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1、 数字电子钟的设计1 绪论1.1 课题说明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，数字钟体积小，安装使用方便，不仅可以作为家用电子钟，而且可以广泛用于车站、体育场馆等公共场所。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。所谓数字钟，是指利用电子电路构成的计时器。本次课程设计要求设计一个数字钟，基本要求为数字钟的时间周期为24小时，数字钟显示时、分、秒，数字钟的时间基准一秒对应现实生活中的时钟的一秒。供扩展的方面涉及到整点报时、定时闹钟等。1.2 方案设计目的用中小规模集成电路设计一台能显示时、分、秒的数字电子钟，
2、要求如下：1.由晶体振荡电路产生1HZ的标准脉冲信号。2.秒、分为0059 六十进制计数器，时为0023 二十四进制计数器3.可手动校准。只要将开关置于校准位置，即可对分别对分、时进行手动脉冲输入校准或连续脉冲校准调整。4.整点报时。整点报时电路要求在每个整点时进行报时。5.定时闹钟。定时闹钟电路要求在所设定时间进行报时。1.3 技术指标1. 显示时、分、秒的可以24小时制或12小时制。3. 具有校时功能：可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位。校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟。4. 具有整点点报时功能。5. 定时功能：可以设定定时时间，当数字时钟计时到定时时间时，能
3、进行报警。6. 为了保证计时准确、稳定，由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。1.4 方案设计及论证1.4.1方案设计一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器和定时器组成。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、电路组成。首先构成一个555定时器产生一秒钟的震荡周期，由74LS90采用清零法分别组成六十进制的秒计数器、六十进制分计数器、二十四进制时计数器。使用555定时器的输出作为秒计数器的CP脉冲，把秒计数器地进位输出作为分计数器地CP脉冲，分计数器的进位输出作为时计数器的CP脉冲。使用LED显示器进行显示。1.4.2方案论证1.4.2.1数
4、字钟基础电路我们知道，秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现，在此我们用555定时器来实现。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秒发出一个“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”、计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。再选用合适的集成块，本实验中使用的芯片有55
5、5时基电路一块，74LS90十块，74LS08五块以及TTL逻辑门若干、电阻电容若干、电源导线若干。根据实验原理图进行联线就可以组成一个数字钟。1.4.2.2扩展电路整点报时当分秒同时出现为0时，灯亮。闹钟定时当定时控制电路的时分与时钟电路的时分相同时，灯亮。2 核心部件简介2.1 555时基电路晶体振荡器采用555时基电路，它是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极性和CMOS型两大类，二者的结构和工作原理类似。二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555内部结
6、构如图2.1，外部管脚如图2.2。图2.1 555的内部结构图图2.2 555外部管脚图2.2 74LS90异步加法计数器74LS90由四个触发器及附加门组成，它有两个时钟脉冲输入端、。两个清零输入端Ro(1)、Ro(2)，两个置“9”输入端R9(1)、R9(2)，四个输出端QDQCQBQA，两个NC端(空脚)。从功能表我们便清楚地知道它的功能。利用74LS90的Ro(1)、Ro(2)和R9(1)、R9(2)可以实现复位和置位功能。当R9(1)、R9(2)两个输入端全为“1”时，无论Ro(1)、Ro(2)为何状态，计数器置“9”；当Ro(1)、Ro(2)都为“1”时，R9(1)、R9(2)中有
7、一个为“0”时，计数器清零。当Ro、R9，输入端都为低电平时，74LS90方可计数。计数功能如下：时钟脉冲从A端输入，从QA端输出，则是二进制计数器。时钟脉冲从B端输入，从QD、QC、QB。端输出，则是异步五进制加法计数器。当QA和CPB端相连，时钟脉冲从A端输入，从QD、QC，QB、QA端输出，则是8421码十进制计数器。当A端和QD端相连，时钟脉冲从B端输入，从QD、Qc、QB、QA端输出，则是5421码十进制计数器。图2.3为 74LS90的逻辑图及管脚图。图2.3 74LS90的逻辑图及管脚图3 各部分电路组成部分及其设计原理3.1 数字电子钟的构成框图数字钟实际上是一个对标准频率(1
8、HZ)进行计数的计数电路。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。图3.1所示为数字钟的一般构成框图。图3.1 数字中的组成框图3.2 数字电子钟的模块及其工作原理3.2.1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。采用由逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器，使振荡频率f=1HZ。图3.2 晶体振荡器电路（在OUT端产生1HZ的信号脉冲） 图3.3 晶体振荡器电路在OUT端产生1HZ的信号脉冲示
9、波3.2.2时间计数器电路数字钟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。利用两片74290组成的60进制计数器如图3.4或3.5所示，输入计数脉冲CP加在CLKA端，把QA与CPLB从外部连接起来，电路将对CP按照8421BCD码进行异步加法计数。通过反馈端，控制清零端清零，其中个位接成十进制形式，十位接成六进制形式。秒和分计数均由60进制递增计数器来完成。图3.4 时间计数器秒电路图3.5 时间计数器分电路个位同样接成十进制形式
10、，十位通过QA与CLKB外部连接，向显示屏间隔地输出“0”与“1”，组成24进制递增计数器。构成时间计数器时电路。如图3.6所示。图3.6 时间计数器时电路3.2.3调时调分电路如图3.7，将时、分电路的计数器直接接到振荡器，再分别由开关“A”及“S”控制电路的接通与断开，实现调时、调分。图3.7 调时调分电路3.2.4整点报时电路当分秒同时出现为0时，灯亮。电路如图3.8所示。这里采用的全是TTL门电路。图3.8 整点报时电路3.2.5定时闹钟电路定时器定时时间的设定，可用开关，分别置入0或1，就可以在其输入端得到对应的0或1。然后与数字钟的输出端用或非门、与非门、非门和与门组成比较电路，当
11、定时器数值与时钟的值一致时便可触动电铃使之报时。这里使用灯泡以便于显示。电路如图3.9所示。图3.9 定时闹钟电路4 整机电路图图4.1 整机电路图5 运行结果当秒的开关接由晶体振荡器直接生成的1HZ信号，分、时的开关分别接来自秒、分的进位时，LED显示器可准确显示00：00：0023：59：59，24小时制的时间计数。通过对时、分两开关的即“A”、“S”调节，可分别实现调时调分的功能。当时间显示为整点时，即*：00：00时，由整点报时电路可报时，在此电路中，为彩色指示灯变红。通过对定时电路中，分、时的开关即“Z”、“X”的调节，可定时。当时间显示为所定时间时，可实现一分钟的报时。在此电路中，
12、为彩色指示灯变红。6 设计心得与体会6.1 总结这次的数字电子钟设计，是我第一次独立的进行一个电路的设计与制作。由于刚开始对设计思路并不是很清晰而且对EWB的使用方法并不是很熟悉，以至于整个过程花了我不少时间，可当做完时才发现做这个数字钟并不是很难很难，主要是在调试时花了不少时间，其间换了不少器件，有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以调试花了我不少时间，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。在实际的操作过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来，并在调试中会遇到各种各样的问题，电路的调试提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题
13、。似乎所有的事都得自己新手去操作才会在脑海中留下深刻的印象，这个小小的课程设计让我可以熟练的操作EWB软件，也了解了不少器件的功能的应用，也加深了对数字电路认识和理解。本次课程设计主要是用软件仿真，如果是实际加工电路板就更加锻炼我们的动手能力了，因此，我们的能力还有待提高。6.2 建议对于此次的数字电子钟设计，我觉得用单片机设计比较好，不过我并没有使用。而且我们所用的数字电路仿真软件是EWB，而如果使用Multisim会更有利于设计和实现，因为Multisim比EWB元器件更多，也更先进。本次课程设计是纯仿真制作，如果能加上实际的电路实现，我想会对我们的动手能力及设计电路的能力有更大的提高。不
14、过通过这次课程设计，使我的模电以及数电知识得到了巩固。参考文献1童诗白模拟电子技术基础第三版北京：高等教育出版社，2004：15-202阎石数字电子技术基础第五版北京：高等教育出版社，2006：160-2043金维香，谢玉梅电子测试技术长沙：湖南大学出版社，2008：192-196 4 Donald A.Neamen.Electronic Circuit Analysis and Design.北京：电子工业出版社，2006:740-7605 Thomas L.Floyd,David M.buchla.the science of electronics digital.北京：清华大学出版社，2006：931-937 6 瞿安连应用电子技术北京：科学出版社，2003：120-1267 陈大钦电子技术基础实验电子电路实验第二版北京：高等教育出版社，2006：390-3988 王彦朋大学生电子技术与应用北京：中国电力出版社，2007：146-162附录附录A 元器件清单表1 元器件清单附录B 总电路图图B1 全电路图第 8 页 共 15 页
