数字钟的设计与制作.docx
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数字钟的设计与制作
目录
前言
摘要……………………………………………………………………2
关键词…………………………………………………………………2
引言……………………………………………………………………2
设计任务与要求…………………………………………………………2
1方案论证……………………………………………………………3
1.1方案一……………………………………………………………3
1.2方案二……………………………………………………………4
2芯片介绍……………………………………………………………5
2.1脉冲产生电路主要芯片………………………………………………5
2.2译码器芯片…………………………………………………………7
2.3计数器芯片…………………………………………………………9
3单元电路的设计……………………………………………………10
3.1电源的设计………………………………………………………10
3.2数字钟脉冲电路的设计………………………………………………11
3.3秒及分计数电路的设计………………………………………………12
3.4时计数电路的设计……………………………………………………13
3.5译码显示电路的设计…………………………………………………13
4单元电路的调试……………………………………………………15
4.1译码显示电路调试……………………………………………………15
4.2脉冲信号频率的调试…………………………………………………15
4.3计数器电路连接调试…………………………………………………15
4.4校时电路的调试………………………………………………………15
心得体会………………………………………………………………16
致谢……………………………………………………………………16
参考文献…………………………………………………………………………17
附录……………………………………………………………………18
数字钟的设计与制作
作者：
吕珂
前言
[摘要]
数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置。
数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。
与传统机械钟相比，它具有走时准确、显示直观无机械传动装置等优点。
在数字显示方面，目前以有集成的记数、译码电路，本设计可以直观的驱动数码显示器件，该设计简单易懂，性能可靠。
本设计由NE555组成的振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器和校时电路组成，使用灵活、方便结构比较简单，容易调试。
[关键词]数字钟计时数码显示定时器脉冲电路
[引言]
数字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车站、码头、剧场、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。
本次设计的目的在于提高我们在电子技术方面的实践技能，培养综合利用理论知识解决实际问题的能力和科学作风，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法，培养运用所学的理论知识，独立地设计、制作电子产品的能力。
因此本次设计研究数字钟，有着非常现实的意义。
为了使我们已经学过的比较零散的数字电路的知识能够有机的、系统地联系起来用于实际，培养综合分析、设计电路的能力，进行数字钟的设计是必要的。
[设计任务与要求]
设计一个带有校时功能的数字钟,具体的要求如下:
1、能直接显示“时”、“分”、“秒”的；
2、当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能；
3、以样机的形式验收。
1．方案论证
1.1方案一
数字钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。
这些都是数字电路中应用最广的基本电路。
石英晶体振荡器产生32768Hz的信号，分频器电路将32768Ｈz的高频方波信号经32768经15级2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。
石英晶体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每秒一次的方波秒信号。
秒信号送入计数器进行计数，并把累计的结果以“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电路实现：
“分”的显示电路与“秒”相同，“时”的显示由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数电路来实现。
计时结果由六位数码管显示。
具体框图如图1.1.1所示。
多级分频器
图1.1.1数字钟系统框
此方案的优点：
1.走时准、耗电省、耐用体积小
2.适应现在集成工艺要求为
3.Q值高，带宽很窄，有利于选频
4．频率长期稳定性极高
此方案的缺点：
1.频率不能调节，不能简单用于可变调谐电路
2.频带窄，不能用于宽带滤波
3.需要加分频器分频，电路比较繁琐。
4.学校没有相关的元器件 、价格比较贵。
1.2方案二
振荡器
由NE555和RC组成的多谐振荡器可得到1Hz的方波脉冲信号，把脉冲加到秒计数器的输入端，秒计数器对脉冲计数，记满60个数复位，同时给分计数器一个信号，分计数器对脉冲计数，记满60个数复位，同时给时计数器一个信号，时计数器对脉冲计数，记满24个数后复位。
时间周期是24个小时。
555定时器和RC组成的多谐振荡器的，脉冲信号的精度不高，数字钟走时不是很准确需加上一个调时电路对时间进行调整。
数字钟系统框图如图1.1.2所示
框图1.1.2数字钟系统
此方案的优点：
1.频率、占空比可以调节；
2.不需要分频器，应此电路比较简单；
3.功能强,使用灵活、方便；
4.NE555价格先相对比较低廉。
此方案的缺点：
振荡不稳定。
本次设计采用第二种方案电路简单，元器件的价格低廉更加节省资源，脉冲信号可直接进行调整，不需要对信号重新分频，操作相对比较简单，因此采用方案二来进行数字钟的设计
2．芯片介绍
2.1脉冲电路芯片NE555定时器
555定时器主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。
它是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
NE555定时器电路如图2.1.1所示。
图2.1.1NE555定时器电路
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当
端接低电平，则时基电路不工作，此时不论
、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
555电路含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为
和
。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过
时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于
时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
是复位端，当其为0时，555输出低电平。
平时该端开路或接VCC。
Vc是控制电压端（5脚），平时输出
作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为1/3Vcc,2/3Vcc的情况下，555时基电路的功能如表2.1.2所示。
表2.1.2555定时器的功能
清零端
高触发端TH
低触发端
Qn+1
放电管T
功能
0
0
导通
直接清零
1
0
导通
置0
1
1
截止
置1
1
Qn
不变
保持
2.2译码器芯片74LS48
74LS48是控制七段显示器显示的集成译码电路之一，其引线排列图如图所示。
A、B、C、D为BCD码输入端，A为最高位,Ya～Yg为输出端，分别驱动七段显示器的a～g输入端，高电平触发显示，可驱动共阴极发光二极管组成的七段显示器显示。
其它端为使能端。
74LS48的功能表如表1所示。
分析功能表与七段显示器的关系可知，只有输入的二进制码是8421BCD码时，才能显示0～9的十进制数字。
当输入的四位码不在8421BCD码内，显示的字型就不是十进制数。
74LS48驱动器如图2.2.1所示。
图2.2.174LS48驱动器
74LS48驱动器引脚功能如表2.2.2所示
表2.2.274LS48驱动器引脚功能
74ls48引脚功能表—七段译码驱动器功能表1
十进数
或功能
输入
BI/RBO
输出
备注
LT
RBI
DCBA
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
0000
H
1
1
1
1
1
1
0
1
1
H
x
0001
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
x
0010
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
x
0011
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
x
0100
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
x
0101
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
x
0110
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
x
0111
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
x
1000
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
x
1001
H
1
1
1
0
0
1
1
10
H
x
1010
H
0
0
0
1
1
0
1
11
H
x
1011
H
0
0
1
1
0
0
1
12
H
x
1100
H
0
1
0
0
0
1
1
13
H
x
1101
H
1
0
0
1
0
1
1
14
H
x
1110
H
0
0
0
1
1
1
1
15
H
x
1111
H
0
0
0
0
0
0
0
BI
x
x
xxxx
L
0
0
0
0
0
0
0
2
RBI
H
L
0000
L
0
0
0
0
0
0
0
3
LT
L
x
xxxx
H
1
1
1
1
1
1
1
4
2.3计数器芯片74LS160
它是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制计数器。
74LS160计数器如图2.3.1所示
74LS160计数器图2.3.1
控制端的作用简述如下：
★清零。
Cr是具有最高优先级别的异步清零端，当Cr=0时，不管其他控制信号如何，计数器清零。
★置数。
当Cr=1时，具有次优先权的为LD，当LD=0时，输入一个CP上升沿，则不管其他控制端如何，计数器置数，即QDQCQBQA=DCBA。
★计数。
当Cr=LD=1时，且优先级别最低的使能端S1=S2=1时,在CP上升沿触发下，计数器进行计数。
★保持。
当Cr=LD=1时，且S2和S1中至少有一个为0时，CP将不起作用计数器保持原状态不变。
3．单元电路的设计
3.1电源电路的设计
本次设计的电路需要+5V的直流电压应此电源采用桥式整流电路来设计，整流电路是利用二极管的单向导电作用将交流电变换成单方向的直流电的。
二极管是构成整流电路的关键元件。
常见的小功率整流电路，有半波整流、全波整流、和桥式整流等几种。
其中以桥式整流电路最为常用。
为分析简单起见，本设计把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大电路组成和工作原理。
原理：
将电源输出的220V交流电压经过变压器整流为脉动的直流电压再经过滤波器滤波为有波纹的直流电压经稳压器输出为稳定的支流电压
具体的流程如图3.1.4所示
图3.1.1变稳压流程
5V电源电路由一个15V的变压器，桥式整流器，2个电容，W7805三端稳压器，稳压二极管，1K电阻和一个稳压二极管组成15V变压器是将220V的交流电转换为15V的交流电，桥式整流器是将15V的交流电转换为15V的直流电在经过2个电容滤波但不稳定，还需要通过稳压器和稳压二极管稳压，通过一个1K的电阻输出稳定的5V直流电压，经万用表测得电压为5.15V基本符合本电路设计的要求，电源电路图如3.1.2所示
图3.1.2电源电路
3.2数字钟脉冲电路的设计
数字脉冲电路也就是NE555它是本设计的核心电路，发出的脉冲信号使显示器工作，数字脉冲电路如图3.2.1所示
图3.2.1数字脉冲的电路
电路产生的信号频率为1Hz，把它直接加到秒计数器的CP端，信号不准时，可调节滑动变阻器R3，使信号频率恢复正常，3脚的波形频率可用示波器测量，调节R3，使我们在示波器上观察到的波形频率为1Hz,这样可让555的三脚输出标准1Hz的信号。
高电平时间为tWh，低电平时间为tWL,tWh=0.7（R1+R2+R3）C1,tWL=0.7（R2+R3）C1,频率f=1/（tWL+tWh）,图1的输出波形频率为1Hz，即f=1Hz,R1、R2的阻值均已固定，R3可改变当f=1Hz时算得R3的阻值约为32.3K，方波的占空比q=tWh/（tWL+tWh）=（R1+R2+R3）/[R1+2（R2+R3）]=50％。
三脚波形和C1波形如图3.2.2
V
图3.2.2波形
3.3秒及分计数电路的设计
秒计数器电路由两片74LS160来实现，74LS160是十进制异步计数器。
秒显示有两个位，只需把秒个位设置为十进制，秒十位设置为六进制，因为74LS160是十进制计数器所以只需把秒的十位设置为六进制就可以了。
秒十位的12、13脚接与非门，输出接两片74LS160的清零端秒个位的15脚接十位的7脚，两端CP受同一脉冲控制，其他脚接高电平，即可构成60进制的计数器。
秒计数器电路如图3.3.1所示
图3.3.1秒计数器
分计数器和秒计数器都是60进制，因此秒分计数器相同，电路的设计如图3.3.2所示
图3.3.2分计数器电路
3.4时计数器电路的设计
时计数器是24进制的，只需把时的个位的12脚和时的十位的13脚接与非门输出接74LS160的1脚，其他脚和分秒计数器一样的接法即可，时计数器电路如图3.4.1所示
图3.4.1时计数器电路
3.5译码显示电路的设计
译码显示电路由74LS48共阴数码管组成，74LS48的a~g接共阴数码管的a~g，共阴数码管的小数点不需要接，还有两个引脚接地。
74LS48的3、4、5脚接高电平74LS48的ABCD接到计数器的Q0~Q3端即可。
译码显示电路如图3.5.1所示
图3.5.1译码显示电路
4．单元电路的调试
接通电源，秒计数器从00开始显示到59后给分计数器一个脉冲，分计数器记一次数，分计数器记到59后给时计数器一个脉冲，时计数器记一次数，计数到23后就清零。
如果电路按上述规律工作则电路正常，如果不按上述规律工作，则需对电路进行检查找出错误并改正，重新调试直到正常。
具体调试如下：
将1秒的脉冲信号分别送入“时”、“分”、“秒”计数器，观察显示器的工作情况是否计数器是按本设计的要求计数。
校时电路是否满足校时要求，观察数字钟能否准确正常工作。
4.1译码显示电路调试：
把秒计数器电路和译码显示电路连接起来，再把脉冲电路的输出端接到两片74LS160的CP端，计数器电路的Q0~Q3和74LS48的A~D相对应连接起来，接通+5V电源，这样便可对它们进行调试，直到正常显示记数。
4.2脉冲信号频率调试：
将输出的脉冲频率调节为1Hz，把NE555的三脚接示波器观察它的波形，同时观察它的周期是否为1S，如果是则脉冲电路的信号为标准信号，如果不是则需调节电位器R3，使周期为1S。
这样便对脉冲电路完成了调试。
4.3计数器电路连接调试：
秒计数器电路与分计数器电路用非门连接，再把分计数器电路与时计数器电路也用非门连接，秒计数器电路中的160的1脚接到非门的输入端，输出端接开关，开关接到分计数器电路中两片160的CP端，分计数器电路与时计数器电路也用同样的方法连接。
还需译码显示电路与计数器电路相连。
再把脉冲电路与秒计数器电路相连，从脉冲电路的输出端接开关，开关与分计数器的CP端相接。
时计数器电路与脉冲电路也接个开关。
4.4校时电路的调试：
进行校时时把计数器电路之间的开关断开，对分校时时只需闭和分计数器电路之间的开关等到校时到所需的时间之时，断开开关这样就完成了校时。
时计数器校也用同样的方法。
心得体会
在检测面包板状况的过程中,出现本该相通的地方却未通的状况,后经检验发现是由于万用表笔尖未与面包板内部垂直接触所至.实验过程中,数码管有几段二极管时隐时现,有时会消失.用5V电源对数码管进行检测,一端接地,另一端接触每一段二极管,发现二极管能正常显示的,再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好,在检测过程中发现有几根线有时能接通,有时不能接通,把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了.其次是由于芯片接触不良的问题,用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通,而检测的导线状况良好,其解决方法为把芯片拔出,根据面包板孔的的状况重新调整其引脚,使其正对于孔,再用力均匀地将芯片插入面包板中,此后发现能正常显示。
在连接校正电路的过程中,出现时和分都能正常校正时,但秒却受到影响,特别时一较分钟的时候秒乱跳,而不校时的时候,秒从40跳到59,然后又跳回40,分和秒之间无进位,电路在时,分,秒进位过程中能正常显示,故可排除芯片和连线的接触不良的问题.经检查,校正电路的连线没有错误,后用万用表的直流电压档带电检测秒十位,发现有一脚时有电压时而无电压,再检测秒到分和分到时的进位端,发现是由于秒到分的进位未拔掉所
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.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.
在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的,因此在实际的电路连接中往往容易遗漏.在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的.
致谢
经过4周的精心设计，终于完成了这份数字钟的毕业设计，首先感谢明达学院给我们提供了那么优越的实习条件，为我们的实验提供了本质性的帮助，本设计得到了导师王文静老师的亲切指导，在此我们表示感谢。
此份设计是我门无数汗水的结晶，请老师们认真查看，如有不足之处，还望指出。
[参考文献]
1．方向乔、周良权主编《数字电子技术基础》高等教育出版社P140页至145页
2．崔葛瑾主编《数字电路实验基础》同济大学出版社P98页99页143页174页
附录：
数字钟电路图
明达职业技术学院
毕业论文（设计）
2007 －2008 学年度
信息工程 系 应用电子技术 专业
班级05应电
（2）班学号0405051220
课题名称数字钟的设计与制作
学生姓名 吕珂
指导教师 王文静
二O0八 年 1月15日
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