数字钟最终版本.docx
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数字钟最终版本
琼州学院本科生课程设计
《数字电子技术》课程设计
设计题目：
数字钟DigitalClock
专业：
通信工程
班级：
2009级
学生姓名：
王威
学号：
09216035
起止日期：
2011、5~2011、6
指导教师：
杨伟
2011年6月
数字钟
摘要：
数字钟是一种既具有逻辑电路又具有时序电路的一种典型性的数字电路，它是用以实现时、分、秒的计时装置，它由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、来达到六十进制，和二十四进制，以及整点报时的设计要求。
关键词：
数字钟、进制、振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器校时，报时
1、设计要求：
①时钟功能具有显示日、时、分、秒的功能；
②具有快速较准时、分、秒的功能；
③具有整点报时的功能，在离整定10s时，便自动发出鸣叫声，步长1s，每隔1s鸣叫一次，前4响是低音，后1响为高音，共鸣叫5次，最后1响结束时为整点；
④整点报时高音为1000Hz；
⑤计时准确度每天计时误差不超过10秒
2、数字时钟的电路系统设计：
2.1设计原理
数字电子钟是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
它由振荡器、分配器、计数器、译码器和显示器电路组成。
振荡器产生的时钟信号经过分频器形成秒脉冲信号，秒脉冲信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。
秒计数器电路计满60后触发分计数器电路，分计数器电路计满60后触发时计数器电路，当计满24小时后又开始下一轮的循环计数。
通过校时电路可以对分和时进行校时，且计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。
2.2整体构思
数字钟是用计数器、译码器和显示器等集成电路实现“时”、“分”、“秒”按照数字方式显示的计数装置，主要由振荡器、分频器、校时电路、整点报时电路、计数器、译码器和显示器六部分组成；
1荡器电路：
555多谐震荡电路电路给数字钟提供一个频率方波信号，可保证数字钟的走时稳定。
⑵分频器电路：
分频器电路将高频方波信号经分频后得到低频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。
⑶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24进制计数器。
⑷译码驱动电路：
译码驱动电路将计数器输出的4511BD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。
⑸整点报时电路：
一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波。
数字钟总体框架图
（1）
3、数字钟各部分电路的设计
3.1振荡器电路
振荡器是数字钟的核心。
振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路，也可以选择555定时器。
我在这里选择的是555定时器。
555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路，因集成电路内部含有3个5KΩ电阻而得名。
该电路使用灵活、方便，只需接少量的阻容元件就可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，且价格便宜。
555定时器广泛应用于信号的产生、变换、控制与检测。
表2-1555定时器的功能表
复位端
高电平触发端U11
低电平触发端U12
放电三极管VTD
输出端UO
0
×
×
导通
0
1
>2/3VCC
>1/3VCC
导通
0
1
<2/3VCC
>1/3VCC
不变
不变
1
>2/3VCC
<1/3VCC
截止
1
1
<2/3VCC
<1/3VCC
截止
1
555定时器构成的振荡电路如图
图2
用555组成的脉冲产生电路:
R3=R4=47KΩC=10μF ，则理论上555所产生的脉冲的为:
f=1/（R3+2R4）Cln2=1/（47000+47000*2）*0.000001=1Hz,而设计要求为1Hz,因此理论上其误差为0,但是在实际中有很大的不确定性。
图3
3.2时间计数电路的设计
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，小时计数器为24进制计数器。
用6个74LS90组成两个60进制和一个24进制计数器。
分别如图4和5。
图4
对于上图，74LS90芯片的引脚8、9、11、12分别对应QC、QB、QD、QA四个输出端，而第5端和第10端分别接高电平和地，上图已默认，就不画出，下面的电路图凡涉及到芯片本身就需要接高电平和地的引脚亦不画出。
当分的74LS90芯片的进位输入端11端的脉冲进位信号传到时的脉冲输入端时，时便计数一次，并且其十位和个位的进位关系与分（秒）的十位和个位的进位关系一样，此处不再重述。
24进制电路图如图5。
图5
3.3整点报时电路的设计
当分和秒计数器计到59分50秒时，“分”十位QDQCQBQA=0101，“分”个位QDQCQBQA=1001，“秒”十位QDQCQBQA=0101，“秒”个位QDQCQBQA=0000，从59分50秒到60分0秒（0分0秒），只有“秒”个位在计数，最后到整点时全部置“0”，从图中可以看出在59分50秒到59分59秒，门2的输入全为高电平，门3输入除“秒”个位QA外也是高电平，那么当秒个位QA=1（QA=0）时门3输出高电平，这个时间正对应是50秒、52秒、54秒、56秒、58秒。
在这几个时间上，500HZ的振荡信号可以通过门1，再经过门4送出音响电路，发出五次音响。
而当时间达到整点时，门3输出为0，500Hz的信号不能通过门1。
此刻在分十位有一个反馈归零信号QCQB，把它引来触发由门6、门7构成的基本RS触发器并使门6的输出为高电平“1”，这时1KHz振荡信号可以通过门5，再经门4，送入音响电路，在整点时，报出最后一响。
触发器的状态保持1S时间后被“秒”个位QA作用回到零，整个电路结束报时。
报时所需的500Hz和1KHz信号可以从分频电路中取出。
图6
3.4校时电路的设计
数字种启动后,每当数字钟显示与实际时间不符进,需要根据标准时间进行校时。
由于秒钟误差比较的小，在这里不进行“秒”校时，校“分”、“时”的原理比较简单，采用加速校时，即用外开关通过与非门开通电路的脉冲通道使其进入“时”或者“分”的CLOCK输入端，作为计数脉冲进行校时。
如图所示，当开关打向下时，因为校正信号和0相与的输出为0，而开关的另一端接高电平，正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处于正常计时状态；当开关打向上时，情况正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态。
与非门可选74LS00，非门则可用与非门2个输入端并接来代替节省芯片。
因此实际使用时，须对开关的状态进行消除抖动处理，图加2个0.01uF的电容。
图7
3.5分频器的设计
在数字电路中，分频器是一种可以进行频率变换的电路，其输入、输出信号是频率不同的脉冲序列。
输入、输出信号频率的比值称为分频比。
分频器是用于产生标准的“秒”计时信号，在本项设计中需要1KHz、500Hz、1Hz的脉冲信号。
我们知道把555定时器产生的1KHz的时间标准信号，经过103分频，即需要经过3级十分频得到1Hz的“秒”计时信号。
再经2分频获得500Hz脉冲信号，因此我们用三块74LS90来实现3级十分频。
图8
3.6译码驱动显示电路
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。
用于驱动LED七段数码管的译码器常用的有4511BD。
4511BD是BCD-7段译码器/驱动器，其具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器，专用于驱动LED七段共阳极显示数码管。
由4511BD和LED七段共阳数码管组成的一位数码显示电路如图所示。
若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。
图9
4、整体电路图设计
图10
本次设计后的方案分电源电路、时间计数电路、正点报时电路、校时电路、秒信号发生器电路和译码驱动显示电路等几个模块，设计后分别送到计算机模拟软件Multisim10中中进行模拟调试用实验室的秒表进行测试数字钟的精确度，测试结果如表1；
表1数字钟时间与秒表时间的比较表
秒表时间（单位：
秒）
数字钟时间
误差（单位：
秒）
00
00：
00：
00
0
30
00：
00：
30
0
60.01
00：
01：
00
0.01
90
00：
01：
30
0
120
00：
02：
00
0
150.02
00：
02：
30
0.02
180.03
00：
03：
00
0.03
5、误差分析
从表1可看出，误差接近于0，而且理论上，误差本来是累积的，但实际上不然，该表的数据已显示数字钟走了90秒和120秒时的误差与走了60秒的误差并不相关联，亦即误差不累积。
因此易得出此误差值为人的反应时间（包括视觉反应时间和手的反应时间），并不是数字钟本身的误差。
因此，此数字钟的精确度相当高，满足设计要求。
6、原件清单；
表2元器件清单一览表
元器件
数量
SN74LS90N
9
CD4511BE
6
数码显示管
6
74LS00
4
10K滑动变阻器
1
0.1uF电容
2
5.1K电阻
1
2K电阻
1
555定时器
4
蜂鸣器
1
0-50欧电阻
6
74LS08
2
单刀双掷开关
2
电感
4
7、实验心得体会
1、加强了团队合作精神。
很难想象，如果我们各人之间没有好好的配合，设计过程将成为一团乱麻。
正是由于各人做好了应该做的工作，整个过程才能一气呵成。
更为可贵的是，我们彼此鼓励，同舟共济地处理每个问题。
这种团队精神将是我们美好的回忆。
2、提高了对芯片的认识。
为了在实验室里做好测试工作，我们必须对所用到的芯片了解得一清二楚。
通过查阅手册，或者询问老师，我们终于对芯片的引脚功能熟透，这样不但测试起来可靠，对以后的学习也是有极大的帮助。
3、磨练了我们的意志力。
我们花了很多心血来做这个课程设计，但凡事不是一帆风顺的，我们遇到了许多困难。
有些困难甚至看进来难于解决，确实也是打击了我们的信心。
但我们毫不气馁，认真地检查电路。
4、做到理论联系实际。
刚刚学过了数电这门课程，还没完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次课程设计恰恰提供了一个好机会，让我们从实践中悟出电子技术的深奥之处。
在做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限，明白了只学好课本上的知识是不够的，要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩充自己的知识。
在实验过程中我们曾经遇到过问题。
一个是在电路接好之后计数的显示结果不正确,经分析，检察后我们请老师帮我们检察了电路，知道了是电路导线坏了，于是改正了错误。
我们遇到的第二个问题是有一个芯片忘记了接地。
由于连线较多，所以我们没有一时检察出问题，但是我们没有沮丧。
在使用万用表测量各个接点电压后我们找到了原因。
但是从中我们学习到了如何对待遇到的困难，进一步培养了我们一丝不苟的科学态度和不厌其烦的耐心。
所有的这些心得会对我以后的学习和工作有帮助作用。
参考文献
[1]张桂芬，电子技术基础，人民邮电出版社，2007年
[2]谢自美，电子线路设计，实验，测试，华中科技大学
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