数字钟的设计与制作.docx
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数字钟的设计与制作
数字电子电路
课程设计说明书
题目名称：
数字钟的设计与制作
姓名：
hugh
班级：
电气101
学号：
日期：
2012年12月25日
一．设计题目：
数字钟的设计与制作
二．指标要求：
1.显示时、分、秒。
采用24小时制。
2.制作、调试出一个具有直流电源、简易信号源及用来计“时”“分”“秒”的数字钟系统。
并按照直流电源、简易信号源、及“秒”、“分”进位和“时”循环进位是否正常给予不同记分。
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。
三．设计计算：
1．总体方案设计：
1）数字钟的构成
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。
（a）数字钟组成框图
2）数字钟的工作原理
数字电子钟组成一般由振荡器、分频器、计数器、译码器及显示器等几部分组成。
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计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。
“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数器电路实现，“分”的显示电路与“秒”相同。
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，一般用晶体振荡器加分频器来实现。
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。
译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED七段显示器显示出来。
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。
校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。
（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12786Hz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12786Hz的高频方波信号经12786（）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f=N/t2-t1。
（3）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24进制计数器.
（4）译码驱动及显示单元
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。
数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管。
2．单元电路设计：
（1）晶体振荡器电路设计
给数字钟提供一个频率稳定准确的12786Hz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。
一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用TTL门电路构成；CMOS非门构成的电路；一类是555构成。
本次设计采用了后一种。
，由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，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。
电容C1、C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，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。
晶体XTAL的频率选为12786HZ。
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。
从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。
当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。
由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ。
较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
（2）分频器电路
通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，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。
74LS161内部框图
（3）时间计数单元
时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。
时计数单元一般为二十四进制计数器计数器，其输出为两位8424BCD码形式；分计数和秒计数单元为六十进制计数器，其输出也为8421BCD码。
采用模16计数器74LS161来实现计数单元的计数功能。
74LS161功能表
其中Q3Q2Q1Q0即为QDQCQBQA
秒计数单元为六十进制计数器，它有两位组成将两片74LS161接入电路，然后用清零法将其接成显（00—59）的进制，并将其输出端接在数码管上显示，来表示电子钟的秒。
个位：
CP接1Hz.用74LS161的输出Q3Q1（Q3Q2Q1Q0=1010）与非后接到其清零端CR，此时它成为十进制计数器，显示的是（0—9）。
十位：
用74LS161的输出Q2Q1（Q3Q2Q1Q0=0110）与非后接到其清零端CR，此时它成为六进制计数器，显示的是（0—5）。
并将个位与非后的结果作为十位其脉冲输入端。
图3-7六十进制
分的设计：
设计秒的方法设计一个电子钟的分。
个位：
秒的十位Q2Q1（Q3Q2Q1Q0=0110）与非后接到CP端。
用74LS161的输出Q3Q1（Q3Q2Q1Q0=1010）与非后接到其清零端CR，此时它成为十进制计数器，显示的是（0—9）。
十位：
用74LS161的输出Q2Q1（Q3Q2Q1Q0=0110）与非后接到其清零端CR，此时它成为六进制计数器，显示的是（0—5）。
并将个位与非后的结果作为其脉冲输入端。
时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求整个时计数单元应为二十四进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行二十四进制转换。
利用2片74LS161实现二十四进制计数功能的电路如图3-8所示。
图3-8二十四进制
当时计数单元的个位计数器计数为0100，十位计数器计数为0010时，清零。
图1
秒的计数单元
分的计数单元
时的计数单元
（4）译码驱动及显示单元
在数字钟电路中，译码器的输入信号就是计数器的输出信号，它的输出端接至数码管。
计数器输出的四位BCD码经译码后，变成某个十进制数字对应的控制电平，去驱动数码管各段发光，从而把该数字显示出来。
试验中采用8421BCD译码器CD4511。
它与LED数码管的连接如图3-9所示。
图3-9共阴极译码电路
十进
制数
输入
BI/RBO
输出
LT
RBI
DCBA
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
0000
H
1
1
1
1
1
1
0
1
H
×
0001
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
×
0010
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
×
0011
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
×
0100
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
×
0101
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
×
0110
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
×
0111
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
×
1000
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
×
1001
H
1
1
1
0
0
1
1
10
H
×
1010
H
0
0
0
1
1
0
1
11
H
×
1011
H
0
0
1
1
0
0
1
12
H
×
1100
H
0
1
0
0
0
1
1
13
H
×
1101
H
1
0
0
1
0
1
1
14
H
×
1110
H
0
0
0
1
1
1
1
15
H
×
1111
H
0
0
0
0
0
0
0
BI
×
×
××××
L
0
0
0
0
0
0
0
RBI
H
L
0000
L
0
0
0
0
0
0
0
LT
L
×
××××
H
1
1
1
1
1
1
1
3.总体电路：
四．制作调试：
焊接完成后去调试时，发现结果不正常，秒竟然是计数到100也不能进位，后来又仔细检查一边电路，原来一根线给接错位置，改正过来后就正常显示结果了。
五．总结：
通过这次课程设计，我对数字电子技术的理论知识的理解更加深刻，对时序电路的设计步骤也更加熟悉。
在本次设计中，我还发现了一点问题，就是理论和实际并不是完全符合的。
比如对于74LS161计数器芯片来说，他本是十进制计数器，若用它构成六进制计数器，按照理论知识，只需要将它的输出端Q1和Q2端通过一个与门后反馈到清零端CR即可。
但在实际应用中，按照理论上的接法并不能实现六进制，而是需要将他的Q0端取反后再与Q1和Q2相与反馈到清零端CR，才能实现六进制计数。
另外，秒钟单元电路向分钟单元电路提供脉冲的进位信号不能直接加到分钟单元电路的脉冲端口上，而是需要经过一个非门后再加到分钟单元电路的脉冲输入端上。
同时，还要给这部分进位电路并联一个开关（详见总电路图），且在接通电源之前应保持该开关的闭合状态，接通电源后应先断开该开关，然后再接通脉冲单元电路，否则将不能保证整个电路的零状态。
此外，本次课程设计比较仓促，只是完成了设计的基本功能，其拓展功能没有精力去深究，等到以后有时间再逐步完善该电路的拓展功能。
由于时间短暂和本人能力有限，本电路的设计可能存在一定问题和缺陷，还需再努力。
六．元器件清单
1.七段数码管：
6块
2.74LS161可逆计数器：
6片
3.CD4511——七段译码器：
6片
4.74LS00三—3输入与门：
2片
5.74ALS04输入与门：
1块
6.电阻：
42个
七．参考文献：
[1]彭介华.数字电子电路课程设计指导.北京：
高等教育出版社，2002.
[2]康华光.数字电子电路基础－数字部分.北京：
高等教育出版社，2002.
[3]清华大学教研组编，阎石主编：
《数字电子技术基础》（第四版），北京，高等教育出版社，2004年。
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