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1、摘要多功能数字钟具有时间显示、闹钟设置、环境温度测量、电网电压、电网频率显示，闹铃控制和电网电压的过压、欠压报警等功能,深受人们欢迎。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,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。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、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字
2、化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1 系统原理框图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一致，故需要在电路上加一个校时电路。同时必需以标准的 1HZ 时间信号作为时钟驱动。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。图 1 所示为数字钟的一般构成框图。图 1 系统原理框图晶体振荡器电路：晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的 32768z 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。分频器电路：分频器电路将 32768HZ 的高频方波信号经 32768
3、（ ）次分频后得152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。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。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。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,较复
4、杂的也可以是实时语音提示。2 方案设计与论证2.1 时间脉冲产生电路方案一：由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。图 2 555 与 RC 组成的多谐振荡器图2.2 分频器电路通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到 1Hz 的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级二进制计数器来实现。例如，将 32768Hz 的振荡信号分频为 1HZ 的分频倍数为 32768（ ），即实现该分频功能的计数器相当于 15 级二进制计152数器。从尽量减少元器件数量的角度来考虑，这里可选多极二进制计数电路CD4060 和
5、CD4040 来构成分频电路。CD4060 和 CD4040 在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且 CD4060 还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。CD4060 计数为 14 级二进制计数器，可以将 32768z 的信号分频为 2Hz，其内部框图如图 2.1 所示，从图中可以看出，CD4060 的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。图 3.1 CD4060 内部框图 图 5.2 CD4040 内部框图CD4040 计数器的计数模数为 4096（ ），其逻辑框图如图 5.2。如将1232768Hz 信号分频为 1Hz，则需外加一个 8 分频计数器，故一般较少使
6、用CD4040 来实现分频。综上所述，可选择 CD4060 同时构成振荡电路和分频电路。照图 5.1，在和 之间接入振荡器外接元件可实现振荡，并利用时计数电路中多一个0CP2 分频器（后述）可实现 15 级 2 分频，即可得 1Hz 信号。2.5 校时电路方案一：。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或将频率较高的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，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。图所示为所设计的校时电路。方案二：
7、校准电路由基本 RS 触发器和“与”门组成，基本 RS 触发器的功能是产生单脉冲，主要作用是起防抖动作用。未拨动开关 K 时，“与非”门 G2的一个输入端接地，基本 RS 触发器处于“1”状态，这是数字钟正常工作，“分”进位脉冲能进入“分”计数器。拨动开关 K 时，“与非”门 G1 的一个输入端接地，于是基本 RS 触发器转为“0”状态。秒状态可以直接进入“分”计数器，而“分”进位脉冲被阻止进入，因而能较快地校准分计数器的计数值。校准后，将校正开关恢复原位，数字钟继续进行正常计时工作。图 4 方案三校正电路通过比较可知，两方案均有防抖动的措施，稳定性较好，方案一和方案二相比，方案二防抖动措施更
8、好，更完备，但电路也更为复杂，成本也更高，通过比较选择方案一，既能实现防抖动功能，做出事物也更经济一些。2.6 报时电路采用仿广播台整点报时的功能：每当数字钟计时快要到正点时候发出响声，通常按照四低音，一高音的顺序发出间断声，以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。4 低音（约 500Hz）分别发生在 59 分 56 秒、发生在 59 分 57 秒、发生在 59 分 58 秒、发生在 59 分 59 秒、，最后一声高音（约 1KHz）发生在 00 分00 秒，他们的持续时间均为一秒。3.2 计数电路的设计秒、分计数器为 60 进制计数器。小时计数器为 24 进制计数器。实现这两种模数的计数器采用中
9、规模集成计数器 74LS160。3.2.1 60 进制计数器的设计“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是 60 进制，它由一级 10 进制计数器和一级 6 进制计数器连接构成。如图 4.所示由 74LS160 构成的 60 进制计数器。首先将两片 74LS160，将两片计数器并行进位则最大可实现 100 进制的计数器。现要设计一个 60 进制的计数器，可利用“反馈清零”的方法实现。当计数器输出“2Q32Q22Q12Q0、1Q3Q2Q1Q0=0110、0000”时，通过门电路形成一置数脉冲，使计数器归.2.2 24 进制计数器的设计同理当个位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0100”，十位计数器状
10、态为“Q3Q2Q1Q0=0010”时，要求计数器归零。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。校“秒”时，采用等待校时。校“分”、“时”的原理比较简单，采用加速校时。对校时电路的要求是 :1在小时校正时不影响分和秒的正常计数 。2在分校正时不影响秒和小时的正常计数 。如图 17 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
11、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 17 为加 2 个 0.01uF的电容。3.6 闹铃功能总电路图U274LS160NQA14B3QC12DRCO15A3B4C5D6ENP7T10LOAD9CR1CLK2U4 DC_HEX_BLUEU174LS160NQA14B3QC12DRCO15A3B4C5D6ENP7T10LOAD9CR1CLK2U3 DC_HEX_BLUEU5A74LS20NVC5V VC5VVC5VVC5VVC5VU674LS160NQA14B3QC12DRCO15A3B4C5D6ENP7T10LOAD9CR1CLK2U7 DC_HEX_BLUEU8
12、74LS160NQA14B3QC12DRCO15A3B4C5D6ENP7T10LOAD9CR1CLK2U9 DC_HEX_BLUEU10A74LS20N XFG1U174LS160NQA14B3QC12DRCO15A3B4C5D6ENP7T10LOAD9CR1CLK2U1274LS160NQA14B3QC12DRCO15A3B4C5D6ENP7T10LOAD9CR1CLK2U13 DC_HEX_BLUE U14 DC_HEX_BLUEU15A74LS20NJ1Key = D U21A74LS0N U23A74LS0NU24A74LS0NU25A74LS0NU26A74LS0NR11kR21kJ
13、2Key = CU27A74LS0N U28A74LS0NU29A74LS0NU30A74LS0NU31A74LS0NR31kR41kJ3Key = B1240 109108107 VC1060510410310210 VC109989 9589 610 035U3A74LS20DU45B74LS04DU16A74LS04DU16B74LS04D 123 74794 VC2U2A74LS20DU32A74LS20DU40A74LS04DU43A74LS04DU47A74LS04DU48A74LS04DU49A74LS04DU50A74LS04DU51A74LS04DU52A74LS04DU53
14、A74LS04DU54A74LS04DU5A74LS04DU56A74LS0DU61A74LS04DU62A74LS04DU63A74LS04DU64A74LS04D101U19A74LS20D15161182324252627282930U20A74LS20DU57A74LS04DU58A74LS04DU59A74LS04DU60A74L04 43424140 46251U6A74LS04D31XFG3U67A74LS08D9U68A74LS08DU69A74LS32D48 U70BUZER50 Hz VCQ12N22A390500X1 2.5 V4952J13Key = Space6367
15、J5Key = SpaceJ6Key = SpaceJ7Key = SpaceJ8Key = SpaceJ9Key = SpaceJ10Key = SpaceJ1Key = SpaceJ12Key = SpaceJ14Key = SpaceJ15Key = SpaceJ16Key = SpaceJ17Key = SpaceJ18Key = SpaceJ19Key = SpaceJ20Key = SpaceVC5VVC0U7174LS85DA213B4A112B OAGTB5A010B9A315B EQ6OALTB7AEQB3LT2GT4U7274LS85DA213B4A112B OAGTB5A
16、010B9A315B EQ6OALTB7AEQB3LT2GT4U7374LS85DA213B4A112B OAGTB5A010B9A315B EQ6OALTB7AEQB3LT2GT4U7474LS85DA213B4A112B OAGTB5A010B9A315B EQ6OALTB7AEQB3LT2GT4VC5VVC65455679646568697017273747681234858696127X22.5 V 12880799078 8879291 536374 45143460U1774LS85DA213B4A112B OAGTB5A010B9A315B EQ6OALTB7AEQB3LT2GT4VC5V75605312U41B74LS04DVC01U42A74LS32D36 U4B74LS04D7 38U46A74LS20D1920212 13093U18A74LS76D1J4 1Q151Q141K161CLR
