数字式钟表课程设计论文.docx
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数字式钟表课程设计论文
实验报告
课程设计名称：
数字式钟表
同学姓名：
苏鹏云
班级学号：
021211322
指导教师：
田瑾
报告时间：
2013年12月
摘要
数字时钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字时钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。
尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于我们已学过的具有定时器功能的芯片也可以完成数字钟电路的设计，因此进行数字钟的设计是必要的。
在这里我们将已学过的比较零散的数字电路的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来培养我们的综合分析和电路设计、焊接电路、调试电路的能力。
本系统采用SN74LS160计数器，NE555定时器，7490N分频器，SN74LS48译码器共同组成数字式钟表控制系统。
设计一个用于显示时间的钟表系统，主要功能有具有24小时的计时方式，显示时、分、秒，具有快速校准时、分的功能，以及具有整点时报时功能，可以整点差10s开始每隔1s鸣叫一响，共五响，每响持续时间为1s。
关键词：
SN74LS160数字式钟表控制系统SN74LS48整点报时
目录
1.系统方案选择与论证4
1.1任务4
1.2要求4
1.3系统基本方案4
1.3.1各种方案选择及论证4
1.3.2 系统的最终方案5
2.系统硬件设计6
2.1电路原理与电路图，实验系统接线图6
2.2主要硬件工作原理……………………………………..7
2.21．电源电路部分的设计……………………………7
2.22.脉冲发生电路部分的设计7
2.23.分频器电路部分的设计9
2.24．计数器电路部分的设计10
2.25.驱动电路及显示部分的设计12
3.调试与分析16
4.收获与体会17
5.参考资料19
附录1（PCB板、计数器）：
22
附录2（电路仿真图）：
23
1.系统方案选择与论证
1.1任务
设计并制作一个数字式钟表控制系统。
数字式钟表的控制：
（1）时钟功能：
具有24小时或12小时的计时方式，显示时、分、秒。
（2）具有快速校准时、分、秒的功能。
（3）整点时报时功能：
要求整点差10s开始每隔1s鸣叫一响，共五响，每响持续时间为1s。
1.2要求
该系统是一个数字式钟表控制系统:
1、主电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成；
2、秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用555定时器和分频器来实现。
将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。
“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。
“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计；
3、译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态采用七段显示译码器译码；
4、整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时；
5、校时电路时用来对“时”、“44分”、“秒”显示数字进行校对调整的。
1.3系统基本方案
1.3.1各种方案论证
根据题目要求可知，数字式钟表控制系统主要是实现时间的显示，具有整点报时和校时的功能。
为了能够达到题目的要求，在这里存在两种实现方案可以选择。
一种是采用单片机控制，另一种是使用计数器芯片搭建，通过编写相应的程序来实现上述功能。
第一种方案，单片机控制；在控制电路当中单片机是必不可很少的一部分，它也是在控制电路中的核心重中之重。
控制的核心思想就是程序的编写，能够保证控制电路的准确无误运行就必须要正确的写出控制程序；其次就是对于单片机的硬件结构要相当了解才能对应不同的端口进行对外部电路传输不同的数据，从而达到效果，它的优点是电路结构简单，灵活方便，小巧廉价，根据电路结构可以通过编程的方式拓展更多的功能，但是对于我们而言，单片机暂时还没有学过，对它的结构原理一无所知，以及它的程序编写了解甚少，所以我们将不采用单片机的控制。
第二种方案，计数器芯片控制；计数器芯片是我们比较熟悉的一种用于计数或分频的芯片，种类较多特性各异，不同的计数器芯片其功能也各不同。
对于计数器电路的设计也早已学过，例如时序的分析、真值表的书写、逻辑关系式化简、逻辑门的接线等等。
所以此次的电路设计将选择运用计数器芯片完成电子钟的控制。
但是鉴于数字式钟表接线比较复杂，特别是焊接的过程中有可能焊接错误或造成虚焊漏焊等错误，检查起来也相对比较麻烦，所以在电路板的设计上我们利用AltiumDesigner软件设计PCB板，这样既可以减少走线的麻烦，又可以防止虚焊漏焊的可能，但是对于PCB板的制作造价相对较高，但是为了能够更好地完成此次课程设计所以我们也采取了PCB板的制作。
1.3.2 系统的最终方案
通过上述两种方案的论述我们最终选择了利用计数器芯片设计数字式钟表控制系统。
电源部分：
利用LT1086芯片将5V的电压变为3.3V作为高电平；
脉冲电路：
利用NE555产生100Hz的频率信号；
分频电路：
利用7490N的计数特性，两片7490N作为百分频产生秒脉冲；
计数器电路：
利用SN74LS160计数器芯片进行计数；
驱动电路及显示部分：
利用74LS48作为驱动，利用7段共阴数码管作为显示。
2.系统硬件设计
2.1电路原理与电路图，实验系统接线图
设计思路框图：
图1系统整体结构框图
2.2主要硬件工作原理
2.21.电源部分的设计
图2电源电路图
电源部分的设计比较简单，利用了LT1086三端稳压芯片使输入的电压由5V变为3.3V，首先运用了保险丝作为电源电路的保护，放置电源输入端的电流过大烧毁芯片，在三端稳压的前后分别利用10uF电解电容和0.1uF交流电容作为滤波稳压，为了得到更稳定的电压，运用了电感滤波。
2.22.脉冲发生电路设计
图3NE555脉冲发生电路
利用NE555定时器产生100Hz的脉冲，由计算公式：
T=T1+T2=（R1+R2）Cln2
可知通过改变R和C的参数即可改变振荡频率，如果R1=10k,R2=4.427k,c=1uF,就可以产生100Hz的脉冲，电路如图2 所示。
由NE555定时器构成的多谐振荡器如图2所示，其工作波形见图3。
接通电源后，电源VCC通过R1和R2对电容C充电，当Uc<1/3VCC时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。
当Uc充电到≥2/3VCC后，振荡器输出Vo翻转成0，此时放电管导通，使放电端（DIS）接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。
当Uc下降到≤1/3VCC后，振荡器输出Vo又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端（DIS）不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C充电，又使Uc从1/3VCC上升到2/3VCC,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。
脉冲宽度TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定；TH=0.7（R1+R2）C，由电容C充电时间决定，脉冲周期T≈TH+TL。
图4NE555定时器波形图
2.23.分频器电路设计
图57490N分频器电路图
分频电路：
通常，数字钟的555振荡器输出的频率极高，为了得到1Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。
通常实现分频器的电路是计数器电路，将555的振荡信号通过2片7490N级联将100Hz分频得到1Hz的秒脉冲，分频原理是在555的OUT输出100Hz的信号接入到7490N（U8）的CKA端，然后再（U8）QD端输出10Hz，继续将10Hz送入7490N（U9）的CKA端，在（U9）QD端就会输出1Hz，这样一片7490N就可以起分频作用，两个7490N串联就构成了百分频电路，输出的便是1Hz的信号，从而可以实现秒脉冲的产生。
2.24.计数器电路设计
图6时、分、秒计数器电路
SN74LS160是TI公司生产的同步十进制计数器，它的特点主要有同步可编程序，有置数控制线，直接清零以及同步计数功能。
这种同步可预置十进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。
对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。
缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。
这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。
当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致。
清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平。
超前进位电路无须另加门，即可级联出n位同步应用的计数器。
它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的。
两个计数使能输入（ENP和ENT）计数时必须是高电平，且输入ENT必须正反馈，以便使能动态进位输出。
使能ENP和ENT输入的跳变不受时钟输入的影响。
电路有全独立的时钟电路。
改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。
计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。
图774LS160时序图
表一74LS160功能表：
输入
工作模式
CLR（低）
LOAD（低）
ENT（使能）
ENP（使能）
CLK（时钟）
L
X
X
X
X
清零
H
L
X
X
↑
置数
H
H
H
H
↑
计数
H
H
L
X
X
保持（不变）
H
H
X
L
X
保持（不变）
H=高电平L=低电平X=不定（高或低电平）↑=由“低”到“高”电平的跃变
秒信号经秒计数器.分计数器.时计数器之后，分别得到“秒”个位十位，“分”个位十位，以及“时”个位十位输出信号，然后送至显示电路，以便实现用数字显示时.分.秒的要求。
“秒”和“分计数器应为六十进制，“时”计数器应为二十四进制。
采用10进制计数器SN74LS160来实现时间计数单元的计数功能。
（1）六十进制计数器
在设计中，我们使用的是74LS160十进制计数器，来实现计数的功能。
实验中主要用到了置数清零功能（特点：
消耗一个时钟脉冲），清零功能（特点：
不耗时钟脉冲），在上级控制下级时通过组合电路（主要利用与非门）实现，在连接电路的时候要注意强调使能端的连接，其影响到整个电路是否工作。
电路的控制原理如下：
秒脉冲由个位向十位进位0000—0001—0010—0011—0100—0101—0110—0111—1000—1001实现个位的计数,采用的是置数的方式（利用RCO端口）将个位的最高位与十位的使能端连接，当电路计数到1001时紧接着高位出现下降沿，使其触发十位使能端，致使十位开始计数，实现了个位向十位进位的功能。
（2）二十四进制计数器
如图3-7,3-8所示，时计数器电路由U1和U2两部分组成。
当时个位U2计数为4，U1计数为2时，两片74LS160复零，从而构成24进制计数器。
2.25.驱动电路及显示部分
图6、驱动电路及显示部分
利用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，7448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。
由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能：
7段译码功能（LT=1，RBI=1，BI/RBO=1）
图8数码管显示图
表二SN74LS48功能表：
功能
输入
输出
/LT
/BRI
A3
A2
A1
A0
/BI/RBO
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
L
1
H
X
L
L
L
H
H
L
H
H
L
L
L
L
2
H
X
L
L
H
L
H
H
H
L
H
H
L
H
3
H
X
L
L
H
H
H
H
H
H
H
L
L
H
4
H
X
L
H
L
L
H
L
H
H
L
L
H
H
5
H
X
L
H
L
H
H
H
L
H
H
L
H
H
6
H
X
L
H
H
L
H
L
L
H
H
H
H
H
7
H
X
L
H
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
8
H
X
H
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
H
9
H
X
H
L
L
H
H
H
H
H
L
L
H
H
10
H
X
H
L
H
L
H
L
L
L
H
H
L
H
11
H
X
H
L
H
H
H
L
L
H
H
L
L
H
12
H
X
H
H
L
L
H
L
H
L
L
L
H
H
13
H
X
H
H
L
H
H
H
L
H
H
L
H
H
14
H
X
H
H
H
L
H
L
L
L
H
H
H
H
15
H
X
H
H
H
H
H
L
L
L
L
L
L
L
BI
X
X
X
X
X
X
L
L
L
L
L
L
L
L
RI
H
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
LT
L
X
X
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
H
2.26.校时电路的设计
图9校时电路
当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。
通常，校正时间的方法是：
首先截断正常的计数通路，然后再进行人工触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。
根据要求，数字钟应具有分校正功能，因此，应截断分个位的直接计数通路，并采用正常的计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。
在实验实现过程中使用的是通过开关（普通开关）来实现高低电平的切换，手动赋予需要的高低电平来实现脉冲的供给，将脉冲提供到所需要的输入（CLK）端口，实现校时，仿真过程中能够正常校时并且在校时时达到了预定的效果；而在我们进入实际电路连接的时候，利用开关（手控导线点触实现）来实现校时再不像仿真那样的精确了，原因分析是由于使用的是普通的开关同时利用的是手动的CLK端口赋予脉冲信号，在实现手动生成脉冲信号的过程中产生了扰动，即相当于产生了多个脉冲信号对需要的数码管进行校时，如此，并没有达到仿真的精确效果，但是在实验中通过改进电路的校时方式，不是用手触开关产生脉冲信号（如若需要用手触则需要使用一个锁存器实现去抖动，才能够在脉冲生成的时候不产生干扰的脉冲，实现正常的校时），而是使用信号发生器实现信号的提供，对需要校时的数码管在相应的CLK端口提供脉冲信号实现校时，利用此方式实现校时则比手触开关方式效果要好。
2.27.整点报时电路
图10整点报时电路
报时功能的实现原理较为简单，即对所需要报时的输出量进行控制，并对控制产生的信号作为音箱发声的信号源，例如我们的报时时间59分51秒-53秒-55秒-57秒，分十位.分个位和秒十位保持不变，分别为5 9和5，因此可将计数器十位的Qc和Qa，个位的Qd和 Qa及秒计数器十位的Qc和Qa相与，同时由NE555所产生的100Hz的信号输出到74LS00与非门中，从而产生报时控制信号到蜂鸣器。
3.调试与分析
1、电源部分的安装与调试
根据已设计好的电路板，把所对应的相关元器件焊接在电路板上。
在电路板上设计之前已预留了5V的出线端口（P1口）和3.3V的出线端口（P2口），同时还设计了“时”与“分”和“分”与“秒”之间的指示灯，所以只要接通电源，指示灯将点亮，即电源部分正常。
2、脉冲信号电路的安装与调试
根据电路图焊接元器件。
NE555信号发生器的3号脚产生方波信号，在电路板上也已预留了方波信号测试端口（P3），在测试时接入了一个发光二级管，通过观察发光二级管灯的闪烁，既可得知NE555信号发生电路正常。
同样，对于分频器7490N的QD端会产生1Hz的方波脉冲，所以在它的输出端接入一个发光二级管，为了能够看得明白，在NE555输出端也同样接入发光二级管，共同闪烁，就可观察到两个发光二级管闪烁频率不同。
通过测试脉冲电路正常。
图11NE555波形仿真图
3. 计数器译码显示电路的安装和调试
观察在CP作用下，输出显示器，对正是60进制还是24进制。
在调试过程中，要注意以下几个问题：
（1） 根据74LS160的功能表，当触发脉冲由CP端输入时，EN端应接高电平，此时CP上升沿触发；当触发脉冲由EN端输入时，CP输入端接低点平，此时CP下降沿触发。
（所以在连接时，若是EN输入，则秒、分脉冲输出为Q2）
（2） CR为异步复位端，高电平有效。
当CR为高电平时，计数器复位；
正常计数时，应使CR=0。
（3） 芯片连接时，注意其管脚的输出与输入正确连接。
4.校时电路的安装和调试
按电路图在电路板上连线将电路输出。
拨动开关，观察显示器显示情况。
注意：
秒和时的控制开关为L时停止，分的控制开关为H时停止。
4.整点报时电路的安装和调试
按电路图所示连接电路，必须连接准确。
测试时，输入100Hz的信号，观察计数器在CP信号的作用下，喇叭发出声响的情况。
4.收获与体会
本次实验已基本完成，在这个过程中使我受益匪浅。
不仅训练了我查找资料的能力，更是一次很好考察所学的数电基础知识和模电基础知识。
通过此次课程设计的锻炼，自己的动手能力有了很大的提高，查找问题、解决问题的能力也有了相应的进步。
在电路图仿真的途中也遇到了很多自己当时无法解决的问题。
但是通过老师和同学的帮助，就把自己找不到的错误找出来了，可能这就是所谓的旁观者清吧。
在进行仿真电路设计的时候，一开始就已经能够很好的实现出来了。
但是为了追求更好的效果，就在不停的对电路图进行修改。
此次课程设计我们做的是数字式钟表，PCB板的制作中走线较多线路相对复杂，所以我们制作了独立的PCB电路板。
在设计的过程中考虑到PCB板的制作费用较为昂贵，所以一开始设计的所有直插式芯片全部改为贴片封装。
因为贴片封装的芯片体积小，占地面积小，使电路板的走线排布变得整洁简单。
但是由于更小体积的芯片封装，则带给了我们许多焊接的麻烦。
例如，对于专用的线路板，如果把芯片焊接错误或者虚焊漏焊，像这些错误一旦发生。
那么整个电路板也将随之废弃。
我们这次子所以设计PCB板就是为了追求完美减小成本费用，使得电路板焊接带来了巨大的麻烦。
对于芯片的选择是所有失误中的最大一次失误。
因为我们的数字式钟表的电路图主要来源于数字电力技术基础中的一部分，通过参考对照分别选择了74ls160和74ls48作为技术和驱动芯片，同时这两种芯片也是我们较为熟悉的芯片，所以选择了它。
一开始我们设计的电路板所有芯片都使用的是双列直插的封装，因为芯片一旦烧毁可以方便更换，但是在电路板布线的过程中对于双列直插布线异常艰难且盲孔过多，电路板面积过大，导致费用增高，所以在这种情况下我们选择了贴片封装。
虽然我们选择了贴片封装但是却没有在网上查找资料这种芯片的尺寸是否买得到，而是而是因为考虑到AltiumDesigner库中已有的芯片就一定能买得到。
但我们所有的设计都设计完之后，并且电路板做出来才发现我们所需要的芯片几乎买不到，使得我们陷入到极大的困难当中，最后不断的努力上网查找，最终还是找到了但是以昂贵的价格买到了它。
总的来说，本次设计有苦也有甜。
设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半，因此我们应该在设计前做好充分的准备。
同时在实践的过程中，一定不能半途而废，或者是中途改设计思路。
因为这样不仅会浪费大量的时间与精力，还会让你自己没有了一往直前的勇气。
因此，在做这些设计的时候一定需要耐心和勇气去克服在中途遇到的困难和阻力。
同时熟练地掌握课本上的知识，这对试验中出现的问题进行分析解决也是相当重要的。
这次设计留给我印象最深的是要成功地完成一个设计，必须要有耐心，更要有坚持的毅力。
5参考资料
[1]数字电路技术基础阎石主编高等教育出版社2008.9
[2]模拟电子电路技术基础
[3]七段数码管引脚图
[4]德州TI官网
6元器件清单
元器件名称
数量
PCB板
1
SN74LS160
6
74LS48
6
0.56寸共阴数码管
6
NE555
1
7490N
2
LED
5
0.1uF
6
100K滑动变阻器
2
SN74LS00
1
SN74LS04
1
SN74LS20
1
蜂鸣器
1
开关
5
3.3K电阻
2
10欧姆
1
500欧姆电阻排
6
电源接口
1
LT1086
1
1uH电感
2
附录1（PCB板、计数器）
附录2（硬件电路仿真图）：
附录3（原理图）：
附录4（PCB图）：
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