数字电子课程设计报告数字钟电子钟.docx
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数字电子课程设计报告数字钟电子钟
《数字电路》课程设计总结报告
题目：
数字电子钟
指导老师：
欧触灵
设计人员：
刘少波
学号：
200611611114
同组成员：
张俊强
学号：
200611611125
班级：
信处1062
日期：
2008年11月17日——2008年11月21日
广东海洋大学信息学院
一、设计目的
1.显示时、分、秒，采用24小时制。
2.具有校时功能，可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位，校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟。
3.为了保证计时准确、稳定，由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。
二、设计要求
1．设计指标时间以24小时为一个周期；显示时、分、秒；有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前
5秒进行蜂鸣报时；为了保证计时的稳定及准确需由晶体振荡器提供时间基准信号。
2．设计要求画出电路原理图（或仿真电路图）；元器件及参数选择；电路仿真与调试；
3．制作要求：
自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。
4．编写设计报告：
写出设计与制作的全过程，附上相关资料和图片。
三、设计方案
1．总体方案设计：
画出总体方框图原理框图并给出说明。
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
总体方案设计如图
（1）所示。
图
（1）
2．单元电路设计：
各功能块电路图，各部分定性说明以及计算分析。
晶体振荡器电路：
晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟计时的准确度及稳定性。
下图所示电路通过CMOS非门构成的输出为方波的晶体振荡电路，这个电路中，CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。
输出反馈电阻R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域。
电容C1、C2与晶体构成一个谐振电路，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了180〇相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。
由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。
选取晶体的频率为32768HZ。
该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数，从而输出较低频率。
通过计算分析得，C1、C2均为30pF时比较适合。
若实验时输出频率不是1HZ时，可以通过外接电阻电容来做适当的调整。
由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1选为10MΩ，也可以更大。
较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
非门电路可选74HC00。
CMOS晶体振荡器
分频器电路：
由于数字钟晶体振荡器输出的频率较高，为了得到1HZ的频率，需对输出频率进行多次分频，以便得到较低的1HZ频率。
由于各种分频集成块中，CD4060集成块的分频次数最高，而且包含电路所需要的非门，故综合比较之下选取CD4060构成晶体振荡器分频电路。
CD4046内部框图如下所示：
时间计数单元：
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。
译码驱动电路:
译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
数码管显示电路:
数码管有液晶（LCD）数码管和发光（LED）数码管，本实验用的是LED发光数码管，采用共阴接法。
显示原理图如下：
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。
由于每个机械开关具有抖动现象,因此用RS触发
器作为去抖电路。
采用RS基本触发器及单刀双掷开关,闸刀常闭于2点,每扳动一次产生一个计数脉冲,实现校时功能。
电路如下图所示。
四、元器件
本实验用到的元器件如下列表所示：
元器件名称
数量
元器件名称
数量
5V电源
1
蜂鸣器
1
万用板
1
开关
2
钳子
2
剪刀
1
电烙铁
1
网线
若干
32768HZ晶振
1
共阴数码管
6
30pF电容
2
0.01uF电容
1
10uF电容
1
10M、15K、68K
1
CD4511
6
CD4060
1
74HC390
6
74HC51
1
74HC00
7
74HC30
1
555定时器
1
插槽
若干
芯片结构图如下所示：
五、功能模块电路图
数码管的检测：
用万用表检测，调至欧姆档，500，红表笔接数码管3脚或6脚，黑表笔接数码管其它各个管脚，依次检测。
若数码管各段都有正常发光，则该数码管正常。
十进制测法仿真电路如下：
利用一个六进制电路和十进制连接成一个六十进制电路，电路可从0—59显示，见下图：
双六十进制电路如下图所示：
利用CD4060、电阻及晶振连接成一个分频——晶振电路：
利用两个六十进制和一个十二进制连接成一个时、分、秒都会进位的电路总图，见下图：
六、功能扩展：
本次课程设计的实物有些不足之处，需要做进一步的功能扩展会有更好的效果。
1、校时功能:
作为一个电子钟，原本都应该有校时功能，但由于选择的万用板面积不够大，没有地方接入校时电路，这是设计该次实物的一大缺憾。
现将理论校时电路列出。
利用74HC51D和74HC00及电阻连接成一个校时电路：
2、整点报时功能：
设计电子钟，能有报时功能当然是锦上添花了，因此理论上设计了整点报时电路如下:
说明：
当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5，9，5；因此可以将分计数器十位的QC和QA，个位的QD和QA及秒计数器十位的QC和QA相与，从而产生报时控制信号。
3、频率选择功能：
在有些场合下，可以更换输入频率作不同的用途，譬如作为秒表使用，检测电路使用。
正常工作时，输入频率为1HZ，按下开关时，频率变大，可以用大的频率来检测电路的进位是否正确，确保电路无误。
更换CD4060频率输出端，又可以因CD4060内部分频次数的不同而得到多种频率，故可以作特定频率的发生器使用。
4、作不同的计数器使用：
把每个74HC390计数器引脚的进位线引出来，用开关控制，还可以作为不同的计数器使用，不再单单只是时钟而已。
八、安装调试
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32768Hz。
（2）将32768Hz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,检查各组计数器的工作情况。
（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。
九、实验总结
通过整个电路设计与制作的整个过程，掌握了对电子钟的设计,组装与调试方法。
熟悉了CMOS系列中、小规模集成电路的使用。
通过理论与实践的结合，进一步深入的体会到一种学习的方法，特别是对与电子设计方面。
首先要明确总体的设计方案与方法；其次是对各个部分进行设计与改进；最后将各个部分整合在一起进行比较、观察。
在数字钟实验设计当中遇到的首要问题有三个：
一是电路的总体设计问题；二是电路的焊接问题；三是电路的调试问题。
基于所学数字电路知识的局限性，在选择元器件方面有所困难，开始无从下手应该确定使用何种元件。
通过查找资料等过程首先确定了元件，从而确定了总电路图。
由于初次进行焊接工作，所以在电路焊接的时候造成了许多虚焊，导致电路无法正常运行。
加重了电路调试的作业量。
总的来说，电子钟的课程设计有利于培养我们对电子设计的兴趣，是一次很好的理论与实际的结合，希望能有更多机会进行这些课程设计。
附实物图如下：
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