多功能数字钟设计论文

摘要

数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用。小到人们日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。本设计实验以中规模数字集成电路为主，介绍一种数字电子钟的设计方法。用555定时器组成的多谐振荡器、计数器、译码器和校时电路组成。采用了74LS系列中小规模集成芯片。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字钟的扩展功能。本次课程设计还采用了层次模块的设计理念，使整体电路简单化，实现了电路的实效意义。

通过本次设计实验与制作：进一步加强数字电路综合运用能力，掌握数字电路的设计技巧，增进实践能力；熟悉数字电子钟的工作原理；了解并掌握数字电子钟系统设计、组装、调试及故障排除方法。

关键词：振荡器；计数器；译码器；分频器；校时电路

目录

1 绪论 (1)

1.1设计目的及意义 (1)

1.2 Multisim概述 (1)

1.3 Multisim 10操作步骤 (1)

2 多功能数字钟设计方案的确定 (2)

2.1设计方案原理构思 (2)

2.1.1设计主要原理 (2)

2.1.2设计电路原理框图 (3)

3 数字钟基本原理与方案设计 (3)

3.1 各模块电路分析 (3)

3.1.1 1Hz标准脉冲发生器 (3)

3.1.2 译码显示电路 (5)

3.1.3 计数器电路 (8)

3.1.4 校时电路 (11)

3.1.5 闹钟电路 (13)

3.1.6 整点报时电路 (15)

4 仿真调试与结果分析 (16)

4.1 总体仿真图 (16)

4.2 各个功能仿真调试 (16)

4.2.1 校时电路仿真调试 (16)

4.2.2 闹钟电路仿真调试 (17)

4.2.3 整点报时电路仿真调试 (18)

4.3 分析总结 (19)

4.4遇到问题及解决方法 (19)

5 心得体会 (20)

参考文献 (21)

附录 (22)

附录一元器件清单 (22)

附录二电路总图 (23)

附录三电路简化图 (24)

1 绪论

1.1设计目的及意义

多功能数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的数字装置，广泛应用于家庭、办公室、车站、码头等公共场所，已成为人民生活中不可缺少的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体与振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。

随着现代化技术的发展，有关专家分析指出，我国电子商务的基础设施将日臻完善，三网合一潮流势不可挡，高速宽带互联网将扮演越来越重要的角色，移动通讯将成为进行电子商务的主要媒介。而今，我们已经进入了数字时代，数字钟的使用将会越来越受欢迎。

数字钟的未来将呈现出个性化、专业化的两大趋势，而且每个网站在资源方面总是有限的，客户的需求又是全方位的，所以不同类型的网站以战略联盟的形式进行相互协作也是必然趋势。数字钟的实现，更体现了这一点。在不久的将来，数字钟肯定会逐渐被人们接受。很快会走进千家万户，给人们带来方便。

1.2 Multisim概述

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

1.3 Multisim 10操作步骤

1）启动操作

双击图标，启动Multisim 10，出现窗口界面。

选择文件/新建/原理图，即弹出空白的主设计窗口。

2）添加元件

打开元件库工具栏，单击需要的元件图标按钮，然后在主设计电路窗口中适当的位置，再次单击鼠标左键，所需要的元件即可出现在该位置上。

双击此元件，会出现该元件的对话框，可以设置元件的标签、编号、数值和模型参数。

3）元件的移动

选中元件，直接用鼠标拖拽要移动的元件。

4）元件的复制、删除与旋转

选中元件，用相应的菜单、工具栏或单击鼠标右键弹出快捷菜单，进行需要的操作。

5）放置电源和接地元件

选择“放置信号源按钮”弹出对话框，可选择电源和接地元件。

6）导线的操作

连接。鼠标指向某元件的端点，出现小圆点后按下鼠标左键拖拽到另一个元件的端点，出现小圆点后松开左键。

删除。选定该导线，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中单击“delete”。

7）实时仿真

左上角菜单栏下方是仿真开关，连接好电路后用鼠标左键单击仿真开关，就开始实时仿真。

2 多功能数字钟设计方案的确定

2.1设计方案原理构思

2.1.1设计主要原理

该设计主要由以下几部分组成:震荡器、分频器、秒计数器、分计数器、时计数器、LED七段显示数码管、时间校准电路、整点报时电路还有闹钟电路。

数字钟数字显示部分，采用译码与二极管串联电路，将译码器、七段数码管连接起来，组成十进制数码显示电路，即时钟显示。要完成显示需要6个数码管，七段的数码管需要译码器才能正常显示，然后要实现时的计时需要12进制计数器，实现分、秒的计时则需要60进制计数器，在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。60进制可能由10进制和6进制的计数器串联而成，频率振荡器可以由晶体振荡器分频来

提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1Hz。计数器的输出分别经译码器送倒显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。

整点报时电路利用逻辑门，使当各译码器输出满足整点时，蜂鸣器导通。

闹钟电路通过比较器比较当前时间与设计的闹钟时间，相等时同样蜂鸣器导通。2.1.2设计电路原理框图

图2.1 多功能数字钟设计原理框图

3 数字钟基本原理与方案设计

数字电子钟的设计方法有很多种，例如，可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等。

在本次设计采用的是中小规模集成电路组成电子钟的方式。由许多单元电路组成总体时钟电路，使之完成功能的运行及扩展。

3.1 各模块电路分析

3.1.1 1Hz标准脉冲发生器

数字电路中的时钟是由振荡器产生的，振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。

振荡器可由晶振组成，也可以由555定时器与相应的电阻、电容连接构成。这里我们采用555定时器得到频率为1kHz 的脉冲信号，其功能主要是产生标准秒脉冲信号和提供功能扩展电路所需要的信号。

多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时无需外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用555集成电路实现多谐振荡，需要外接电阻R 49、R 50和电容C ，并外接+5V 的直流电源。

脉冲频率为：

()()KHz 1Hz 9952

ln 105024512ln 21535049≈=⨯⨯⨯+=⨯+=-C R R f 标准脉冲发生器电路图如图3.1所示：

图3.1标准脉冲发生器电路图

为了实现电路的实效性，将总体电路进行简化，对部分电路采取层次封装模块的形式，如标准脉冲发生器电路，其封装模块如图3.2所示：

图3.2 555集成电路封装模块

3.1.2 译码显示电路

数字钟的译码显示电路由译码器4511BP和共阴极LED七段显示数码管组成,为避免译码器输出的电压过高，在译码器的输出端和数码管的输入端之间串联一个100Ω的电阻。

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，并且为保证数码管的正常工作提供足够的工作电流。4511BP是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码——七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。

4511BP芯片的引脚及显示状态如图3.3所示：

图3.3 4511BP芯片的引脚及显示状态

4511BP的逻辑功能表如表1所示：

表1：4511BP逻辑功能表

引脚

display输入引脚输出引脚

~EL ~BI ~LT DD DC DB DA OA OB OC OD OE OF OG

0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0

0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0

1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0

2 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0

3 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1

4 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1

5 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1

6 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1

7 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0

8 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

9 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1

0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1

0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1

0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1

0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1

0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1

0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 0 0 0 0

要使译码器能正常工作，LT和BI引脚要接高电平，EL要接低电平，译码器的输入端接计数器的输出端，而译码器的输出端则接对应数码管的输入端。

在数字钟的设计中，一共需要6块译码显示器，分别是小时显示的2块，分钟显示的2块，秒钟显示的2块，它们在设置上基本相同，只不过译码器的输入端需要接不同的计数器。

由计数器得到的4位二进制码必须通过译码，翻译为相应的十进制数，转为人们习惯的数字显示，如12：54：30的二进制码为0001 0010：0101 0100：0011 0000。译码之后再驱动LED七段数码管显示对应的时、分、秒。

图3.4为其中一块译码显示电路的连接图。

图3.4译码显示电路连接图

译码显示电路的封装模块如图3.5所示。

图3.5 译码显示电路的封装模块

3.1.3 计数器电路

在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的。在此次电路的设计中采用的是统一的器件74LS161N的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，下面以秒针计数器为例介绍一下其具体运行方式。

秒针个位计数器U33：

47LS161被接成十进制计数器，其置数输入端A、B、C、D接低电平，/CLR、ENP、ENT 接高电平，秒脉冲由CLK端输入。计数器的输出端QA、QB、QC、QD接译码电路4511BP的输入端DA、DB、DC、DD。当秒脉冲输入时，电路状态按二进制自然序列依次递增1，QA、QB、QC、QD输出为0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001，当输出为1010也就是10时，QA、QC输出都为1，QB、QD输出为0，经过一个与非门U39A 后将输出信号1送往该计数器的/LOAD端,当74LS161的/LOAD端输入高电平时，会将输入A、B、C、D端的数据置入QA、QB、QC、QD端，即QA、QB、QC、QD端输出信号0000，这样就完成了秒计数器的清零，另一路经U37A反相后作为进位脉冲送入秒针十位计数器的脉冲输入端。

秒针十位计数器U32：

在这里74LS161被接成六进制计数器，接法与秒针个位计数器相同，秒针个位计数器送来的进位脉冲送入秒针十位计数器的脉冲输入端，使其按二进制自然序依次递增1，QA、QB、QC、QD端输出为0000、0001、0010、0011、0100、0101，当输出为0110也就是6时，QB、QC输出为1，QA、QD输出为0，QA、QC经过一个与非门U38A后一路先送往秒十位计数器的/LOAD端，清零方式与秒针的个位清零方式相同，将整个秒针计数器清零，另一路经U36A反相后作为进位脉冲送入分个位计数器的脉冲输入端。

图3.6为74LS161芯片的引脚图：

图3.6 74LS161芯片的引脚图图3.7为秒针部分的计数器电路：

图3.7 秒针部分计数器电路连接图图3.8为分和秒的电路连接图的封装模块：

图3.8分针和秒针计数器电路的封装模块

“12翻1”小时计数器是按照“01—02—03—04—05—06—07—08—09—10—11—12—01”规律计数的。由分计数器送来的进位脉冲送入时个位计数器U30，电路在分进位脉冲的作用下按二进制自然序列依次递增1，当计数到12，这时小时个位输出端QA、QB、QC、QD输出0010（也就是2），小时十位计数器U26输出端QA、QB、QC、QD输出0001（也就是1），U26只有QD端有输出，U30只有QC端有输出，将U30的QC端接一个二输入与非门U27A，U27A输出先送入十位计数器U26的/LOAD端,然后送入小时个位计数器U30的/LOAD 端，其清零方式与秒针的个位清零方式相同。小时的个位部分每10小时清零并向小时十位计数器送进位脉冲，当十位输出为一，小时个位输出为二时，将整个电路清零，实现12进制计数功能。

图3.9为12进制计数器电路：

图3.9 时的计数器电路连接图

图3.10为时的计数器电路连接图的封装模块：

图3.10时计数器电路的封装模块

3.1.4 校时电路

数字钟启动后，每当数字钟显示与实际时间不符时，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，采用快速校时。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。其中校时和校分的电路连接方式相同，下面就以校时为例进行一下工作原理说明。

Multisim仿真软件校时的具体设计方法是：用一个单刀双掷开关切换计数功能与校时功能，如图3.11所示，J7即为一个单刀双掷开关，当开关打向上时，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，“时”进位脉冲信号CLK可以顺利进入“时”计数器，故校时电路处于正常计时状态；当开关打向下时，情况正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态，进位脉冲被屏蔽，进位信号始终为0。该方式能较快地校准计数器的计数值。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3.11校时电路校分电路图

图3.12为校时电路的封装模块：

图3.12 校时电路封装模块

校秒采用等待校时方式，如图3.13所示，校秒电路的连接方式很简单，通过一个单置开关J5将秒针输入信号CLK进行截断，从而实现秒针的等待校时方式。

图3.13 校秒电路图

图3.14为校秒电路的封装模块：

图3.14校秒电路的封装模块

3.1.5 闹钟电路

在本次课程设计中，对于多功能数字中的闹钟扩展部分，选用了4片74LS85数据选择芯片和三位比较器来实现，而闹钟的设定部分则是由4片四项选择开关组成。

4片74LS85数据选择芯片串联组成闹钟主体电路，分别将时针部分和分针部分的各个输出端按照从左到右的顺序接到每个74LS85芯片的A3、A2、A1、A0端，然后将74LS85芯片各个B3、B2、B1、B0引脚接到对应的四项选择开关上，开关的输入端全部接到高电平上。当这样接入时，如果我们需要设定闹铃，就用芯片连接的开关进行置数，其对应方式为：J1对应U1为时针十位部分的设定；J2对应U4为时针个位部分的设定；J3对应U5为分针十位部分的设定；J4对应U6为分针个位部分的设定，且其设定方式为二进制计数方式，例如，拨码开关依次为0000，0100，0100，1010，此时表示为2点25分，当计时模块的输出端输出的数据与我们置入的数据相同就会从每一块74LS85芯片的OAEQB端口输出一个高电平，输出的高电平经四位与非门U7A后变为低电平输入给非门U8A，经U8A 取反后输出给蜂鸣器，使蜂鸣器开始工作发出声响。为了使闹钟闹铃的现象更加明显，我们在蜂鸣器的输入端接入了一个二极管发光装置，这样在蜂鸣器运作的同时二级管发光装置同时工作，可以清晰的观察出闹铃的闹时现象。

蜂鸣器与二极管发光装置的运作时间为一分钟。将秒针十位部分的输入端DA、DC接入一个74LS08与门芯片U25A，分针个位部分的输入端DA、DD接入U24A，分针十位部分的输入端DA、DC接入U23A，并将U24A与U25A的输出端接入U22A，U22A和U23A的输出端接入U21A，U21A的输出端接入蜂鸣器的输入端口，在闹钟开启阶段，当秒针部分向分针部分进位时，即为完成了一分钟的闹铃工作，信号传入47LS08与门芯片中，使蜂鸣器输入信号截止，蜂鸣器停止响铃，完成一分钟闹铃工作，达到闹钟的功能。

图3.15为74LS08与门芯片的引脚图：

图3.15 74LS08与门芯片的引脚图图3.16为闹钟电路内部线路图：

图3.16闹钟电路内部线路图

图3.17为闹钟部分的电路封装模块：

图3.17闹钟部分电路封装模块

3.1.6 整点报时电路

整点报时的功能要求是：每当数字钟计时快到整点时发出声响。我们将整点报时功能设计为当时钟还有十秒到整点时，蜂鸣器开始响，即报时功能持续时间为十秒。

此电路是通过五个与门和一个蜂鸣器来实现的，每当分钟的十位为5（即U13的输入端DA、DB、DC、DD为0101时），个位为9（即U15的输入端DA、DB、DC、DD为1001时），并且秒钟的十位为5时（即U17的输入端DA、DB、DC、DD为0101时），蜂鸣器接高电平，开始工作；当到达整点时，即为分针部分以及秒针的十位部分为0时，蜂鸣器接入低电平，停止工作，从而完成整点报时功能。

图3.18为某一时刻的整点报时电路图：

图3.18整点报时部分电路图

4 仿真调试与结果分析

4.1 总体仿真图

开始仿真后，秒钟部分开始以1s为周期进行递增，并能向分钟和时钟部分进位，完成数字钟的基本功能。

图4.1多功能数字钟运行时的电路状态图

4.2 各个功能仿真调试

4.2.1 校时电路仿真调试

当数字钟时间不准确时，则需要手动调整时间。

如下图所示，单刀双掷开关J7、J8分别对应着时钟与分钟部分。当两开关均掷向上方时，数字钟正常工作；当J8掷向下方时，则分钟部分开始以1s为周期开始递增，当J7掷向下方时，时钟部分则开始以1s为周期开始递增。秒钟部分则由J5控制，当开关闭合时秒钟以1s为周期递增；当开关打开时，秒钟则停止走动。

在电路需要调整时拨动开关，当调整到正确时间后将开关拨回即可。其中X12为时针部分校时电路，X14为分针部分校时电路。

图4.2多功能数字钟电路校时部分总图

4.2.2 闹钟电路仿真调试

将拨码开关调至如图4.3状态，即将闹钟定为2：25，则开始仿真。

图4.3闹铃部分设定示意图

当数字钟还未运行到2：25时，探针不亮，即闹钟不会响起，状态如图4.4所示：

图4.4闹铃启动前示意图

当时钟与分钟到达2：25时，在此一分钟内，探针亮，即闹钟响，过了此时间后，闹钟停。

闹钟响时的电路仿真如图4.5所示：

图4.5闹铃启动后示意图

4.2.3 整点报时电路仿真调试

当数字钟离整点还差10秒以上时间时，探针不亮，蜂鸣器无反应，状态如图4.6所示：

图4.6整点报时启动前示意图

当数字钟离整点差10秒时，探针亮起，蜂鸣器响，如此持续10秒，过了整点后停止。

整点报时的电路仿真如图4.7所示：