数字电子时钟设计

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1、 数字电子钟的设计数字电子钟的设计（1）这是一个工学结合综合性的实验，在原基础性、技能性的基础上，综合引用数字电路、仿真以及多种软件绘制原理图 及印制电路图，是一个能多种技能进行综合考核的实验项目。（2）该实验项目的一部分是线路设计，以提高理论知识灵活引用的能力，也可让我们懂得要达到同样的功能可以采用多种 线路，而一个看似很简单的功能，在具体实施时，也可能会产 生一些意想不到的问题，以提高我们解决实际问题的能力。（3）在这个产品的制作过程中，逐步提高我们对电子产品的兴趣。 1 1 实验目的实验目的 2 2 实验原理实验原理下面给出实验中要求设计的数字时钟的参考原理图，并通 过对此图的分析，给我

2、们起到举一反三的作用。 图 1数字电子钟的原理图 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 ，原理框图如图所示。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。所有计时结果由六位数码管显示。 1、石英晶体振荡器 振荡器是电子钟的核心，用它产生标 准频率信号，

3、再由分频器分成秒时钟信号。振荡器震荡频率 的精度和稳定度基本上决定了时钟的准确度。 震荡电路是由石英晶体，微调电容与集成反相器等元件构成 ，原理图如图2所示。图中门1、门2是反相器，门1用于振荡，门2用于缓冲整形 ，Rf为反馈电阻，反馈电阻的作用是为反相器提供偏置，使 其工作在放大状态。反馈电阻Rf的取值太大，会使放大器偏 置不稳甚至不能正常工作，Rf值太小又会使反馈网络负担加 重。图中C1 是频率微调电容，一般取5/35pF。C2是温度校正 用电容，一般取2040pF。电容C1、C2与晶体共同构成型 网络，以控制振荡频率，并使输入输出相移180。也可选用 555做振荡器。 石英晶体振荡器的振

4、荡频率稳定，输出波形近似于正弦波 ，可用反相器整形而得到矩形脉冲输出。 图2石英晶振电路 选用555定时器总成的施密特脉冲信号发 生器。能产生宽度、幅度和重复频率可 调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线 性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来 测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系 统的性能。 触发器，把正弦波变成1KHZ矩形波（如 图（2）所示）。振荡器电路图分频器 时间标准信号的频率很高，要得到秒脉冲，需要 分频电路。目前多数石英电子表的振荡频率为32768Hz，它 是2的15次方，用15位二进制计数器进行分频后可得到1Hz的 秒脉冲，也可采用单片CMOS集成电路实现。本题的晶体振 荡器可不用设计，

5、秒脉冲信号可由连续可调的脉冲源直接提 供。 2、计数器 （1）六十进制计数器 “秒”计数器的电路形式很多，但都是 由一级十进制计数器和 一级六进制计数器组成。图所示是用两块中规模集成电路74 LS160按反馈置零法串接而成“秒”计数器的十位和个位，输 出脉冲除用作自身清零外，同时还作为“分”计数器的输入信 号。本图则是由74LS163和74LS90门构成“秒”计数器电路。 “分”计数器电路与“秒”计数器相同。 图3 六十进制计数器 （2）二十四进制计数器 图所示二十四进制小时计数器，是 用74LS112和74LS160组成的。也可用两块中规模集成电路 74LS160和与非门构成。 图19.2.

6、4 二十四进制计数器 图 19.2.5 单脉冲发生器 3、译码和显示电路 译码就是把给定的代码进行翻译，变成 相应的状态，用于驱动LED七段数码管，只要在它的输入端 输入8421码，七段数码管就能显示十进制数字。4、校时电路 校时电路实质上是一个由基本R-S触发器组 成的单脉冲发生器，如图所示。从图中可知，未按按钮SB时 ，与非门的一个输入端接地，基本触发器处于1状态，即。 再看图，这时数字钟正常工作，分脉冲能进入分计数器，时 脉冲能进入时计数器。按下按钮SB时，与非门的一个输入端 接地，于是基本触发器的状态翻转为0状态。再看图，若所 按的是校分的按钮SB1时，则秒脉冲可以直接进入分计数器 而

7、分脉冲被阻止进入，因而便能较快的校时分计数器的值。 若所按的是校时的按钮SB2时，则秒脉冲可以直接进入计数 器而时脉冲被封锁，于是就能较快的对时计数器的数值进行 校时。校时后，将校正按钮释放，使其恢复原位，数字钟继 续进行正常的计时工作。 5、整点报时电路 整点报时电路如图6所示。图中 QD1QA1代表秒计数器个位BCD码，QD2QA2代表秒计数器 BCD码，QD3QA3代表分计数器个位BCD码，QD4QA4代表分 计数器十位BCD码。每当分计数器累计计数到59min，与非 门M2的输出为“1”即QA3QD3QA4QC4=“1”，持续时间是一分钟 ，到了59min50s时，与非门M4输出为“1

8、”，持续时间为10s。 我们若令M4的输出为A，由分频器引入的500Hz、1000Hz的 方波信号为B、C。从图中可见M6的输出为；M7 的输出为 。于是M8在59min51s、53s、55s、57s时输出500Hz音频信号 。在59min50s时输出1000的信号，音响持续1s钟，在1000Hz 音响结束时刻为整点，即该计数器每运行到整点差10s时便自 动发出呜叫声。 图 6 整点报时电路 6、音频振荡器和音响电路 不同的音频振荡器，可用 555定时器分别组成多谐振荡器。 3 3 实验仪器和设备实验仪器和设备 序号名 称型 号规 格数量备 注1指针万用表MF-47 1或500型2数字万用表U

9、T-52或DT-99091 3晶体管毫伏表DA-16A0-1000mV1 4直流稳压电源YB1731或YB-17191直流032V5双踪示波器YB4320F20HZ20MHZ1或其他型号6计算机 根据实验实际情况1图形的绘制7Protel软件 99SE版1原理图及印制电 路图的绘制8雕刻机 AM系列1 9电子数字钟元件 1套根据设计而定4 4 实验内容和步骤实验内容和步骤1、设计题目：数字电子钟 2、技术要求： （1）具有“时”、“分“、“秒”的十进制数字显示； （2）具有整点报时功能，在离整点10S时，便自动发出鸣 叫声，声长1S，每隔1S鸣叫一声，最后一次结束时正好是 整点。 （3）具有稳

10、定可靠的校时功能（时、分）。4.1 4.1 阅读设计任务书、明确设计内容阅读设计任务书、明确设计内容4.2 4.2 课题分析课题分析数字钟实际上是一个对标准频率(1 Hz)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1 Hz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 。一个用来计“时”、“分”、“秒”的数字钟，主要由六个部分 组：振荡器、校时电路、报时电路、计数器、译码显示电路 ，下图是一个框图例子，同学们可以作为参考。4.3 4.3 方案的认证方案的认证（1）画出电路原理图； （2）元器件及参数选择；

11、（3）电路仿真与调试； （4）Multisim11文件生成与打印； 4.4 4.4 安装调试安装调试(1) 根据原理图所示从下到上根据信号的流向分级安装 ，逐级进行级联。 (2) 先测试主体电路的逻辑功能。级联时，如果出现时 序配合不同步或尖峰脉冲干扰，引起逻辑功能不正常 时，可以通过增加逻辑门进行延时或反相。如果显示 字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳 变引起的，可在集成电路器件的电源端加退耦滤波电 容。 (3) 经过各级调试并纠正出现的错误和不足，再测试电 路的逻辑电路的逻辑功能是否满足设计需要，最后画 出数字电子钟的逻辑电路图5 5 实验思考实验思考 （1）为什么不用晶体管振

12、荡器或数字振荡器？ （2）在调试过程中出现问题，如：中间的一位无显示，应 按怎样的顺序查找原因？ （ 3 ）电源出现波动，是否会对时钟的准确性有影响？ （ 4 ）如显示亮度不足，如何调整？6 6 注意事项注意事项 (1) 显示器有多种型号规格，特别是有共阴极和共阳极 应加以区分。 (2) 对译码器也有是否带缓冲的，应注意选择哪一种， 带缓冲的有较强的驱动能力。 (3) 在绘制印刷电路图时，应充分利用有效面积。7 7 实验报告要求实验报告要求实验报告要包含以下内容 实验名称：数字电子钟的设计与制作 实验目的：请结合19.1简述； 实验原理：简单说明原理，并附上实验电路图。 实验仪器、仪表、设备：请在实验时记录下各仪器、仪表的 名称、型号、规格、数量和备注等； 实验内容和步骤：请参阅19.4 简略叙述完成实验的关键步骤 ，分析比较实验结果，写出实验结论； 实验思考题：通过实验过程，并结合教材相关内容进行回答 ； 实验注意事项：实验项目完再 见！