模拟电路数字电子钟设计.docx
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模拟电路数字电子钟设计
课程设计任务书
题目:
数字电子钟设计
初始条件：
1.具备电子电路的基础知识和查阅资料和手册的能力
2．熟悉常用电子器件和常规实验仪器及电子设计常用软件
3.已掌握电子电路实验的基本方法
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1.采用位数码管，显示范围0分00秒——23时59分59秒
2.提出至少两种设计实现方案，并优选方案进行设计
3.有能力的同学可在完成上述要求后提出增强功能的设计方案
1）当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能
2）电路具有整点报时功能，报时声响为四低一高，最后一响正好为整点
4.撰写符合学校要求的课程设计说明书
时间安排：
1.7月7日动员大会，下达课程设计任务书
2.7月7日—11日查阅资料，选择设计方案，进行设计计算，完成预设计
3.7月12日预设计方案经教师审查
4.7月12日—17日设计电路的安装和调试并完成课程设计说明书
5.7月17日—18日课程设计答辩
指导教师签名：
2008年07月07日
系主任（或责任教师）签名：
2008年07月07日
摘要………………………………………….3
1设计内容及要求………………………………4
2方案设计与选择…………………………………………4
2.1设计原理…………………………………..4
2.2方案选择……………………………………..5
2.2.1方案一……………………………………….5
2.2.2方案二……………………………………….7
2.3方案一与方案二的比较………………………….7
3单元电路设计………………………………….7
3.1秒脉冲产生电路………………………………..7
3.2计数电路……………………………………….9
3.3译码显示电路…………………………………….11
3.4校时电路……………………………………….11
4制作、调试…………………………………..12
4.1调试过程中发现的问题………………………….12
4.2调试电路的方法和技巧………………………….12
4.3调试中的故障原因及排除方法……………………13
5收获、体会和改进的方法………………………13
5.1收获和体会……………………………………..14
5.2改进及展望………………………………………..14
参考文献…………………………………………..14
附录1………………………………………………15
附录2……………………………………………..15
附录3………………………………………………16
摘要
由于现代社会模拟电子技术基础和数字电子技术基础的高速发展，因而由这技术制造出来的越来越先进，数字钟已经被人们普遍使用，虽然数字钟的外形和功能不尽相同，但是用于制造数字钟的原理基本上都是一样的。
下面所写的就是数字电子钟课程设计，向大家简单介绍一下数字钟的工作原理以及所要用到的一些单元电路并且各单元电路工作的原理以及它们的原理图。
关键词：
脉冲发生器秒60进制计数电路分60进制计数电路时24进制计数电路
译码显示电路校时电路
数字电子钟设计
1设计内容及要求
设计一个数字电子钟，要求采用位数码管，显示范围0分00秒——23时59分59秒，另外还具有增强功能——校时和整点报时。
即当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能，整点报时功能则是指每当数字钟走到据整点还剩十秒钟时便每隔一秒发出一声鸣叫，鸣叫时间持续1s,且音频为四低一高。
提出至少两种设计实现方案，并优选方案进行设计。
2方案设计与选择
2.1设计原理
数字钟是计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和报时功能。
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，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秒发现胡一个“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。
原理图如下图2-1所示:
图2-1数字电子钟原理图
2.2方案选择
2.2.1方案一
用555定时器构成多谐振荡电路来产生时钟信号输入后续电路以驱动电路工作，计数电路是系统的最核心部分，用六片74LS90芯片级联构成，分、秒计数电路十位为六进制，个位为十进制，时计数电路十位为二进制，个位为四进制。
校时部分用一个单刀双掷开关控制，开关一边与地相连一边与VCC相连，各主要部分功能如下:
第一部分，555定时器与电阻R1、R2，电容C1、C2构成一个多谐振荡器，利用电容的充放电来调节输出V0，产生矩形脉冲波作为时钟信号，因为是数字钟，所以应选择的电阻电容值使频率为1Hz。
第二部分，6片74LS90芯片构成计数电路，按时间进制从右到左构成从低位向高位的进位电路，并通过译码显示，在六位LED七段显示器上显示对应的数值。
第三部分，通过控制单刀双掷开关的掷向来控制，当开关从与高电平相连的那边转到与低电平相连的那边就会产生一个下降的脉冲，从而使要校时的部分相应增加一，由于同时用了一个单刀双掷开关控制了秒到分和分到时的进位信号，所以校时的时候秒不会向分进位，分不会向时进位。
方案一的完整电路图2-2所示:
图2-2方案一的完整电路图
2.2.2方案二
方案二的秒脉冲发生器是由石英晶体和分频电路构成的，原理是石英晶体能产生高达4MHZ的秒冲通过分频电路也能产生1HZ的信号，其中计数部分是由6片74HC161构成，因为74HC161也有计数功能，也能完成我们所需的60进制和24进制，校时部分由若干与门和或门组成，其中将秒冲通过开关直接接在校时部分，通过开关的闭合可以手动的校时，当开关与秒冲接通时又可以通过秒冲产生的下降沿使计数增加。
2.3方案一与方案二的比较
由于方案一中产用的是555定时器组成的秒脉冲，方案二中产用的是石英晶体和分频电路组成的秒脉冲，虽然方案二中的秒脉冲更加的准确，但是方案一中的秒脉冲相对来说更加简洁，经济，实用。
方案一中产用的计数部分是由6片74LS90组成，方案二中的计数部分是由6片74HC161构成，方案二中还必须增加若干的与门，或门等其它的逻辑门，相对方案一来说很繁琐，不利于设计组装。
3单元电路设计
3.1秒脉冲产生电路
秒脉冲发生器主要由555定时器和一些电阻电容构成，原理是利用555定时器的特性，通过电容的充放电使VC在高，低电平之间转换，其中555定时器的高，低电平的门阀电压分别是2/3VCC和1/3VCC，当电容器充电使VC的电压大于2/3ＶＣＣ则ＶＣ就为高电平，然而由于反馈作用又会使电容放电，当ＶＣ小于１/3VCC时，ＶＣ就为低电平，同样由于反馈作用又会使电容充电。
通过５５５定时器的这一性质我们就可以同过计算使它充放电的周期刚好为１Ｓ，这样我们就会得到１ＨＺ的信号。
其中555定时器的一些功能对照后面目录。
其中555定时器组成的脉冲发生器电路如下图3-1所示
图3-1555定时器组成的脉冲发生器
3.1.2参数计算
由于我们要得到１ＨＺ的信号，所以我们就可以通过５５５定时器充放电一次所需的时间的公式，将那时间设为１Ｓ，然后设定两个电阻值计算出另外那个电容值，在设定电阻值时我们要记得将电阻值设为比较常用的那种电阻值，得到的电容值也尽可能让它是比较普遍使用的，这样就避免了在实际组装过程中很难买到当初设定的那电阻和计算出的电容值。
在这次设计中我们设定的电阻值RA=10kOhm,RB=62kOhm
C=10uF,式f=1.43/[（RA+2RB）*C]可得，f≈0.99Hz,误差A=（1-0.99）/1*100%=1%,可以忽略不计。
3.2计数电路
因为电子钟由秒，分，时组成。
分别为60进制和24进制。
产用2片74LS90芯片组成进制，产用另外2片74LS90接成24进制。
74LS90的清零是当两清零端口同时为高电平时才清零。
在电路中我们通过这一清零方法，先按二进制计数器串联起来构成计数器，当计数状态达到我们所需的60或者24时，经过电路译码，反馈，产生复位脉冲将计数器清零，然后重新开始进行下一个循环。
1.60进制计数器。
电路如图3-1所示。
第一片74LS90芯片构成10进制计数器，第二片74LS90芯片构成6进制计数器。
74LS90具有异步清零功能。
在第一片74LS90构成的十进制计数器中，当第十个脉冲来到时，此时它的四级触发器的状态为“1001”，这时它就会自动清零。
当第异片74LS90构成的十进制计数器清零的同时给第二组的加法计数器CP端进行计数，而第一组的第6个脉冲进位到来时，此时第二片74LS90芯片的触发器的状态位“0110”，这时QB，QC均为高电平，将QB与RO1相连，将Ro2与Qc相连，就会进行异步清零。
如此循环就会构成60进制计数器。
图3-260进制计数器
2.24进制计数器。
24进制计数器电路如图3-2所示。
一片构成二进制计数器，一片构成四进制计数器。
由于74LS90芯片清零是由两个清零端控制的，所以当第24个脉冲到来时，第一片74LS90芯片的Qc为高电平，第二片74LS90芯片的QB为高电平，让第一片74LS90芯片的Qc与两片芯片的Ro1相连，让第二片74LS90芯片的QB与两片芯片的Ro2相连，当第24个脉冲到来时就会进行异步清零。
如此循环就会构成24进制计数器。
图3-324进制计数器
3.3译码显示电路
电路图中的译码显示部分其实是由74LS48和LED7段译码显示器（共阴）组合而成的。
其中74LS48和LED77段译码显示器（共阴）的管脚图和功能图请看后面目录。
3.4校时电路
数字钟电路由于秒信号的精确性和稳定性不可能做到完全准确无误，又因为电路中其他的原因数字钟总会产生走时误差的现象。
所以，电路中就应该有校准时间功能的电路。
在这次设计中校时电路用的是一个RS基本触发器和单刀双掷开关以及电源电压，电阻构成。
电路图如图3-3所示。
校时电路分别实现对时，分的校准。
由于每个机械开关具有抖动现象，因此用RS触发器作为去抖电路。
采用RS基本触发器及单刀单刀双掷开关，每搬动开关一次产生一个计数脉冲，实现校时功能。
图3-3校时电路
4制作、调试
4.1调试过程中发现的问题
1.在以上设计的方案进行仿真，在仿真上能按预计的要求工作，在实际制作中经常会遇到各种问题，在仿真上译码用的是74LS48芯片，在实际中用CD4511代替时发现加5V电压时芯片会发烫过一会儿就会烧掉。
所以在换芯片后要查适合芯片正常工作的电压。
2.有时我们接线发现计数器并不是按照1S加1而是跳变。
通过检查发现原因是由于有的线接触不良导致的。
当把线按紧后或者是换个插孔后计数器就不跳变并且能够正常计数了。
3.在接74LS390时逐级测试技数单元电路时接入脉冲后发现显示管上总是显示00不变。
经过检查知道74LS390的CLEAR管脚没接导致的，因为当管脚悬空时一般就代表那各管脚是接的高电平，而CLEAR时在高电平有效并且它的优先级时最高的，所以显示管一直保持00不变。
当把这管脚接低电平后计数器就能正常计数了。
4.在各单元电路中有时总会忘记给此芯片加电源而使此芯片不能工作，致使单元电路不能按照我们的预期要求工作。
5.在面包板上制作成品时由于没有弄清楚各孔之间关系而出错。
4.2调试电路的方法和技巧
电路的调试具体步骤大致可分为：
通电观察、静态调试和动态调试。
1）通电观察：
通电后不要马上测量电气指标，如高低电平，脉冲信号等，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等，如本次试验中所用的发光二极管就应小心接5V支流时会不会烧坏。
在仿真软件的电路调试中没有以上例子，仅有数码显示的正常与否，以及短路与否，所以可以加上数个发光二极管，通过观察发光二极管的闪烁来监测各个部分的运作情况。
在实际操作中应细心观察，如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。
2）静态调试：
静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。
通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。
在仿真软件中，我们利用模拟的示波器与脉冲信号的共同做用下与实际的相比较的判断出电路的好与坏。
3）动态调试：
动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。
4.3调试中的故障原因及排除方法
1、接线时出现哪些问题?
①元器件与面包板间接触不良②数码管显示不全③芯片插反引起接线错误，发烫
④高低电平接错⑤焊接不成功⑥芯片损坏⑦计数芯片的清端零未接地，计数时不能进位
2、怎样解决?
①将元器件的管脚适度地插入面包板深一些，固定，保证接触良好；②检查数码管好坏，若损坏则调换，无损坏则检查线路；③断开电源，正确插好芯片和接线再接着调试；④检查后正确将高低电平接入；⑤检查线路，并用万用表测量点电位，判断有无虚焊、段焊的情况⑥更换芯片⑦计数芯片清零端接地。
3、有无校时电路?
有，且校时信号也由计数的秒脉冲提供。
5收获、体会和改进的方法
5.1收获和体会
通过这次课程设计训练，让我加深了对模拟电子技术基础和数字电子技术基础这两门课知识的了解，在这次培训中通过每人设计两个方案让我们自己动手去查阅各种资料和独立思考，提高了我们的动手能力。
当方案设计出来后我们小组又讨论最佳方案，让我们感觉到自己的方案的不足之处，通过别人的方案我们可以扩展我们的知识并且更加熟悉这一个课题的设计，讨论完之后我们又要在面包板上做一个实物出来，在此过程中我们小组碰到了很多问题，例如面包板接触不良，器件与我们要求的又差异等等，我们通过对各个单元电路进行测试，熟悉各个单元电路工作的要求和特征，并且严重考验我们的认真态度和仔细程度。
为我们以后成为一名优秀的工作者创造基础。
在电路出错后我们要又很大的耐心，要逐级调试直到找出其中的原因。
在这里面又增加了我们团队合作精神，我们必须要一起讨论，一起发现问题，找到问题的关键并且要想出切实可行的解决办法，这要求我们又一定的基础知识和一定的交流能力，在实品做出来之后我们又要写设计报告，这里面又对我们的总结，概括这次课程设计的能力又所提高，我们对这个课题的原理，各单元电路的构成，调试以及运行后的结果又了进一步的了解。
以及在调试过程中我们意识到了我们表现出来的各种对以后研究不利的不良态度，让我们尽早改正过来。
5.2改进及展望
在这次课程设计中，针对我们遇到的问题，我觉得我们一开始应该先对面包板进行测试，测试完后再接线，由于面包板的接触不良问题我觉得选择部分电路焊接，部分电路插线的方法比较好。
在这次课题设计中我们还可以通过几个与门，或门或者其它一些逻辑门器件和发光二极管，蜂鸣器组成一个整点报时电路.
参考文献
[1]康华光.电子技术基础.高等教育出版社，2005
[2]祁存荣.电子技术基础实验.武汉：
武汉理工大学出版社，2006
[3]叶晓慧，李小珉.数字电路逻辑设计题解.武汉：
华中科技大学出版社，2005
[4]王建珍.数字电子技术.人民邮电出版社，2005
附录1
此部分电路以555定时器为主体，图3-1所示为555引脚图，图3-2则是其内部结构图:
图1555定时器引脚图图2555定时器内部结构图
多谐振荡器线路，VC与VO关系图分别如下图3-3，3-4所示:
图3多谐振荡器图4Vc和Vo波形图
附录2
电路图中的译码显示部分其实是由74LS48和LED7段译码显示器（共阴）组合而成的。
图3-8、3-9分别是两元件引脚图，表3-2为74LS48功能表:
图574LS48引脚图图6LED七段译码显示器引脚图
表774LS48功能表
附录3
异步计数器74LS90引管脚图及功能表真值表
74LS90为中规模TTL集成计数器，可实现二分频、五分频和十分频等功能，它由一个二进制计数器和一个五进制计数器构成。
其引脚排列图和功能表如下所示：
图774LS90的引脚排列图
表874LS90的功能表
元件明细表
名称
数量
555定时器
1
74LS90
6
74LS04
1
74LS08
3
74LS11
1
74LS21
3
74LS32
6
74LS48
6
LED七段译码显示器
6
发光二极管
1
5V电源
1
单刀双掷开关
3
电阻
若干
电容
若干
导线
若干
升级会员 