数字时钟综述【文献综述】

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毕业论文文献综述电子信息工程数字时钟综述摘要：在现代科技不断发展中，数字钟已经成为人们日常生活中不可缺少的生活必需品。数字钟具有走时准确、性能稳定、显示直观、附加功能多等优点，使它广泛的应用于个人家庭以及车站、码头、剧院、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。关键字：数字钟；优点1.各种计时工具的发展在人类社会早期对时间没有精确的计量，只能用“太阳出山”“鸡叫三遍”“月挂树梢”等模糊概念计时。到了春秋时期已经用圭表、漏刻的等计时器。圭表即日晷，有日晷针盘组成。晷针插在盘中心，晷盘上刻着表示时刻的分划。太阳照射的针影投射在晷盘的分划上，就能指示出时刻。在阴雨天和夜晚就用漏刻，漏刻又称漏壶，包括下有小孔的铜壶和带有刻度的刻箭两部分。水匀速流下，通过刻度观察水位变化，即可确定时刻。唐代僧一行发明了最早的自鸣钟，用漏水激轮，一日一夜转一周，29转多为一个月365转为一年。同时装有两个木人，每一刻一击鼓，一个时辰一撞钟。元代郭守敬也曾发明出不同声音的机械报时钟。民间更多使用燃香，蜡烛等计时方法。到了一世纪的时候，人类发明了机械钟，第一台机械钟通过使用重物驱动转轮，带动指针计时。到了十七世纪末，一个名叫克里斯蒂安·于让的荷兰人，最早发明了走时准确的钟，这些钟由一个钟摆控制。他利用的是相同长度的钟摆完成每次摆动花去相同的时间这个原理。在1929年的时候，出现了石英钟，石英是一种矿物，当电流通过它时，它每秒钟振动32768次。今天，大多数的钟表都有一块石英晶体。许多钟表使用数字代替了钟面。1949年，人们发明了原子钟，原子钟是最精确的。这种时钟在37万年里快慢误差不会超过1秒。原子钟以铯原子的振动为基础，铯原子的振动速率是每秒9192631770次。在1957年时，出现了电动手表，电动手表是由小电池提供动力的。它们有一个微小的音叉使手表走时，从而代替了上发条。到了20世纪80年代初的时候，人类发明了数字钟，一直到今天，数字钟一直被人们广泛使用中。现在的数字表都有一块电池、一个极小的计算器和一个石英晶体。人们做表，越做越小，甚至把它们当作饰物来佩戴[1]。2.数字钟的概述 2.1数字钟的定义数字钟是采用数字电路技术实现时、分、秒的计时装置。与一般的时钟相比，数字钟具有走时准确，显示直观，具有更长的使用寿命等优点，被人们得以广泛的使用。数字钟没有任何的机械装置，它由一块组件独立构成的时钟集成电路专用芯片，在这芯片上集成了计数器、比较器、振荡器、译码器和驱动等电路。其电路是能够直接显示时、分、秒、年、月、日，具有定时、报警等多种接口转换的大规模集成电路，具有功能完整，结构新颖，功耗低，性能卓越，驱动能起强，集成化程度高，计时精度高，应用扩展领域广等特点[2]。图.1多功能数字钟2.2数字钟的起源发展。多功能数字钟最早起源于欧洲中世纪的教堂，是完全机械式结构，动力使用重锤，打点钟声完全使用人工撞击铸钟，因此当时一个多功能数字钟工程在建筑和机械结构方面是相当复杂的。进入电子时代后，数字钟也相应出现。早期的数字钟仍采用分立式元件或中、小规模集成电路设计制造，一般只与高档仪器仪表设备相配套，并且体积较大，价格又昂贵。到了八十年代初期，随着电子工业的迅速发展和电子科学技术的进步，国外一些芯片厂家已经建立了大规模集成电路的设计中心，采用新器件、新技术、新工艺，使数字钟电路得以比较完美。我国数字钟行业从80年代起逐渐成长壮大起来，目前在技术及应用水平上已经达到世界同类水平。随着电子技术的不断发展，随着人类社会的不断进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已经不能满足人们需求。多功能数字钟不管在样式上还是性能上都有了一个质的突破。外观上它根据人们的需求，可以有液晶显示，也可以是数码管显示。在性能上它也出现了很多的附加功能，比如整点报时，闹钟，显示环境温度，秒表等功能。当然它还可以通过按键进行定时，校时功能。这些都给人们的日常生活带来了极大的方便[3-4]。2.3数字钟的计时原理数字计时器一般由振荡器、分频器计数器、译码器、显示器等几部分组成。石英晶体振荡器产生的时标信号发送到分频器，分频电路将时标信号分成每秒一次的方波做为秒信号，秒信号送入计数器开始计数，并把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。现在市面上的数字钟的精确度都不同，决定其精确度的就是频率的基准。 目前数字钟的频率基准有两种，一是以市电工频频率（50Hz或60Hz）为基准，其准确度受当地市电频率的牵制，日误差一般大于±10秒；另一种是高频晶振频率经分频后作频率源，准确度大大提高[5]。图2.数字钟计时原理框图3.各种设计方法介绍目前数字钟设计一般分为两大类：第一类是指利用中小规模集成电路实现组合逻辑与时序逻辑电路来实现数字钟的设计；一种是利用单片机或者可编程逻辑器件来实现数字钟的设计。因为数字钟具有走时精准的特点，所以在设计上必须得时间的误差达到最小。而数字钟的功能也要齐全。我们设计的数字钟一般要具有时分、秒计数显示、闹钟功能，能够利用按键实现对闹钟时间的设定并在当前显示时间到时能够进行闹钟提示[6]。3.1用集成电路实现数字钟目前流行的数字钟电路有两种：一种是用555定时器构成的多谐振荡器作为时钟源的数字钟电路，另一种是采用石英晶体振荡器作为时钟源的数字钟电路。两种方法各有优缺点，用555定时器中的两个运算放大器作为电压的比较器，灵敏度非常高。因此用这种器件构成的多谐振荡器频率稳定，受电源电压及环境温度的影响很小。缺点是占空比的调节不灵活，振荡频率不能太高，一般不超过几百赫兹。石英晶体两端加不同频率的电压信号石英晶体会表现出不同的阻抗值。因此，对频率要求很高的情况下要采用石英晶体振荡器。这种用集成电路设计的数字钟，结构简单，成本低，在基本电路的基础上，还能扩展其他的功能[7]。 图3.数字钟电路系统的组成框图3.2基于单片机的数字钟设计单片机在多功能计时器中的应用已经是非常普遍。由单片机作为计时器的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术完成。应用单片机实现的数字钟具有很强的实用性,系统硬件具有外围器件少、电路简单、成本低等优点,整个系统作为独立化的模块,还可以进一步扩展,具有良好的应用前景[8]。图4.基于单片机的数字钟设计框图3.3基于FPGA的数字钟设计用FPGA设计数字钟，主要是通过VHDL语言编写代码，然后，然后用模拟器验证其功能，再将设计代码综合成门级电路，最后下载到可编程逻辑器件FPGA中来实现一个设计。由于VHDL语言具有支持大规模设计和再利用已有设计等优点，因此使用VHDL语言来设计数字系统已成为一种潮流。FPGA具有在线编程，裁减扩充容易等特点，使得系统的改进和完善十分容易，因此还可以根据数字钟的具体应用场合，使其不仅仅局限于时间和日期等日常需要，例如导航、报警、定位等相应功能满足越来越多行业的需求[9-11]。图5.基于FPGA的数字钟设计的结构框图 4.总结随着电子技术在不断进步，机械式时钟已经被淘汰，取而代之的是具有高度准确性和直观性且无机械装置，具有更长的使用寿命等优点的数字时钟。数字时钟更具人性化，更能提高人们的生活质量，更受人们欢迎。无可否认机械时代已经过去，电子时代已经到来。作为新时代的我们，更应该提高自身能力，适应新时代的发展。知识来自实践，多去生活中探询所需要的。对于上述所提到的研究课题，我们应尽量考虑到人的因素，增强时钟的实用性和操作性，为使用者提供切实的方便，营造一种舒适的生活氛围。所以，在设计的时候，应该从多方面、多角度去考虑问题而且应该进一步提高时钟的质量，并尽可能的增加一些使用功能。参考文献[1]Spiwak,Marc.BuildADigitalClock[J].PopularElectronics,2007,(7):61-67.[2]于莹莹,林喆.一种数字钟的设计[J].电大理工，2010,3(02):30-37.[3]盛蒙蒙，葛亦斌，邱烨，马栋.基于单片机实现多功能数字钟的系统设计[J].硅谷，2009,1(20):14-16.[4]李可为.数字钟电路及应用[M].北京：电子工业出版社，1996,6.[5]林芝松.数字钟的自动校时[J].无线电，2008,3(4):77-80.[6]刘飞，戴华.两种数字钟电路设计比较[J].湖州师范学院报(自然学科版)，2003,23(2):40-43.[7]徐红霞.数字钟电路的设计[J].广东技术师范学院报，2008,12(03):17-20.[8]WangLiankui.TheDesignofSCM-51Memorizer’sColligationExtendedandit’sSoftware[J].Development&InnovationofMachinery&ElectricalProducts,2007,5,3(01):12-13．[9]公相.基于8051单片机的数字钟的设计与实现[J].科技信息,2010,5(06):31-33.[10]张静.基于单片机数字钟的设计[J].办公自动化,2006,3(11):64-66.[11]刘睿劼.基于FPGA的多功能数字钟设计[J].电脑与电信，2009,3(05):73-75.[12]陈茂源.基于VHDL语言的数字钟设计[J].长江大学学报,2008,2(01):53.[13]李精华，杨端，庞前娟.基于数字钟设计的单片机课程项目开发[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2010,4(02),45-48.[14]樊永宁，张晓丽．基于VHDL的多功能数字钟的设计[J]．矿工自化,2006,5(03):93-94．