数电课程设计报告——数字钟

第一篇：数电课程设计报告——数字钟

数字电子技术课程设计报告

设计题目： 数字钟 班级学号：092022226

二〇一一年十二月

数字钟的设计

数字钟是采用数字电路实现“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的使用，使得数字钟的精度、稳定度远远超过了机械钟表。钟表的数字化在提高报时精度的同时，也大大扩展了它的功能，诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭路灯等。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

一、设计目的

1.掌握数字钟的设计方法。2.熟悉集成电路的使用方法。

二、设计任务与要求

时钟显示功能，能够以十进制显示“时”、“分”、“秒”。其中时为24进制，分秒为60进制。

三、设计思路、芯片选择及单元电路功能简介 1.设计思路：

数字钟的设计可以分为4个单元电路来设计，分别为1Hz脉冲产生电路、数码管显示电路、60进制计数器电路、24进制计数器电路这四个单元电路。2.芯片的选择：

BCD——七段译码器74LS47

十进制可逆计数器74192

555定时器

集成与门芯片74LS11 3.单元电路功能简介： ①、1Hz脉冲产生电路：

该单元电路是用由555定时器构成的多谐振荡器来产生的1HZ方波的电路，其中考虑

到电路的“延时”效应，该电路产生的方波的频率并不是标准的1HZ方波，而是频率稍大于1Hz的方波。它是为整个电路提供时钟源的，它的输出脉冲提供给秒单元电路的低位计数芯片。

②、数码管显示电路：

该单元电路是用来显示一位数字的电路，它由一块数码管和一块数码管驱动芯片组成，它的输入信号由计数器提供。

③、60进制计数器电路：

该单元电路由两片74LS192可逆计数器芯片、一个三输入与非门和一个非门构成的60进制计数器电路，它是为秒显示和分显示电路提供驱动信号的单元电路

④、24进制计数器电路：

该单元电路是由两片74LS192可逆计数器芯片和一个与门构成的24进制计数器电路，它的低位脉冲信号由分钟计数器单元电路的进位信号提供，它为小时显示电路提供驱动信号。

四、总电路图

五、仿真效果

本次课程设计使用proteus软件进行仿真，在进行仿真时应注意以下几点： 1.在接通电源之前，应保持开关SW1断开且SW2闭合，如下图所示：

2.接通电源后应先断开开关SW2，保持开关SW1断开状态不变，如下图所示： 3.在做完第二步之后，应保持开关SW2断开状态不变，闭合开关SW1，如下图所示：

在执行完以上三步之后，就是仿真的正确结果了，如下图所示：

否则，将会产生以下错误的仿真效果：

六、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，熟悉了仿真软件proteus的应用。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74LS192可逆计数器芯片来说，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，如有发现希望老师能够给予批评指正。

七、元器件清单

1.七段数码管：6块 2.74LS192可逆计数器：6片 3.555定时器：1片

4.74LS47 BCD——七段译码器：6片 5.74LS11三—3输入与门：1片 6.非门：3块 7.2输入与门：1块 8.开关：2个

9.电阻：10M 1个，46.25M 1个 10.电容：0.01uF

2个

参考书

⑴《现代电子学及应用》，童诗白、徐振英编，高等教育出版社，1994年

⑵《电子系统设计》，何小艇等编，浙江大学出版社，2000年

⑶《集成电子基础教程》，郑家龙、王小海、章安元编，高教出版社，2002年5月

⑷《电子技术课程设计指导》 彭介华编，高等教育出版社，1997年10月

⑸《数字电子技术》童诗白编著高等教育出版社

2001年

第二篇：数电数字钟课程设计报告

题目：多功能数码种的设计

一、设计目的

数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。

因此，我们此次设计数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法.三、原理框图

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．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32768Ｈz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；另一类是通过ＣＭＯＳ非门构成的电路，本次设计采用了后一种。如图（b）所示，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。

（b）CMOS 晶体振荡器（仿真电路）

3．时间记数电路 一般采用10进制计数器如74HC290、74HC390等来实现时间计数单元的计数功能。本次设计中选择74HC390。由其内部逻辑框图可知，其为双2-5-10异步计数器，并每一计数器均有一个异步清零端（高电平有效）。

秒个位计数单元为１０进制计数器，无需进制转换，只需将ＱＡ与ＣＰＢ（下降沿有效）相连即可。ＣＰＡ（下降没效）与１ＨZ秒输入信号相连，Ｑ３可作为向上的进位信号与十位计数单元的ＣＰＡ相连。

秒十位计数单元为６进制计数器，需要进制转换。将１０进制计数器转换为６进制计数器的电路连接方法如图 ２.４所示，其中Ｑ２可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的ＣＰＡ相连。

十进制-六进制转换电路

分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的Ｑ３作为向上的进位信号应与分十位计数单元的ＣＰＡ相连，分十位计数单元的Ｑ２作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣＰＡ相连。

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１２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１２进制转换。利用１片７４ＨＣ３９０实现１２进制计数功能的电路如图（d）所示。

（d）十二进制电路

另外，图（d）所示电路中，尚余－２进制计数单元，正好可作为分频器２ＨZ输出信号转化为１ＨZ信号之用。

4．译码驱动及显示单元电路

选择ＣＤ４５１１作为显示译码电路；选择ＬＥＤ数码管作为显示单元电路。由CD4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。这里的LED数码管是采用共阴的方法连接的。

计数器实现了对时间的累计并以8421BCD码的形式输送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD码转变为十进制数码送到数码管中显示出来。

5．校时电路

数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，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。即为用COMS与或非门实现的时或分校时电路，In1端与低位的进位信号相连；In2端与校正信号相连，校正信号可直接取自分频器产生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信号；输出端则与分或时个位计时输入端相连。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。

实际使用时，因为电路开关存在抖动问题，所以一般会接一个RS触发器构成开关消抖动电路，所以整个较时电路就如图（f）。

（f）带有消抖电路的校正电路

6．整点报时电路

电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，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QＣ和QＡ、个位的QＤ和QＡ及秒计数器十位的QＣ和QＡ相与，从而产生报时控制信号。

报时电路可选74HC30来构成。74HC30为8输入与非门。

四、元器件

4．共阴八段数码管6个

5．网络线2米/人

6．CD4511集成块6块

7．CD4060集成块1块

8．74HC390集成块3块

9．74HC51集成块1块

10．74HC00集成块4块

11．74HC30集成块1块

12．10MΩ电阻5个

13．500Ω电阻14个

14．30p电容2个 15．32.768k时钟晶体1个

16．蜂鸣器10个

五、各功能块电路图

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，可以由许多中小规模集成电路组成，所以可以分成许多独立的电路。

（一）六进制电路

由74HC390、7400、数码管与4511组成，电路如图一。

（二）十进制电路

由74HC390、7400、数码管与4511组成，电路如图二。

（三）六十进制电路

由两个数码管、两4511、一个74HC390与一个7400芯片组成，电路如图三。

（四）双六十进制电路

由2个六十进制连接而成，把分个位的输入信号与秒十位的Qc相连，使其产生进位，电路图如图四。

（五）时间计数电路

由1个十二进制电路、2个六十进制电路组成，因上面已有一个双六十电路，只要把它与十二进制电路相连即可，详细电路见图五。

（六）校正电路

由74CH51D、74HC00D与电阻组成，校正电路有分校正和时校正两部分，电路如图六。

（七）晶体振荡电路

由晶体与2个30pF电容、1个4060、一个10兆的电阻组成，芯片3脚输出2Hz的方波信号，电路如图七。

（八）整点报时电路

由74HC30D和蜂鸣器组成，当时间在59:50到59:59时，蜂鸣报时，电路如图八

第三篇：数电课程设计__数字钟

2007 /2008 学年 第 二 学期

课程所属部门： 工程基础实验与训练中心 课程名称： 数字电子技术B

考试方式： 闭卷 使用班级： 自动化061、自动化062、数控061、数控062

一、填空题（本题10空 ,每空2分,共20分）

1、将八进制数（561）O化成十进制数、十六进制数、二进制数 和8421BCD码数。

2、通过使能端的控制可以使TS与非门的输出实现 逻辑功能或 状态。

3、时序逻辑电路按照其触发器是否有统一的时钟控制分为

时序电路和 时序电路。

4、寄存器按照功能不同可分为两类： 寄存器和 寄存器。

二、化简题（本题3小题，每题3分，共9分）

1、用公式法将

化简为最简与或式。

2、用图形法将或式。

化简为最简与

3、用图形法将为最简与或式。

三、判断题（本题共5小题，每小题2分，共10分）

判断下列各TTL型门电路是否正确（输出逻辑关系、参数选择、电路接法），正确的打√，错误的打×。

化简

四、分析题（本题共3小题，共38分）

1、试写出下列逻辑电路的逻辑函数表达式。（6分）

2、试列出图（a）、图（b）所示电路的的输入信号波形和时钟波形，画出始状态为0。（12分）、的表达式，并对应下面所示端的波形，设、的初

3、分析下图所示电路：

（1）列出该电路的驱动方程，状态方程和输出方程；（2）列出电路的状态转换表；（3）画出电路的状态图和时序图；

（4）请说明：该电路是同步还是异步时序电路？（20分）

五、设计题（本题共3小题，共23分）

1、某导弹发射场有正、副指挥各一名，操作员二名，导弹发射的控制是在正、副指挥同时按下发射控制电钮和二名操作员当中的任一名按下发射控制电钮时，导弹发射，试根据以上的逻辑关系列真值表，写出最简与或表达式。（5分）

2、分别画出用下列方法实现逻辑函数可为原变量或反变量）。（10分）

（1）用最少的与非门实现；

（2）用图示3线—8线译码器和适当的门电路实现。的逻辑图（输入信号

3、某集成4位二进制计数器的功能表及逻辑符号如下，试画出用置数法将其构成59进制计数器（从00000011开始计数）的电路图（写出数制转换的表达式）。（8分）

第四篇：数电课程设计 数字钟电路设计

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目录

一、设计目的........................................................................................2

二、设计要求和设计指标....................................................................2（1）基本功能..................................................................................2（2）扩展功能..................................................................................2

三、设计内容........................................................................................2 3.1数字钟电路工作原理...................................................................2 3.2总体设计.......................................................................................3 3.2.1原理框图：.........................................................................3 3.2.2主要仪器及元器件.............................................................4 3.2.3系统模块设计.....................................................................4 3.3仿真结果.......................................................................................7 3.3.1电路连接.............................................................................7 3.3.2仿真截图.............................................................................8

四、本设计改进及建议........................................................................9

五、总结....................................................................................................9

六、参考文献..........................................................................................10 1

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一、设计目的

（1）掌握多功能数字钟的工作原理。

（2）掌握基本逻辑门电路、译码器、数据分配器、数据选择器、数值比较器、触发器、计数器、锁存器、555定时器等常用数字电路的综合设计方法。（3）熟悉用Proteus软件进行数字电路仿真设计的方法。（4）了解用Altium Designer软件进行PCB设计的方法。

（5）熟悉复杂数字电路的安装、测试方法，提高实验技能，增强工程实践能力。

二、设计要求和设计指标

（1）基本功能

具有“秒”“分”“时”计时和显示功能。小时按24小时计时制计时。校时功能，能够对“分”和“时”进行调整。（2）扩展功能

具有整点报时功能，在59min51s后隔秒发出500Hz的低音报时信号，在59min59s时发出1kHz的高音报时信号，声响时间持续1s。闹钟功能，闹时信号持续1min。

三、设计内容

3.1数字钟电路工作原理

电子数字钟的，通过计时精度很高的石英晶振，采用相应进制的计数器，转化为二进制数，经过译码和显示电路准确地将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来。

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32768Ｈz的方波信号，可保证数

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字钟的走时准确及稳定。2.分频器电路

分频器电路将32768Ｈz的高频方波信号经32768（）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。3.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。4.译码驱动电路

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，译码电路及驱动电路由74LS248电路完成。5.数码管

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。

3.2总体设计

3.2.1原理框图：如图1

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图1：数字钟设计原理

3.2.2主要仪器及元器件

用到的元件有：7SEG-BCD、74HC30、74LS08、74LS90、555、BUTTON、CAP、CELL、LED-RED、RES等。3.2.3系统模块设计

（1）秒信号发生电路

根据计时的精度确定石英晶振的频率，采用32768HZ的石英晶体振荡器通过15次的分频来获得秒脉冲的信号，作为计时的基本单位。选CD4060作为秒脉冲发生电路的主要器件，它是14级的二进制计数器/分频器/振荡器。如图2，C1，C2，晶振，R4，CD4060等器件构成32768HZ振荡器。3脚输出14分频信号，图中的R4是反馈电阻，可使内部的非门电阻工作在线性放大区，C2是微调电容，可改变振荡频率，以保证精确度。从3脚输出的为32768的第14级二分频，即为2HZ，经74LS74（D触发器）再作二分频，从而得到秒脉冲（1HZ信号）为止。

（2）“时”“分”“秒”计数器电路“秒”、“分”、“时”计数器电路采用双BCD同步加法计数器CD4518，由图2得到的秒脉冲送图3a秒计数器，由此完成60秒计数功能。由74LS08的3脚输出信号即为60秒的进位时脉冲。

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图中，QA1、QB1、QC1、QD1为秒个位上十进制显示的二进制BCD码，QA1、QB2、QC2、QD2为秒十位上6进制BCD码，当十位要显示十进制6时即0110，QB2、QC2位均为1，利用此条件，经74LS08（四二输入与门）内部与门输出为1即高电平，给15脚，高电平使CD4518一组十位上的计数输出全部为0并向前输出一高电平，其他时候为低电平，此脉冲即为分脉冲的输入信号。CD4518 15脚和2脚分别为清零端，当它为高电平时，QD～QA=0为低电平，执行计数功能，其脉冲输入有2个方式，从2脚10脚输入时，为下降沿计数，此时9脚1脚接低电平才有效，否则不能计数，计数脉冲信号从9脚1脚输入时，从脉冲的上升沿开始计数，此时，2脚10脚应高电平才有效，否则不能计数。

分计数器与秒计数器完全相同。不同之处在于输出的脉冲不同，前者是1HZ，这里是1/60 HZ。图略。

时计数器为24进制计数，基本电路与分秒计数器相同。不同的是找出24进制的复位脉冲即显示24时个位及十位共8个输出端全部清零。十位为0010（显示2）时，个位为0100（显示4）时全部清零即00点。选十位的QB=1和个位的QC=1，通过与门74LS08给CD4518的15脚与7脚为高电平，使输出QA～QD全为0从而实现24进制，此进位

脉冲即为一天的计数脉冲，此设计中未使用。时计数器电路如图4：

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(3)译码显示电路设计 由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人民习惯的数字显示。如12：54：30的二进制码为00010010：01010100：00110000。译码之后再驱动7段数码管显示时、分、秒。译码电路及驱动电路由74LS248电路完成。

见图5：

74LS248既作译码又是LED的驱动电路。13.12.11.10.9.15.14 输出分别推动数码管的a.b.c d.e.f.g.字段。74LS248的7、1、2、6 脚分别输出4 位二进制BCD码。根据计数器的输出状态由74LS248译码后再驱动LED直观显示出来。LED是共阴的。在LED 的第3或8脚串接一个电阻。可以改变LED 的亮度。

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(4)校时电路的设计

当出现时间误差时，可利用秒脉冲来进行校对，具体方法是通过校时开关将秒脉冲直接输入到分计数器和时计数器。利用微动开关进行校对。如图6所示：

校对工作过程，校对时，将开关拨到校对位置。此时秒计数器无脉冲输入停止计数。接下微动开关S1时。脉冲输入到74LS32的10脚。内部为二输入或门电路。⑨脚输入的是分脉冲，因秒计数器停止，分计数器也停止（不停也可以），分脉冲用秒脉冲替代。分计数器由1分计数脉冲变为1秒计数脉冲，加快了调整速度。同理，按下S2开关后，小时输入脉冲就以1秒脉冲代替，快速改变小时的显示，达到校时目的。当时间调到与标准时间相同时将开关拨到正常位置，计时又开始。

3.3仿真结果

3.3.1电路连接如图7所示

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D1LED-RED+5v8U574HC30+5v1234U10141CKACKBQ0Q1Q2Q31298116U4:B5474LS083174LS08U4:A22367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS90U3U9141CKACKBQ0Q1Q2Q3129811U7141CKACKBQ0Q1Q2Q***2Q0Q1Q2Q3129811CKACKB2367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS902367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS902367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS9021U8:A74LS08U2U63141CKACKBQ0Q1Q2Q3129811141CKACKBQ0Q1Q2Q3129811U4:C108911U4:D131274LS082367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS902367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS9074LS088U1QDC37R2500k23%RVCC4RV11kC150.01u2CVR1GNDTRTH6250k1555C21.428577u

图7 仿真电路

3.3.2仿真截图

（1）仿真后的截图如下：

图8 仿真后截图

（2）仿真后的波形图如下：

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图9 仿真波形图

四、本设计改进及建议

1.用示波器检测集成电路多谐振荡器的输出信号波形和频率，振荡器输出频率应为32768HZ。

2.将频率为32768Hz的信号送入分频器，并用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合设计要求。

3.将1秒信号分别送入“时”、“分”、“秒”计数器，用显示器检查计数器的工作情况，看计数器是否按设计的进制计数。4.观察校时电路的功能是否满足校时要求。

5.当分频器和计数器正常工作后，将各级的电路相连，观察数字钟能否准确正常工作。

五、总结 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,六十进制的进位及十二进制的接法中,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.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。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 9

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误所引起的.接线的时候一定要细心,不要接错

对自己的设计图要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的CP脉冲是否正确。

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的QA,QB,QC和QD脚,发现QA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至.在ＥＷＢ软件中得到绘制出原理图。每一部分电路完成后就对其进行功能检测，以便及时发现问题进行改正。扩展电路是在主体电路的基础上加上一部分功能实现电路，以实现定时、整点报时等功能。并附带原理阐述。

通过这次课程设计学习，让我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用绘图软件及仿真软件的应用。

所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获。

六、参考文献

（1）数字电子技术课程设计指导书 2011年11月（2）阎石.《数字电子技术基础》.北京 清华大学出版社

第五篇：数电课程设计论文(数字钟)

阮忠海，朱磊，郑子奇，张建华

数电课程设计---数字钟设计

[摘要]数字钟原理是由晶体管振荡器电路产生多谐震荡，经过分频器分频后输出稳定的秒脉冲，作为时间基准。秒计数器满60向分计数器进位，分计数器满60向小时计数器进位，小时计数器以24为一个周期，并实现了小时高位具有零熄灭的功能。计数器的输出经译码器送到显示器，可在相应位置正确显示时、分、秒。计时出现误差或者调整时间时可以用校时电路进行时、分的调整，并实现整点报时功能。数字钟是采用数字电路实现时、分、秒数字显示的计时装置。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的使用，使得数字钟的精度、稳定性远远超过了机械钟表

[关键词]数字时钟、分频器、译码器、校时电路、整点报时

一.设计目的

1)2)3)4)5)6)

掌握数字钟的设计原理

熟悉集成电路的引脚安排，及掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。了解数字钟的组成及工作原理。

掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路及数字逻辑电路系统的设计、安装、测试方法。进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力。提高电路布局﹑布线及检查和排除故障的能力。

二．设计要求

1.基本要求如下：

1)时钟显示功能，能够十进制显示“时”、“分”、“秒”。2)小时高位具有零熄灭功能。3)具有整点报时功能。

4)具有快速校准时间的功能。2.提高要求

1)校时时相应位闪烁。2)能够设置多个起闹点。3.设计指标

3)画出电路原理图(或仿真电路图);4)元器件及参数选择;5)电路仿真与调试;6)PCB文件生成与打印输出.4.制作要求 自行装配和调试,并能发现问题和解决问题.1)计时准确度，每天计时误差不超过1s。2)实现24小时计时功能。

3)蜂鸣器在59分50秒开始报时，并持续响10秒 4)快速校准时间的功能。

阮忠海，朱磊，郑子奇，张建华

三．设计原理

1.1 总体框图设计

1.总体原理说明

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.上图所示为数字钟的一般构成框图.数字电子钟的逻辑框图如图所示。它由频率为32.768khz的晶体振荡器构成的振荡电路、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。晶体振荡器构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。

2.各个部分电路原理 ⑴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32768Ｈz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。

⑵分频器电路

分频器电路将32768Ｈz的高频方波信号经32768（）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。

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12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。

⑸数码管

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。

四．功能模块设计

1.校时模块

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1)方案一：

采用开关实现校时功能。

图：开关校时电路

如上图所示，通过开关的闭、合产生的高低电平，给计数器一个上升沿，调整时间的显示，实现校时的功能。

2)方案二：

下一级的进位信号不直接加到上一级的脉冲输入端，而是通过一个三态门来控制其是否接入到上一级的脉冲输入端。校时信号也是通过一个三态门然后再接到计数器的脉冲输入端。然后通过译码器构成的数据选择器选择对哪一个进行校时。这样可以避免将两线直接接到计数器脉冲输入端对下一级的产生强行置数的现象。

3)方案论证

方案一结构简单，节约成本。但是只能从低位向高位逐步调整，以避免低位调整对高位的影响，灵活性差。方案二结构复杂，成本高。但是可以方便地对任意位校准时间，灵活性高。

考虑到实际生活中，时钟一旦调整之后就很少会再次调整，为了降低成本，降低电路复杂度，采用方案一。

2.计时模块

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１２进制计数器计数器，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。

1）分秒产生电路

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图

a.上图部分是秒个位的进位与清零电路。

b.分个位、分十位的进位与清零电路与秒个位、秒十位的电路原理类似。

3.LED数码显示器的结构

LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。LED数码显示器有两种连接方法：

（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。

（2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。

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4.时高位零熄灭功能实现

如下图所示，当时十位输出0（即0000）时，当时十位输出大于0时，通过或门输出高电平，使其正常工作，从而实现时高位零熄灭功能。

5.报时模块

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1.1.1 译码显示模块

如下图，将分频器产生的输出信号通过74LS48译码器，驱动共阴极数码管，显示数字。

图3-13 译码器与数码管

第四部分 2

2.1 总结

开始时候我打算用555来产生时钟信号，原因是方便且用的芯片较少，但后来拿到原件后换成晶振了。虽然有些麻烦，但还是在面包板上把振荡电路搭出来了。在开始调试工程中也出现了一些问题，比如秒和分钟的个位进位变成了逢8进1而不是十进一，后来发现这个问题在EWB仿真过程中竟然就已存在了，而由于疏忽在仿真初期并没有发现这一问题。而经过研究元件原理后，问题的原因在于90和160的时钟信号一个是上升

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沿有效，而另一个是下降沿有效。最终的解决方案是把输入的信号经过一个与非门再输出，从而有效的将脉冲信号取反，从而解决问题。

通过这次课程设计，我经历了一个实用的电路从设计，到EWB仿真，到选择元件，安装，调试等一系列过程。感觉自己进步了不少，知道了很多书本上学不到的知识，比如说对于不知道的芯片，可以去网上下载它的datasheet，了解它的功能。

我觉得布线是我们这个作品的一个缺陷之一，由于之前发的导线用完了，而临时借不到同样的导线，我们就用了细导线，其缺陷是这种线软不容易固定，也就导致了后来的排线有些混乱，有碍了美观，但不影响电路正常工作。

另外仿真软件的选择也存在问题。开始我是使用Multisim 11.0 进行仿真，但发现在74LS48与8端口数码管连接时候，不管怎么设置数码管就是不工作，但同样的图在EWB中却可以正常使用。而EWB在我操作系统VISTA中存在兼容性问题，如打不开元件介绍、元件库缺乏部分芯片资料等等，但这次却只能使用EWB，也是无奈之举。

对于对课程设计的建议，使用面包板进行电路设计有利也有弊，连接电路时候可能比焊接电路板方便一些，并且连错的电路修改起来也很方便，但实际生产中都是做电路板然后焊接的，面包板连接电路跟实际还是有点差距的。用面包板较焊接电路板来说节约了一些时间，但其实焊接板用途更广，更方便，比如面包板在设计二维复杂电路时候会非常麻烦，很浪费空间，但焊接的电路板不存在这个问题，设计更为自由。我们经过了电工实习，对焊接电路也有了一定的心得，如果能再锻炼一下效果会更好。最后感谢老师的耐心指导，学长学姐的热心帮助。

1)                元器件清单

74LS00集成块2块。74LS30集成块1块。74LS32集成块1块。74LS48集成块6块。74LS90集成块2块。74LS160集成块4块。CD4060集成块1块。74HC74 集成块1块。22MΩ电阻5个。22p电容2个。

32.768k时钟晶体1个。共阴八段数码管6个。蜂鸣器1个。开关4个 面包板1块。导线若干。

2)使用的仪器、工具

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    

3)示波器。万用表。5V电源。镊子1把。尖嘴钳2把。

原理图

4)作品照片图

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