集成电路数字电子钟系统的设计说明.docx

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集成电路数字电子钟系统的设计说明

1设计任务……………………………………………………………………………1

1.1设计目的………………………………………………...………………………..1

1.2设计要求…………………………………………………………………….........1

1.3功能扩展…………………………………………………………………….........1

1.4方案对比…………………………………………………………………….........1

2数字电子钟系统设计………………………………………………………………3

2.1各部分设计原理…………………………………………………………….........3

2.1.1电源电路……………………………...………………………………………...4

2.1.2晶体振荡及分频电路…………………………………………………………..5

2.1.3时间计数单元……………………………………………………...…………...6

2.1.4译码与显示电路………………………………………………………………10

2.1.5校时校分电路…………………………………………………………………10

2.1.6整点报时电路…………………………………………………………………11

2.2扩展电路部分……………………………………………………………….......12

2.3整机原理图………………………………………………………………...........14

2.4元器件的选择……………………………………………………………….......15

3电路的调试和误差分析…………………………………………………………..16

3.1总体的调试步骤…………………………………………………………………16

3.2蜂鸣器功能测试…………………………………………………………………16

3.3计时功能调试及误差…………………………………………………...………16

4课程设计的收获、体会和建议…………………………………………………..16

4.1焊接调试过程中发现的问题……………………………………………………17

4.2设计体会………………………………………………………………...………17

4.3实验建议……………………………………………………………..….……….18

参考文献

附录

1设计任务

1.1设计目的

1、熟悉集成电路的引脚安排。

2、掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。

3、了解数字钟的组成及工作原理。

4、熟悉数字钟的设计与制作。

1.2设计要求

1、时间计数电路采用24进制，从00开始到23后再回到00；

2、各用2位数码管显示时、分、秒；

3、具有手动校时校分功能，可以分别对时、分进行单独校时，使其校正

标准时间；

4、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。

1、由一个数码显示管显示星期；

5、为了保证计时的稳定及准确，须由晶体振荡器提供时间基准信号。

1.3功能扩展

1、由一个数码显示管显示星期，星期计数采用7进制；

2、星期显示为，星期一至星期六显示分别为1、2、3、4、5、6，星期天显示为日（即为8）。

1.4方案对比

1、方案一

如图1，可知此方案的电路的校时开关中,电路存在开关抖动问题，使电路无法

正常工作。

图1方案一

2、方案二

如图2，此方案加采用基本RS触发器构成开关消除抖动电路。

图2方案二

总结：

由于方案二很好的解决了开关抖动的现象，选用方案二

2数字电子钟系统的设计

2.1各部分设计原理

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。

如下图3所示为数字钟的一般构成框图它由石英晶体振荡器、分频电路、计数器、译码显示器和较时电路组成。

数字钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。

它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和一些显示星期、报时、停电查看时间等附加功能。

因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。

干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。

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，一般用石英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。

图3数字钟构成框架图

2.1.1电源电路

主要选用器件：

变压器、电感、桥堆、稳压管7805、电容

图4中，是一个将频率为50Hz220V的单相交流电压转换为5V的直流电压的直流电压的直流稳压电源，经过变压、整流、滤波、稳压后，输出为5V直流电压。

图4电源电路

2.1.2晶体振荡及分频电路

图5晶体振荡及分频电路

图5中，石英晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的脉冲信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。

晶振出来接CD4060分频，从3端出来的脉冲为2Hz。

图6中，再把这2Hz的脉冲信号接入74LS74（此为双D触发器），由74LS74的5端出来即为数字钟的1Hz的脉冲。

图61Hz分频

2.1.3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24进制计数器，其输出为两位8421BCD码形式；分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码；一般采用10进制计数器来实现时间计数单元的计数功能，即我们选用74LS90。

在本电路中，第一组计数器74LS90—1用来作秒个位计数，输出端为1Q4~1Q1，计数围为0000~1001循环。

每当计数到1001（相当于10进制数的9）时，再输入一个计数脉冲则会变为0000，这时74LS90—1的1Q4由高电平变低电平输出一个负跳变脉冲到74LS90—2的时钟输入端即为14端，作为进位脉冲使第二组计数器74LS90—2作一次秒十位的计数。

同时74LS90--1开始作下一个计数循环。

秒十位计数为6进制（可以通过导线连接使10进制变为6进制。

实现原理：

输出端2Q42Q32Q22Q1要从0101跳变到0000,中间经过一个瞬间状态0110。

这时我们只须将2Q3接入74LS90—1、74LS90—2的1R端，2Q2接入到74LS90—1、74LS90—2的2R端）。

74LS90—2输出端为2Q4~2Q1，计数围为0000~0101循环。

每当计数到0101（相当于10进制数的5）时，再输入一个计数脉冲则会变为0000，这时74LS90—2的2Q32Q2两端经过一个二输入与门（74LS08）输出端再送到74LS90—3的CP端，作为进位脉冲使74LS90—3作一次分个位的计数。

同时74LS90—2开始作下一个计数循环。

同理分计数的实现原理与秒计数的实现原理一样，用第三组计数器74LS90—3作分个位计数，用第四组计数器74LS90—4作分十位计数。

第五组计数器74LS90—5和第六组计数器74LS90—6作为时计数器，但要设置为24进制。

由74LS90—4的2Q32Q2两端经过一个二输入与门输出端送到的74LS90—5的CP端，作为进位脉冲使74LS90—5作一次时个位的计数。

计数围也是0000~1001循环，当计数由1001变为0000输出一个负跳变脉冲到74LS90—2的时钟输入端即为14端，作为进位脉冲使第六组计数器74LS90—6作一次时十位的计数。

因为我们要求时间由23：

59：

59能跳到00：

00：

00。

所以当74LS90—4向74LS90—5再发一次脉冲时，74LS90—5、74LS90—6的输出端6Q46Q36Q26Q15Q45Q35Q25Q1要从00100011跳变到00000000，中间经过一个瞬间状态00100100。

这时我们只须将6Q2接入74LS90—5、74LS90—6的R1端，5Q3接入74LS90—5、74LS90—6的R2端。

（1）秒计数器、译码、显示电路（图7）

图7秒计数器、译码、显示电路

（图中74LS08的三端是接入分计时器的CP端）

（2）分计数器、译码、显示电路（图8）

图8分计数器、译码、显示电路

（图中74LS08的6端是接入时计时器的CP端）

（3）时计数器、译码、显示电路（图9）

图9时计数器、译码、显示电路

2.1.4译码与显示电路

译码和数码显示电路是将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来。

译码是把给定的代码进行翻译，将时、分、秒计数器输出的四位二进制代码翻译为相应的十进制数，并通过LED七段数码管。

而译码器采用CD4511器件组成，在译码显示电路输出信号的驱动下，显示出清晰直观的数字符号。

2.1.5校时校分电路

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，然后再进行人工出触发计数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，的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。

由于每个机械开关具有抖动现象，因此每一个开关都需要用RS触发器作为去抖电路。

采用RS基本触发器及单刀双掷开关组成，当截断正常的计数脉冲，就可以实现手动校时功能，如图10

图10消除开关抖动电路

（图中的74LS32的2端由秒计时器的74LS08的3端接入，74LS32的3端接入分计时器的CP端；74LS32的5端由分计时器的74LS08的6端接入，74LS32的6端接入时计时器的CP端）

2.1.6报时电路

整点报时电路：

根据要求，电路应在整点前10秒钟开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。

当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5、9和5，因此可将分计数器十位的Q3和Q1、个位的Q4和Q1及秒计数器十位的Q3和Q1相与，从而产生报时控制信号。

报时电路可选74LS30来构成。

74LS30为8输入与非门。

选蜂鸣器为电声器件，蜂鸣器是一种压电电声器件，当其两端加上一个直流电压时酒会发出鸣叫声，两个输入端是极性的，其较长引脚应与高电位相连。

与非门74LS30输出端应与蜂鸣器的负极相连，而蜂鸣器的正极则应与电源相连。

如图11。

图11报时电路

2.2扩展电路部分

“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。

每累计24小时，发出一个“星期脉冲”信号，该信号将被送到“星期计数器”，“星期计数器”采用7进制计时器，可实现对一周7天的累计。

译码显示电路将“星期”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。

星期显示为，星期一至星期六显示分别为1、2、3、4、5、6，星期天显示为日（即为8，这样更符合我们日常生活习惯）。

同时还可以对星期进行校星期。

2.2.1扩展电路原理

“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。

每累计24小时，发出一个“星期脉冲”信号。

为实现此操作，只需要把74LS90—6的6Q2和74LS90—5的5Q3接入二输入与门输出到星期计数器74LS90—7的CP端作为作为进位脉冲使74LS90—7作一次星期的计数。

星期计数为7进制也要通过导线连接使10进制变为7进制。

实现原理：

输出端1Q41Q31Q21Q1要从0110跳变到0000,中间经过一个瞬间状态0111。

这时我们只须将1Q31Q21Q1三端经过一个四输入与非门（74LS20）和一个或门送到端R1和R2。

星期一显示“1”，星期二显示“2”，……星期六显示“6”，星期天显示“日”。

这是要把74LS90—7的Q3Q21Q1三端经过一个三输入或非门（74LS27）和一个非门送到本级译码器CD4511的

端即可。

2.2.2星期计数器、译码、显示电路（图12）

图12星期计数器、译码、显示电路

（图中的74LS32中的1端由时计数器74LS90—6的6Q2和74LS90—5的5Q3接

入二输入与门输入）

2.3整机原理图

图13整机原理图

2.4元器件选择

表一元件清单

元件名称

数量

晶振32768Hz

电容103

双位数码管显示器

共阴数码管LED

CD4060

CD4511（译码器）

74LS00

74LS04

74LS08

74LS20

74LS30

74LS32

74LS74

74LS90

IC插座

电阻

按钮开关

连接导线

实验工具箱

蜂鸣器

万能板

电源包

1个

2个

4个

3个

1个

7个

7个

2个

1个

1个

1个

1个

1个

7个

14脚16个，16脚7个，40脚2个

2K8个，22M1个，0.01K2个

带锁2个不带锁3个

若干

1个

1个

2片

含变压器9V/10W一个，LM7805（三端稳压）1个，桥堆RS207

电容若干

3电路的调试及误差分析

3.1总体的调试步骤

（1）用示波器检测石英晶振的输出信号波形和频率，输出频率应为32768Hz。

（2）将32768Hz信号送入分频电路，用示波器检测输出频率是否符合要求。

（3）将1Hz秒脉冲分别送入时、分、秒计数器，检查各组计数器的工作情况。

（4）观察较时电路的功能是否满足要求。

（5）当分频电路和计数器调试正常后，观察电子钟是否准确，正常工作。

3.2蜂鸣器功能测试

使数字时钟从00：

59：

50开始计时。

当计数显示为00：

59：

51时，蜂鸣器开始工作，发出一秒响一秒停的有规律声音。

具体是00：

59：

51响，00：

59：

52停；00：

59：

53响，00：

59：

54停；00：

59：

55响，00：

59：

56停；00：

59：

57响，00：

59：

58停；00：

59：

59响，01：

00：

00停。

从以上测试结果可知，蜂鸣器工作完全正常，达到理论要求。

3.3计时功能调试及误差

表2功能测试表

数字时钟测试数据

手机显示的数据

10s

20s

60s

5分钟（300s）

10分钟（600s）

10.2s

20.5s

60.7s

300.9s

600.6s

经测试表2可知，故系统在运行时有一定的误差，其原因是晶体振荡的特点所决定的，同时与芯片的部结构有关，同时存在人为按键误差。

从数据来看，最大误差小于1％，达到设计要求。

4课程设计的收获、体会和建议

实验之初，由于之前曾做过与之相似的电子秒表实验，所以设计电路得时候并不是太困难。

可是，随之实验最后部分的到来，组人员一下转入困境之中，任凭百般检查，都不能得出正确的显示效果。

一方面，我们想早日完成，以得到可观的分数；另一方面，随之学期末的接近，各科目也陆续要开始期末考，所以提早完成实验，快些转入复习也是我们的愿望。

所以这么一来，我们就更加着急了，到底是什么原因呢？

针对此问题，我们研究并对个部分一一加以检查，最终使时间正确显示。

通过本次实验，我们的手动能力和经验有了一定程度的加强。

在数字电子技术的理论知识上也有了更深的了解，特别是对芯片的功能、引脚有了进一步的了解。

在调试的过程中，通过排除故障，我们学到了许多从书本上学不到得经验。

4.1焊接调试过程中发现的问题如下

（1）在分别焊接完秒、分、时后，发现分钟变成了二十进制，当时以为时焊接的时候把8和9端焊接在一起了，但检查中，发现线路没有问题。

再次查找问题时，认为时IC插座的问题，换上另一个没有问题的IC插座，问题还是分钟问二十进制。

经过一番的检查，才知道74LS08有些与门坏了，换另外一个问题解决了。

焊接电路中需要我们认真的做一些检查，这也是我们这次实习中要学会的知识

（2）在调试过程中，发现校时和校分很不稳定，当时以为是接线的问题，就这个问题，我们想了很多的办法，从焊了很多的地方，但是问题同样还是没有解决。

这个问题困扰着我们，询问了很多的同学，也试用了他们提供的一些方法，问题同样没有解决。

最后，还是在我们认真，仔细的调试和检查中，发现是因为地线，正是因为地线的焊接不好而导致显示、校时和校分的乱显。

（3）当我们把第一个焊接好的秒显示器焊好时，就进行测试，发现不能进行计数，我们认为计数信号已经接入了，应该是没有问题的，进一步检查发现是没有74LS90的电源没有接入，接入电源既可计数。

（4）在调试数码显示器时，发现有些显示管不能正常显示，我们认为是显示管的问题，但用了确定是能正常显示的显示器来代替原来的显示器，发现问题并不在于显示器。

我们再次从IC插座上检查显示器与CD4511的连接，发现是其中的一条没有焊接好，也就是有两个显示管的引脚接入了CD4511的同一个的同一个引脚上。

4.2设计体会

我们这次的最大体会就是在焊接电路中要非常小心。

因为可能就是因为焊接的一点点小错误就会导致显示的错误，而这些错误一犯，在调试过程中会很难发现是哪个地方出错了，而且要花费大量的时间来进行调试。

为此在焊接过程中一定要认真、仔细，切勿操之过急。

在调试过程中，可能因为一些芯片的问题而导致这个显示的不正常，这就是要求我们要学会测试芯片，就是在发现有些问题不能解决时可以检测一下是否是芯片的问题。

当然学会了调试是我们很重要的实习目的之一，还有在此次实验之后，我们能够巩固和运用了在“模拟电子技术”、“数字电子技术”及“电路分析”等课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握了常用电子电路的一般设计方法，提高了设计能力和实验技能。

在此次的数字钟设计过程中，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。

在连接六进制，十进制，六十进制的进位及二十四进制的接法中，要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。

焊接比较复杂，往往是焊错一根导线就会导致整个电路功能实现不了。

在设计电路中，往往是先仿真后连接实物图。

通过这次的实习，我们学会了利用仿真软件来设计电路图，并对电路图进行仿真调试发现问题。

但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的。

由于在仿真软件中的元器件过于理想化，与实际情况不相符合，实际的电路中可能出现很多的错误，这就要我们认真的进行方案对比，选出更好的方案。

比如在开关方面，在仿真软件中不会考虑到开关抖动方面的现象，这就要根据实际情况来筛选方案，选取ＲＳ触发来防止开关抖动而导致的无确取得所要的读数。

4.3实验建议

我们建议在以后的设计中，老师要鼓励学生进行更多的创新，让学生充分发挥自己的想象力和才能，让学生去设计更有创意的扩展功能。

同时尽量提供实验所需的元器件。

此外，如果可能的话以后尽可能不要把实验安排在期末，这样的话学生有更充裕的时间来完成实验。

参考文献

[1]唐华光,大钦.电子技术基础数字部分（第五版）.：

高等教育.2006

[2]唐华光,大钦.电子技术基础模拟部分（第五版）.：

高等教育.2006

[3]华南农业大学工程学院电工电子教研室.电子技术实验.2007

[4]中外集成电路简明速查手册，TIL电、CMOS电路.M.：

国防工业出版

社，2006

[5]步生，吴渭.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用.：

电子工业出

版社，2002

[6]黎红,黄培根,朱维婷.模电数电基础实验及Multisim7仿真.：

大

学，2007

附录

以下为上面所用到的各芯片的引脚图