多功能数字钟.docx
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多功能数字钟
多功能数字计时器设计
——电子电工综合实验
（二）实验报告
专业：
电气工程及其自动化
院系：
自动化学院
目录
一．设计目的--------------------------------2
二．设计要求-------------------------------2
三．设计原理-------------------------------2
1．系统的整体设计原理----------------------2
2．部分功能设计------------------------3
（1）脉冲发生电路-------------------3
（2）计时电路-----------------------3
（3）报时电路-----------------------5
（4）校分电路-----------------------6
（5）清零电路-----------------------6
（6）整体电路-----------------------7
（7）附加电路（电路启停功能）-------7
四、遇到的问题与体会------------------------8
五．附录--------------------------------9
1．元器件清单-----------------------------9
2．参考文献-----------------------------12
一、设计目的：
1、掌握常见集成电路的工作原理和使用方法。
2、学会单元电路的设计方法。
二、设计要求：
1．设计一个脉冲发生电路，为计时器提供秒脉冲，为报时电路提供驱动蜂鸣器的脉冲信号。
2．设计计时电路，完成0分00秒到59分59秒的计时功能。
3．设计报时电路，使数字计时器从59分53秒开始报时，每隔一秒发一声，共发三次低音，一声高音：
即59分53秒、59分55秒、59分57秒发低音（频率为1kHz）,59分59秒发高音（频率为2kHz）。
4．设计校分电路，在任何时刻拨动校分开关，可进行快速校分。
5．设计清零电路，具有开机自动清零功能，并且在任何时候，按动清零开关，可以进行计时器清零。
6．设计级联调试，将上述电路级联完成计数器的所有功能。
7．增加数字计时器附加功能，例如数字计时器定时功能、电路启停功能、电路采用动态显示等。
三、实验原理：
1．系统的整体设计原理
数字计时器是由计时电路、译码显示电路、脉冲发生电路和校分控制电路、清零控电路控制电路组成的。
具体的原理框图如下：
2．部分功能设计：
（1）秒脉冲发生电路
脉冲发生电路是由振荡器与分频器组成，振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的精准度决定了计时器的准确度，所以通常选用石英晶体来构成振荡器电路，一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度越高。
此电路需提供四个频率的脉冲：
1Hz（计时电路）、2Hz（较分电路）、1KHz（报时电路）、2KHz（报时电路）。
采用石英晶体晶振构成振荡器电路，产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经过一个由D触发器构成的二分频电路输出标准秒脉冲（1HZ）。
在这里我们选用了CC4060分频器，并结合74LS74型触发器来构成分频器，可以得到不同频率的输入信号。
采用晶振的固有频率为32768HZ=215HZ。
（2）计时电路
计时器电路由1片CD4518和1片74LS161组成。
1片CD4518分别是分个位、秒个位的计时，而74LS161则设计秒十位的计时或进位。
秒个位接受从信号源发出的1Hz信号，按秒的频率进行计时（模十），根据计数器反馈复位计数原理连接秒十位（模六）的进位端。
同理连接分个位。
具体地，秒脉冲电路产生的秒脉冲信号送入秒个位计数器（CD4518A）的cp端，即将秒个位的,即最高计数位作为驱动信号通过一个非门送入秒十位使能端cp端。
同时，使用反馈置数法将秒十位的计数位的输出端2Qa和2Qc与非，最终的结果送入置数端load，用异步置数实现模6计数。
最后连接显示译码器，用3片CD4511和1个300Ω的电阻按电路图连接。
CC4518（分位、秒个位）、74LS161（秒十位）
译码显示电路
译码器CC4511连接显示器，共阴极LED七段字型数码管。
（3）报时电路
报时电路的设计要求是在59分53秒，59分55秒，59分57秒发低音，在59分59秒发高音。
设计图如下所示：
其中或门的输入为脉冲信号。
因为要求是在59分53秒，59分55秒，59分57秒发低音，即分十位为0101，分个位为1001，秒十位为0101，秒个位为0011，或0101，或0111。
得到:
F=
=
（
+
+
+
）
=
=
用所得到的F通过与门来控制输入信号的频率（1KHz），将与门输出接入到蜂鸣器的或门输入端，就可以实现发低音的要求。
同样地，为了实现在59分59秒发高音的功能，在分十位为0101，分个位为1001，秒十位为0101，秒个位为1001时送入频率为2KHz的脉冲就可以实现发高音的功能。
（4）校分电路
设计一个开关，当开关打到正常挡时，计数器正常计数，当开关打到校分挡时计数器可以快速校分，即分计数器可以不受秒计数器的进位脉冲的限制。
而选统一较快的校分信号进行快速校分。
校分电路是通过控制分的CP脉冲信号频率来对分的进行校正的。
当不需要校分时，分的CP信号由正常的计数器秒的十位提供的脉冲信号控制。
校分时，分的CP信号变成频率较高一些的脉冲信号，譬如2Hz。
这样就可以进行较快的校分了。
（5）清零电路
设计要求电路能够完成开机清零和手动清零两个功能。
7400清零端低电平有效——清零。
同样我们利用4518的高电平清零与7400的低电平清零的特点，只要在7400的清零端的输入信号通过一个非门后在接到4518的两个清零端就可以完成开机清零和手动清零两个功能了。
电路图如下：
（6）总电路图
（7）附加功能：
起停原理及电路图
自动起停就是在某一个设定时刻自动停止，在设定好的一定时间后，记时又自动重新开始，在此过程中无须人工干预。
此次自动起停功能具体设计为：
在1分37秒自动停止5秒后又重新计数。
根据74161的功能表，当没到设定的停止时间时，～LOAD一直是“0”信号输入，使得在置数输入端预置的0111置数至
端，由
端与1Hz求与后输入秒个位的CP端，正常计数。
直至1分37秒，“1”信号输入～LOAD，74161在1Hz的脉冲信号下，0111，1000，1001，1010，1011计数，
端输出“0”信号，1Hz的信号无法进入秒个位的信号端，正好五秒的等待，
端重新输出为“1”。
完成自动起停功能。
电路图如下所示。
四、实验中遇到的问题及解决方法
在做实验前,指导老师规定了电源和地线的连接方法，这样确实有许多好处，很方便的看出输入端接的是高电平还是低点平。
在实验中我一直用着这种连线方法，只要输入端接高电平就用红线（或浅色线），低电平就用黑线（或深色线），为电路的检查带来了很多便利。
在电路某一模块功能的实现过程中也是采用相同颜色电线搭接的，方便检查线路。
由于连线比较规则，基础电路部分很快就做完了，基本没有遇到什么困难。
在报时电路的连接中，出现了问题，接通电路，蜂鸣器就开始响。
研究了许久，还是没有发现电路设计上有任何的问题。
重新检查时，发现有一根74ls21的电源VCC连接出现错位，导致了与门功能出现了问题。
明白了要细心连线。
在附加电路（启停功能）的实验连接中，基本没有什么问题。
做完实验，学到的东西也很多。
首先，熟悉电路图，对计时器的各种功能进行分析，并且结合所学知识及所给的元器件和电路图认真分析各部分电路的功能和原理。
其次，实验线路连接有层次，有条理。
电路分块搭接，电源、地线首先搭好，各块电路用不同颜色连线加以区别，方便线路检查。
连线长短要合适，避免交叉，为拆线带来方便。
增强安全意识，电路出现问题迅速断电，避免造成元器件损坏。
再次，实验中出现问题，冷静处理。
仔细检查线路，自行分析出错原因。
学会使用仪器对线路进行检查与调试。
必要时向同学、老师寻求帮助。
通过自己解决实验中遇到的问题，巩固了理论知识,锻炼了我的动手能力，学到了很多书本上学不到的电路调试经验，我还懂得做任何事情都要有条理。
要细心耐心。
五、附录
附录１（元器件名称）
工具（剪刀、镊子、播线钳）一套
接线板一块
导线
元器件：
名称
型号
数量
显示字
共阴
3
译码器（驱动共阴）
4511
3
BCD码计数器
4518
1
四位二进制计数器
74161
1
分频器
4060
1
D触发器
7474
1
非门
4069
1
二入与非门
7400
2
四入与门
7421
2
二入与门
7432
1
蜂鸣器
1
晶振
32768Hz
1
开关
2
三极管（NPN）
3DG6
1
电容
10p
20p
22uf
1
1
1
电阻
470
10k
22M
330
1
4
1
1
附录2（所用器件的引脚图和功能表）
一、14位二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060
1.引脚图
2.功能表
CP
Cr
功能
↓
↓
↑
0
计数
任意
0
1
1
复位
二、译码器CD4511
1.引脚图
2.功能表
输入
输出
LE
D
C
B
A
g
f
e
d
c
b
a
字符
测灯
0
X
X
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
灭零
1
0
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
锁存
1
1
1
X
X
X
X
显示LE=0→1时数据
译
码
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
2
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
3
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
4
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
5
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
6
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
7
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
9
三、CD4518双四位同步BCD码加法计数器
1.引脚图
2.功能表
输入
输出
Cr
CP
EN
清零
1
X
X
0
0
0
0
计数
0
↑
1
BCD码加法计数
保持
0
X
0
保持
计数
0
0
↓
BCD码加法计数
保持
0
1
X
保持
四、CC4069（反相器）引脚图
五、74LS00（与非）引脚图
六、74LS21（与门）引脚图
七、74LS74（双D触发器）引脚图
八、74LS32（或门）引脚图
九、74LS161
1.引脚图
2.功能表
输入
输出
CP
D
C
B
A
清零
X
0
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
0
送数
↑
1
0
X
X
d
c
b
a
d
c
b
a
0-1
计数
↑
1
1
1
1
X
X
X
X
二进制计数
保持
X
1
1
0
1
X
X
X
X
不变
保持
X
1
1
1
0
X
X
X
X
不变
十、LED数码管引脚图
参考文献：
数字逻辑电路与系统设计/蒋立平主编.–北京：
电子工业出版社，2008.7
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