数电数字钟Word文档格式.docx
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2设计原理
数字电子钟原理如图1所示。
一个具有计时、校时、报时、显示等基本功能的数字钟主要由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路、报时电路等七部分组成。
该系统工作的原理是：
振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。
秒计数器计满60秒后向分计数器进位，分计数器计满60秒后向小时计数器进位，小时计数器按照12小时为周期计数。
计数器进位输出经译码器送入显示器。
计时出现误差时可以用校时、校分、校秒。
扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。
图1系统原理框图
（1）晶体振荡器电路：
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。
不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
（2）分频器电路：
分频器电路将32768HZ的高频方波信号经32768（
）次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。
分频器实际上也就是计数器。
（3）时间计数器电路：
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。
（4）译码驱动电路：
译码驱动电路将计数器输出的BCD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。
3电路设计
3.1秒脉冲产生电路的设计
脉冲产生电路采用555定时器构成的多谐振荡器，通过对电路中电阻和电容取值的设置，可使振荡器的频率为1Hz，这样就可把振荡器输出直接作为时钟脉冲信号，而不需分频器分频。
为了方便仿真，采用555定时器与定时元件RC组成多谐振荡器，它的输出信号频率为f0=1.43/[（R2+2R1）C1]。
取R1=68kΩ，R2=15kΩ，C1=10uF（滤波电容C2=0.1uF）,则电路的振荡频率为f0=1Hz,输出信号为周期为1s的脉冲信号，这样输出就可以直接用来作为数字钟计数器的输入信号。
脉冲产生电路如图2所示。
图2秒脉冲产生电路
3.2译码及驱动显示电路设计
译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。
本次设计使用7SEG-BCD数码管，但由于7SEG-BCD数码管市场很难买到，所以使用74ls48和共阴数码管代替。
74LS48芯片可以直接对8421BCD码进行译码，而且74LS48芯片具有脉冲消隐输入、消隐输入、灯测试输入端可以对电路进行简单测试，方便测试电路和检查错误。
把它对应的管脚与数码管管连接起来。
就组成了显示电路。
如图3所示。
图3译码及驱动显示电路
3.3时、分、秒计数器的设计
实现任意进制计数器的方法有两种：
置零法（复位法）和置数法（置位法）。
（1）用复位法获得任意进制计数器
假定已有N进制计数器，而需要得到一个M进制计数器时，只要M＜N，用复位法使计数器计数到M时置“0”，即获得M进制计数器。
（2）利用预置功能获M进制计数器
置位法与置零法不同，它是通过给计数器重复置入某个数值的的跳越N-M个状态，从而获得M进制计数器的。
置数操作可以在电路的任何一个状态下进行。
这种方法适用于有预置功能的计数器电路。
3.3.1秒计数器的设计
“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。
由分频器来的秒脉冲信号，首先送到“秒”计数器进行累加计数，秒计数器应完成一分钟之内秒数目的累加，并达到60秒时产生一个进位信号，所以，选用一片74LS90和一片74LS92组成六十进制计数器，采用反馈归零的方法来实现六十进制计数。
其中，“秒”十位是六进制，“秒”个位是十进制。
如图4所示。
图4秒计数器电路
3.3.2分计数器的设计
“分”计数器电路也是六十进制，可采用与“秒”计数器完全相同的结构，用一片74LS90和一片74LS92构成。
如图5所示。
图5分计数器电路
3.3.3时计数器的设计
时电路是12进制的计数器，采用的是00-01-02…11-00-01…的计数规律。
设计电路采用两片异步二—五—十进制加法计数器74LS90级联构成12进制时计数器。
时计数器电路图如图6所示。
图6时计数器电路
3.3校时电路的设计
当数字钟走时出现误差时，需要校正时间。
校时电路实现对“时”“分”“秒”的校准。
在电路中设有正常计时和校对位置。
本次实现“时”“分”的校对。
对校时的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；
在分校正时不影响秒和小时的正常计数。
需要注意的时，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，为防止这一情况的发生我们接入一个由RS触发器组成的防抖动电路来控制。
如图7所示。
图7校时电路
S1
S2
功能
1
计数
校分
校时
表1校时开关的功能表
3.4整点报时电路设计
整点报时电路的功能是：
每当数字钟走时到整点时发出声响，有些情况下对声响还有其他特殊要求，如：
声响的音调、次数以及几点响几声等。
具体设计方案如下：
要求在差10秒为整点时产生每隔1秒鸣叫1次的响声：
共叫5次，每次持续1秒，前
4声为低音500Hz，后1声为高音1KHz。
其主要思路是：
设4声低音分别发生在59分51
秒、53秒、55秒、57秒，最后1声高音发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。
当Q3为“1”时，高音1kHz输入声响电路；
当Q3为“0”时，低音500Hz输入声响电路。
且只有当分十位的Q2Q0为“11”、分个位的Q3Q0为“11”、秒十位的Q2Q0为“11”、秒个位的Q0为“1”时，才会有信号输入到声响电路而发出声音。
这一功能可以由若干个集成门来实现。
见图8所示。
图8整点报时电路
4元器件的使用列表
4.1元器件列表：
74LS92十二分频计数器*2
74LS48七段译码驱动器*6
7SEG-COM-CAT7段共阴极数码管*6
74LS90二一五进制计数器*2
74LS20双4输入与非门*2
74LS04六非门*1
74LS00四2输入与非门*2
555定时器*1
4.2主要元器件介绍
4.21555定时器
振荡器中用到的555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，可以方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器。
用555组成的多谐振荡器的电路图和工作波形如图9和图10所示，振荡周期T=0.7（R1+2R2）C。
图9多谐振荡器电路图图10工作波形图
4.22集成计数器74LS90
74LS90是异步二—五—十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。
图1174LS90引脚排列
输入
输出
功能
清0
置9
时钟
QDQCQBQA
R0
（1）、R0
（2）
S9
（1）、S9
（2）
CP1CP2
×
×
0×
0
↓1
QA输出
二进制计数
1↓
QDQCQB输出
五进制计数
↓QA
QDQCQBQA输出8421BCD码
十进制计数
QD↓
QAQDQCQB输出5421BCD码
11
不变
保持
表274LS90功能表
通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能。
具体功能为：
（1）计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。
（2）计数脉冲从CP2输入，QDQLQH作为输出端，为异步五进制加法计数器。
（3）若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。
（4）若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。
（5）清零、置9功能。
当R0
（1）、R0
（2）均为“1”；
S9
（1）、S9
（2）中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA=0000。
当S9
（1）、S9
（2）均为“1”；
R0
（1）、R0
（2）中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA=1001.
4.23数码管
将七个发光二极管封装在一起，每个发光二极管做成字符的一个段，就是所谓的7段LED字符显示器。
根据内部连接的不同，LED显示器有共阴和共阳之分，共阴LED显示器适用于高电平驱动，共阳LED显示器适用于低电平驱动。
由于集成电路的高电平输出电流小，而低电平输出电流相对比较大，采用集成门电路直接驱动LED时，较多地采用低电平驱动方式。
（a）（b）（c）
图127段字符显示器（a）字段排列（b）共阴极LED（c）共阳极LED
4.24译码器74LS48
74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，74LS48还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。
图1374LS48引脚排列
5仿真结果
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。
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。
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，时个位和时十位计数器为12进制计数器。
整点报时电路，当分钟为59，秒钟也为59时，表明整点将要来到，这里将分钟计数器与钞钟计数器的输出端中为1的端引出，即给整点报时器一个高电位信号，从而让报时器报时。
具体电路看总电路。
图14仿真结果图
6安装与调试
电路安装前，要先检测所用集成电路及其它元器件的好坏。
安装完成后，要用万用表检测电路接触是否可靠、电源电压大小、极性是否正确。
一切正常后才能通电调试。
调试过程中，最好分步或分块进行。
首先调试秒脉冲产生电路。
用示波器逐一测量CD4060的各个不同频率输出端波形，并在1Hz频率输出端接一发光二极管指示秒脉冲信号是否正常。
然后调试译码显示电路。
利用CD4511的试灯端3脚测试各个数码管的好坏，并输入任意一组BCD代码检查各个数码管显示的数字是否正常。
接着调试时、分、秒计数器电路。
将时、分、秒计数器之间的进位信号断开而以秒脉冲信号代替它们，分块调试时、分、秒计数器电路。
当它们均正常工作后再接入各个进位信号。
在数字钟的上述基本走时功能正常后，最后分别进行其它扩展功能的调试。
7电路实物图
8设计体会
此次数字电子技术课程设计我选的是多功能数字钟设计。
该设计要求数字钟具有正常走时的基本功能，具有校时、整点报时功能等。
在开始设计时，由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。
但最终经过查找资料等过程确定了元件，从而确定了总电路图，然后再用proteus软件绘制该电路的原理图，对设计的电路进行仿真实验。
在设计的过程中，设计思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的，各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点，同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别，这些都是要考虑清楚的。
由于实验室没有我们所需要的芯片，我们临时改变了设计方案。
由此，我也得出结论，不同的电路可以实现同样的功能，我们应该设计最简单，最经济，最实用的电路。
当然这个不一定所有条件都符合，找到一个最大限度满足各种条件的方案是我们设计的目标。
我们本次课程设计无需焊接而是用面板板。
由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。
在进行电路连接的时候，我们也遇到了不少的问题，通过努力得到了解决：
1、七段数码显示管有七个重要的输入端（abcdefg），由于引脚排列有顺序，但不规则，与74ls48译码器相接时非常容易出错。
这时可以充分利用高电平（即电源正极）与74ls48的abcdefg输出端一一接触，这样既可以检查出七段数码显示管有没有烧坏，又可以检查顺序有没有接错，一举两得
2、如果计数器不能正常进位或者不能正常计数，可以利用发光二极管一一检测各输出端（高电平亮，低电平不亮）
3、如果发现输出端不正常输出，若芯片没有坏的话再检查各相关插孔有没有问题，譬如不该相接的连在一起，该相接的开路，面包板接触不良，用万用表的电阻档可以检查出来。
在检测面包板状况的过程中，出现本该相通的地方却未通的状况，后经检验发现是由于万用表笔尖未与面包板内部垂直接触所至。
在检测的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。
用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。
其次是由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好，其解决方法为把的芯片拔出，根据面包板孔的的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入面包板中。
由于没有合理安排任务，我们这组最终没有完成设计任务。
这也使我明白，一个人的能力是有限的，唯有善于合作的团队才能发挥出最大的能量。
在这次课程设计中，我真真切切体会到合作的重要性。
通过这次课程设计，我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法，加深了理论知识的学习，更进一步地增强了实验的动手能力。
总之此次课程设计的实验使我的视野更广阔，学到的知识更多!
参考资料
《电子技术基础实验与课程设计》电子工业出版社
《电子技术课程设计指导》高等教育出版社
《数字电子技术基础》第五版高等教育出版社
《新编常用集成芯片手册》机械教育出版社
《数字电路实验指导书》宁波大红鹰出版
《Protel99se
》
北京希望电子出社
《Multisim2001及其在电子设计中的应用》西安电子科技大学出版社
《电子线路设计与应用》高等教育出版社
《Protel99从入门到精通》西安电子科技大学出版社
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