频率的高频信号上，在没有加载普通信号的高频信号时 ，高频信号的波幅是固定的
，加载之后波幅就随着普通信号的变化而变化（调幅），还可以调相 ，调频 。载波信号一般要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽
，否则会发生混叠，使传输信号失真
。

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 ，把用四位二进制数码来表示一位十进制数称为二-十进制编码，也叫做BCD码
，见表1 。

表1

8421码 5421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，要得到秒脉冲 ，需要用分频电路
。例如
，振荡器输出4MHz信号，通过D触发器（74LS74）进行4分频变成1MHz,然后送到10分频计数器（74LS90,该计数器可以用8421码制 ，也可以用5421码制）
，经过6次10分频而获得1Hz方波信号作为秒脉冲信号。（见图3）

图3 分频电路

3、图中标志的含义

CP——输入的脉冲信号

C0——进位信号

Q——输出的脉冲信号

(三)计数器

秒脉冲信号经过6级计数器，分别得到“秒 ”个位 、十位 ，“分
”个位
、十位以及“时”个位、十位的计时 。“秒 ” 、“分
”计数器为60进制
，小时为24进制。

1、60进制计数器

(1) 计数器按触发方式分类

计数器是一种累计时钟脉冲数的逻辑部件
。计数器不仅用于时钟脉冲计数，还用于定时
、分频、产生节拍脉冲以及数字运算等。计数器是应用最广泛的逻辑部件之一 。按触发方式 ，把计数器分成同步计数器和异步计数器两种
。对于同步计数器
，输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的，而异步计数器中的触发器的翻转则不是同时。

(2)60进制计数器的工作原理

“秒”计数器电路与“分 ”计数器电路都是60进制 ，它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成，如图4所示
，采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“秒
” 、“分”计数器 。

图4 60进制计数电路

IC1是十进制计数器，QD1作为十进制的进位信号 ，74LS90计数器是十进制异步计数器
，用反馈归零方法实现十进制计数，IC2和与非门组成六进制计数
。74LS90是在CP信号的下降沿翻转计数 ，Q A1和 Q C2相与0101的下降沿
，作为“分 ”（“时
”）计数器的输入信号，通过与非门和非门对下一级计数器送出一个高电平1（在此之前输出的一直是低电平0）。Q B2 和Q C2计数到0110 ，产生的高电平1分别送到计数器的清零R0(1)
， R0(2)，74LS90内部的R0(1)和R0(2)与非后清零而使计数器归零 ，此时传给下一级计数器的输入信号又变为低电平0
，从而给下一级计数器提供了一个下降沿，使下一级计数器翻转计数 ，在这里IC2完成了六进制计数 。由此可见IC1和 IC2串联实现了六十进制计数
。

其中：74LS90——可二/五分频十进制计数器

74LS04——非门

74LS00——二输入与非门

2
、24进制计数器

小时计数电路是由IC5和IC6组成的24进制计数电路，如图5所示。

当“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发信号时
，IC5计数器自动清零，进位端QD5向IC6“时 ”十位计数器输出进位信号 ，当第24个“时”(来自“分
”计数器输出的进位信号)脉冲到达时
，IC5计数器的状态为“0100”，IC6计数器的状态为“0010 ” ，此时“时
”个位计数器的QC5和“时”十位计数器的QB6输出为“1 ” 。把它们分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0(1)和R0(2)
，通过7490内部的R0(1)和R0(2)与非后清零，从而完成24进制计数
。

图5 24进制计数电路

(四) 译码与显示电路

1、显示器原理（数码管）

数码管是数码显示器的俗称。常用的数码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等 。

本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（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
，便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型
。共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反 ，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的 。

当共阳极数码管的某一阴极接低电平时
，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光 ，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动
。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。

2 、译码器原理（74LS47）

译码为编码的逆过程 。它将编码时赋予代码的含义“翻译
”过来
。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系 。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器
，它在这里与数码管配合使用，表2列出了74LS47的真值表 ，表示出了它与数码管之间的关系
。

表2

输 入 输 出 显示数字符号

LT(——) RBI(——-) A3 A2 A1 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 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1

1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2

1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3

1 X 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 4

1 X 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 5

1 X 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 6

1 X 0 1 1 1 1 0 0 0 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 1 0 0 0 1 1 0 0 9

X X X X X X 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭

1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭

0 X X X X X 1 0 0 0 0 0 0 0 8

(1)LT(——)：试灯输入
，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT(——)=0时，无论输入A3  ，A2 
，A1 ，A0为何种状态 ，译码器输出均为低电平
，若驱动的数码管正常，是显示8 。

(2)BI(—)：灭灯输入 ，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的
。BI(—)=0时。不论LT(——)和输入A3 ，A2
，A1，A0为何种状态 ，译码器输出均为高电平
，使共阳极数码管熄灭 。

(3)RBI(——-)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时 ，本应显示0
，但是在RBI(——-)=0作用下，使译码器输出全为高电平
。其结果和加入灭灯信号的结果一样 ，将0熄灭。

(4)RBO(———)：灭零输出
，它和灭灯输入BI(—)共用一端，两者配合使用 ，可以实现多位数码显示的灭零控制 。

3
、译码器与显示器的配套使用

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）是共阳极接法（需要输出低电平有效的译码器驱动）。译码显示电路如图6所示 。

图6 译码显示电路

（五）校时电路

1
、RS触发器（见图7）

图7 基本RS触发器

R(—) S(—)

Q Q(—)

说 明

0 1

1 0

1 1

0 0 0

1

0或1

1 1

0

1或0

1 置0

置1

保持原来状态

不正常状态，0信号消失后
，触发器状态不定

2、无震颤开关电路

无震颤开关电路的原理：（见图8）当开关K的刀扳向1点时，S(—)=0 ，R(—)=1
，触发器置1
。S(—)端由于开关K的震颤而断续接地几次时，也没有什么影响 ，触发器置1后将保持1状态不变。因为K震颤只是使S(—)端离开地
，而不至于使R(—)端接地，触发器可靠置1 。

当开关K从S(—)端扳向R(—)端时 ，有同样的效果
，触发器可靠置0
。从Q端或Q(—)端反映开关的动作，输出电平是稳定的。

3 、校时电路的实现原理

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个机械开关具有震颤现象，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8所示。

图8 校时电路

（六）调 试

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

这本书上很全

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