数字时钟的设计Word文档下载推荐.docx
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（一）初步设计方框图3
（二）方案的比较与选择3
1、时钟源的选择3
2、计数器的选择5
（三）数字显示器的选择5
三、单元模块设计6
（一）时钟源设计6
1、一秒时钟源模块图6
2、功能及参数说明7
（二）计数器的设计7
1、器件介绍7
2、分、秒计数器8
3、时计数器10
（三）译码器驱动器和数字显示器10
（四）校时电路的设计11
（五）正5V电源的设计12
（六）定时控制电路的设计13
四、软件仿真15
五、系统功能及指标参数15
六、总结与展望16
七、致谢词17
八、参考文献18
一、前言
随着社会的进步和科技的的飞速发展，人们发明了各种各样越来越先进的计时工具，从古代的沙漏，到30年前还非常普遍的机械钟表，再到如今的电子表、原子钟等。
人们发明的计时工具越来越可靠，计时越来越精确，使用和携带越来越方便，功能越来越多（如秒表、定时等功能）。
人们对计时工具的依赖程度也越来越高，数字显示电子时钟就是目前使用最普遍的计时工具之一。
系统的工作原理：
数字电子时钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、及显示器等几部分组成。
555振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成秒脉冲，秒脉冲送入计数器进行技术，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。
“秒”、“分”由两级计数器和译码器组成的六十进制的计数器电路实现，“时”的显示由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数器电路来实现。
二、总体方案设计
（一）初步设计方框图
图1电子时钟设计方框图
（二）方案的比较与选择
1、时钟源的选择
在本设计中，振荡器是计时器的核心，主要用来产生时间标准信号（也叫基信号）。
数字钟的精确主要取决于时间标准信号的频率及稳定度。
时钟源（秒脉冲信号）可由555组成的多谐振荡器构成。
如图2所示。
经过参数计算可将振荡器做成频率为1HZ的振荡信号作为时钟源，但此方法精确度和稳定性均达不到设计要求，所以不用此案作为信号源。
图2555振荡电路
石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、平率易调整。
它还具有压电效应，在晶体某一方向加一电场，则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相互为因果，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的稳定。
石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分为二氧化硅（SiO2）。
石英晶片所以能振荡是基于它的电压效应。
若在极板间加交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电压。
一般说来，这种机械振动的振幅较小，振动频率则是很稳定的。
但当外加交变电压的频率与晶片固有频率相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，所以称为石英晶体振荡器。
它的品质因数Q处于高达100000~500000的范围内。
其他元件和杂参数对振荡器频率的影响极微，故频率稳定度高。
利用此点我们将32768的频率通过4060分频得到时间间隔是两秒，在经过D触发器分频将其频率变为1HZ。
4060元件图如图3所示。
D触发器元件图如图4所示。
图34060图4D触发器
石英晶体振荡器的方案精度高，稳定性好，达到了设计要求，故采用此方案。
2、计数器的选择
图5十进制计数器CC4518
在本设计中，只要是十进制或十进制以上的计数器都可以做为秒、分、时计数器。
一般使用十进制计数器比较简单。
CC4518是一种同步十进制加计数器，它是COMS集成电路，由两个相同的同步4级计数器组成，可以分别组合成二、五、十进制计数器。
用两个CC4511级联可以组成60进制计数器（分、秒计数器），也可以组成24进制计数器（时计数器）。
（三）数字显示器的选择
本设计中需要用7段LED数码管来显示时间，因此需要用到BCD码七段译码驱动器。
此类译码驱动器型号有74LS47（共阳）、74LS48（共阴）、4511（共阴）等驱动器来驱动共阴LED数码管。
图64511
综上所述，本设计中选用的元器件为555定时器（时钟源）、CC4518（时、分、秒计数器）、七段LED共阴数码管、以及74LS00（与非门）、与门、非门等。
三、单元模块设计
（一）时钟源设计
1、一秒时钟源模块图
图7一秒时钟源
2、功能及参数说明
图7是由石英晶体振荡器与4060一起。
总的经过一次分频。
将32768的频率通过通过4060的分频后变为2HZ，再经过D触发器进行再次分频（2分频），最终得到稳定的1HZ时钟源。
其原理和计算过程是，4060作为14位加法计数器，将32768HZ分频为2HZ（32768/2e15=2）,再经D触发器二分频为1HZ的信号。
（二）计数器的设计
1、器件介绍
CC4518是4位二进制同步加计数器如图9所示，MR为同步清零端，E为控制信号输入端（高电平有效），CP为计数脉冲输入端，Q0、Q1、Q2、Q3为计数器状态输出端。
图8CC4518
由表1可知，CC4518计数器级为D触发器。
内部可交换CP和E线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数。
在单个单元运算中，E保持高电平，且在CP上升沿进位。
MR线为高电平是时，计数器清零。
表14518功能表
MR
CP
E
功能
1
X
全部为0
↑
加计数
↓
保持
表1是功能表。
有表可知，CC4518具有以下功能；
（1）异步清零当MR=1时，不管其他输入端的状态如何（包括时钟信号CP），计数器输出将被直接置零，称为异步清零。
（2）保持在MR=0，CP不是上升沿，或者CP=0，E不是下降沿的情况下，计数器将保持原有状态不变。
（3）计数MR=0，CP为上升沿，其状态表如下；
表2CC4518计数时的状态表
计数脉冲
CP的顺序
电路状态
十进制数
Q3Q2Q1Q0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
2、分、秒计数器
图9就是由两片集成CC4518级联组成的60进制计数器，可以作为分、秒计数器。
CC4518（U7B）中，时钟源通过9脚输入计数脉冲，4518计数，此时对秒十位是十进制，通过对4518的特性可知，当CP为低电平时，E有下降沿动作仍会计数，当秒个位记到“9”时，BCD码为1001，再记一次数返回0000，将各位到十位的信号定为秒个位计数器的Q3位，从“9”返回“0”时Q3得到了一个下降沿，秒十位又一直是接地的，从而秒十位得以计数，利用了CC4518的这一特性得到了一个60进制的秒计数器，再将秒十位的即U7A的Q1，Q2分别接在一个与门U4B的输入两端，输出端作为清零信号，让计数器从59跳到0，同时作为进位信号，作为分个位的计数信号，从而达到60秒一分钟的要求。
分计数器的原理同秒计数器相类似，同样的两个4518计数，分个位的信号由秒进位信号获得，分十位CP端接地，计数由E端完成，分进位信号，仍然是由十位Q1Q2完成。
图9.1秒计数器
图9.2分计数器
3、时计数器
时计数器的模块图如图10所示。
时计数器的工作原理与分、秒计数器相似。
将反馈清零信号的与门输入分别接在高位的Q1，地位的Q2，这样就构成了“2”“4”反馈清零，达到了“24小时制”的目的
图10时计数器
（三）译码器驱动器和数字显示器
4511功能介绍：
A、B、C、D——BCD码输入端。
QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG——译码输入端。
LT——测试输入端，LT=1时，译码输出全为1.
BI——消隐输入端，BI=1时，译码输出全为0.
LE——锁定端，LE=1时，译码器处于锁定（保持）状态，译码器输出保持在LE=0时的数值。
当LE=0，LT=0，BI=0时为正常译码。
图11译码驱动器和数字显示器
至此，各基本单元模块都已设计完毕，下一步是把各单元模块连接起来，组成一个整体，使其达到预期的目的。
可以用仿真软件来把它仿真出来，看它是否达到了设计的预期效果。
（四）校时电路的设计
方法一
图12.1手动脉冲法
校时是为了实现让其时间起始控制在人的意识范围之内，方便使用。
其中一种方法是通过一个单刀双掷开关，使一端接信号脉冲，另一端接由上拉电阻连接电源连接按钮再接地组成的线路（如图示）。
当接信号脉冲时74HC161可以正常计数。
当接到上端时74HC161停止计数。
在按钮没有按下的时候并不会产生触发，既没有脉冲，当按下再放开时则会产生脉冲使其计数一次。
但是存在弊端，因为一次脉冲仅能触发一次，接在秒钟前端会非常难校正分钟和时钟因此可以考虑在时钟和分钟前也接入相同开关校时电路，以达到方便的效果。
方法二
图12.2快速校时法
校时的另一种方法是自动跳变法，也叫快速校时法，此种方法不需要手动给脉冲，只需在所需的位打开校时开关，所需位就开始自动快速（或慢速）计数，当达到所需时间时，关掉校时开关即可。
其原理是，有门电路构成的RS触发器和开关构成选择电路，另外两个与非门为筛选作用，输入端分别为快速（慢速）校时信号和正常计数信号。
如图12.3所示，当SW1打在上方时U13A与非门的1输入端为低电平，由又因为此时6端口输入的是高电平，这样就使4输入低电平，3输入高电平，10端口输出就跟随校时信号，11端口一直为低电平，这样校时信号就控制电路的输出。
同时当SW1打在下端时，整个校时电路输出就跟随正常进位信号走，当校时时，就切换SW开关，当到理想时间时，再次切换就行了
图12.3当TW1在上时
图12.4当TW1在下时
（五）正5V电源的设计
图135V电源
如图示，将一个7805和电容相接可以组成一个输入任何交流电，输出都为+5V的直流稳压电源电路。
（六）定时控制电路的设计
要求能设置任意时刻发出闹时信号，持续时间为1分钟，且可以控制闹时的开关。
图14闹钟设定电路
如图为闹时设定电路，可以设定任意时刻闹时。
然后分别将时、分计数器的输出端与数字时钟的时、分计数器输出端通过74HC85数值比较器，进行数值比较，然后将比较的结果通过74LS20接入闹时电路，其中74LS20为4输入二与非门，74LS03为集电极开路（OC门）的2输入四与非门，因OC门的输出端可以进行“线与”，使用时在它们的输出端与电源+5V端之间应接一电阻R5,经计算R5=3.3KΩ。
如果控制1KHZ高音和驱动音响电路的两级与非门也采用OC门，则R5的值应重新计算。
SW2闭合时闹时电路开，断开时，闹时电路关闭。
图15闹时电路
由图15可见当数字时钟走到和所设的起闹时刻相同时，74HC85QA<
B和QA>
B端同时输出高电平，音响电路的晶体管导通，则扬声器发出1KHZ的声音。
持续1分钟电路停闹，也可以断开SW2使其停闹。
表34位数值比较器74HC85的功能表
输入
输出
A3B3A2B2A1B1A0B0IA>
BIA<
BIA=B
FA>
BFA<
BFA=B
A3>
B3XXXXXX
A3<
A3=B3A2>
B2XXXXX
A3=B3A2<
A3=B3A2=B2A1>
B1XXXX
A3=B3A2=B2A1<
A3=B3A2=B2A1=B1A0>
B0XXX
A3=B3A2=B2A1=B1A0<
A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0HLL
A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0LHL
A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0XXH
A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0LLL
HLL
LHL
HLL
LLL
HHL
图1674HC85
四、软件仿真
我们使用的仿真设计软件是ISIS7Professional。
此软件的特点是具有较强的仿真能力，可自动布线；
缺点是某些器件无法找到或者不可使用。
仿真设计流程如下：
（一）先在界面上设计出秒计数器并连接上数码显示器，用时钟脉冲作为CP脉冲信号输入，运行仿真功能，测试秒计数器设计是否正确，同时也测试数码显示器连接是否正确。
若仿真出错则修改电路再测试，如此反复直至无误。
（二）再将分计数器和数码显示器接到原电路中，再进行仿真，测试连接是否正确。
（三）再将时计数器和数码显示器接到原电路中，再进行仿真，测试连接是否正确。
（四）将上面三个板块连接到一起再将一秒时钟源接入电路中，再进行仿真，测试连接是否正确。
（五）将具有校时功能的电路与上面的板块相接。
测试其是否有校时功能，并且在校时后再接上脉冲源，是否可以从该时刻进行计时。
如果可以则正确，否则将继续调试，直至正确为止。
（六）将定时控制电路与上面的板块相接。
测试其是否具有闹时功能。
（七）由于晶体振荡产生的时钟脉冲不能在ISIS仿真软件中仿真出来，所以在实际仿真中将脉冲源直接代替石英晶体振荡器。
五、系统功能及指标参数
该电路系统的功能是能够实现从0时0分0秒计时到23时59分59秒（即24小时制），并能以阿拉伯数字显示时间。
实现时、分的校时功能，还可以任意设置起闹时间，持续时间为1分钟，并且手动可以控制闹时电路的开关。
主要参数：
时钟源：
C9=33PC8=33PX1=3276HZR4=15MR5=220K
校时开关部分：
R2=110K
正5V电源部分：
C4=220uC5=47uC6=100nC7=100n
六、总结与展望
整体设计电路如图：
图17整体仿真电路
仿真结果：
实现了24小时数字时钟的计时功能，可以完成校时功能，能设置任意时刻闹时，持续1分钟，且可以控制闹时的开关。
经过这几个星期的思考和研究，我设计出了数字电子电子时钟电路并用仿真软件对它进行了仿真且获得成功。
通过这次设计，我掌握了设计一个电子产品的基本方法和步骤，熟悉并掌握了仿真软件ISIS7Professional的使用方法，提高了自学能力、设计能力和独立思考的能力。
在设计过程中我越来越体会到设计一个电子产品的复杂和艰辛，越来越感觉到自己专业知识的匮乏，越来越认识到课程设计对培养设计能力和丰富专业知识的重要作用。
该设计虽然仿真成功，但毕竟没有做成实物，也没有实现延时起闹，多次起闹等功能，下一步我将加强这方面知识的学习，设计出功能更多功能的数字时钟，并实现电路实物。
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