数电课程设计电子时钟

数字电子钟设计

摘要

数字钟被广泛用于个人家庭,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,运用超过老式钟表, 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。

数字电子钟一般由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路等组成。秒信号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。将秒信号送入秒计数器，它是六十进制计数器。每累计六十秒发出一个“分脉冲”信号，这个信号作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也是六十进制计数器，它每累计六十分钟，发出一个“时脉冲”信号，此信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用二十四进制计数器，可以实现一天二十四小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED显示器显示出来。校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。本文通过对CD4060、CD4013、74LS160、74LS48和晶体振荡器的基本原理和基本功能的介绍，结合数字电子钟的设计过程让我们对电子钟的设计有了清楚的认识。

关键词：数字钟，晶体振荡器，计数器，CD4060,74LS160

目录

1绪论 (1)

1.1. 课题描述 (1)

1.2. 基本工作原理与框图 (1)

2各部分电路原理及器件简介 (2)

2.1 秒信号产生电路 (2)

2.2 进制计数器电路 (4)

2.2.1 74LS160功能简介 (4)

2.2.2 60进制计数器 (4)

2.2.3 24进制计数器 (5)

2.3 译码显示电路 (6)

2.3.1 CC4511 (6)

2.3.2 译码显示电路图 (7)

2.4 校时电路 (8)

2.4.1 校时电路功能简介 (8)

3方案的选择 (10)

3.1 时钟信号源 (10)

3.2 分频器的实现 (10)

3.3 译码显示器 (10)

总结 (11)

致谢 (12)

参考文献 (13)

1绪论

1.1. 课题描述

在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新，培育出拥有自主知识产权的品牌。这正是中国钟表业发展的希望。

数字钟被广泛用于个人家庭,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,运用超过老式钟表, 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，都是以钟表数字化为基础的。本课题所设计的电子时钟是一个最基本的数字钟。

1.2. 基本工作原理与框图

数字电子钟要想最终设计成功必须要有精确而稳定的秒信号产生，通常先用石英晶体振荡器产生32768Hz的脉冲，经过整形、分频产生1Hz的秒脉冲。分频用CD4060分出2Hz的脉冲，再用CD4013分出1Hz的脉冲。然后1Hz脉冲经过校时电路送到秒计数器的个位，秒计数器是由两块74LS160组成的六十进制计数器，其十位TC接校时电路。校时电路的CP1接分计数器个位的CLK端，分计数器也是由两块74LS160组成的六十进制计数器，分计数器的十位的TC端接入校时电路。校时电路的CP2接时计数器的CLK端，分计数器是由两块74LS160组成的二十四进制计数器。校时电路的S1、S2、S3控制“校时”、“校分”和“校秒”。各个计数器分别接译码器，各个译码器分别接显示器。电路的基本原理就是这样，下面我将介绍各个模块的具体功能及原理。以下是我在下面整合的全电路原理图。

图表 1

2各部分电路原理及器件简介

2.1 秒信号产生电路

这部分电路现有石英晶体振荡器产生32768Hz的脉冲，经过CD4060经过十四次分频后产生2Hz的脉冲。再经过CD4013产生1Hz的脉冲。原理比较简单。

CD4060是十四位二进制计数器。它内部有十四级二分频器，有两个反相器。RST为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。在CIN下降沿，计数器以二进制计数。CIN、COUT分别为时钟输入、输出端。电源电压范围为3V～15V，输入电压范围为0V～VDD。它有十六个引脚，Q4～Q10、Q12～Q14为计数器输出端。VDD接正电源，Vss接地。其引脚图如下所示：

图表 2

CD4013A为双D触发器，在CLK上升沿有效。其特性表如下：

2.2 进制计数器电路

2.2.1 74LS160功能简介

图表3

CP是脉冲输入端；CT（CO）是进位信号输出端；CEP和CET是计数器工作状态端；MR(CR)是异步清零端；PE是置数端；VCC接正电源，GND接地；P0～P4是数据输入端，Q1～Q4是计数器状态输出端。电源电压7V，输入电压7V。其状态表如下所示：

2.2.2 60进制计数器

60进制计数器是由两个74LS160十进制计数器经过一定的方式连接组成的。

具体连接是这样的，一片74LS160用低位，另一片设计成六进制计数器做为高位。将高位片的Q2和Q1接入与非门，出来接入高位片的MR(CR),当高位片为0110时，MR(CR)为低电平，此时清零，实现了六十进制。其连线图如下所示：

图表 3

2.2.3 24进制计数器

24进制计数器也是由两片74LS160组成的，当各位计数状态为

Q3Q2Q1Q0=0100,十位计数状态为Q3Q3Q1Q0=0010时，计数器归零。通过把个位

Q2、十位Q1接入与非门，然后接入个位、十位的MR端。令计数器清零，从而实现二十四进制计数器的功能。其连线图如下所示：

图表 4

2.3 译码显示电路

2.3.1 CC4511

本实验采用CC4511 BCD锁存器/七段译码/驱动器。其中 A,B,C,D—BCD码输入端；a,b,c,d,e,f,g—译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED 数码管；LT—测试输入端，LT=“0”时，译码输出全为“1”；BI（RL）—消隐输入端；LE—锁定端，LE=“1”时译码器处于锁定状态，LE=0为正常译码。其引脚图如下：

图表5

下表为CC4511功能表。

2.3.2 译码显示电路图

译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。其电路图如下所示：

图表 6

2.4 校时电路

2.4.1 校时电路功能简介

校时电路是数字中不可缺少的部分，当数字显示与实际时间不符时，就要根据标准时间进行校时。其简单电路如下所示：

图表 7

S 1、S 2、S 3分别控制校“时”、校“分”和校外“秒”。具体是这样的，当S 3

断开时，G7与非门打开，正常进行计秒。当需要校秒时，闭合S 3，此时G7与非门被断开，时间正确时打开S 3正常计秒。需要校分时闭合S 2，此时低电平经过G8与非门后变为高电平，G5与非门打开，秒信号进来，使分计数器以秒的节奏快速计数。而G6与非门此时被断开，来自秒十位的进位脉冲无效。直到显示的时间和标准时间相同时打开S 2，此时G5与非门被断开，G6与非门被打开，秒十位进位脉冲进来，1Hz 脉冲信号无效，分计数器正常计时。需要校准小时时，只需闭合S 1此时G3与非门被断开，G1与非门接通，1Hz 信号进来，使时计数器以秒的节奏快速计数。当时计数器的显示与标准时间相同时，打开S 1即可。打开S 1时G1与非门断开，1Hz 脉冲信号无效。G3与非门打开，接受分计数器的输出进位信号，使时计数器正常计数。这就是校时电路的基本原理。

3方案的选择

3.1 时钟信号源

时钟信号源是时钟类项目的心脏，他的精确度直接影响到整个项目的性能。要产生1Hz脉冲可用石英晶体振荡器和555多谐振荡器。555多谐振荡器的优点是起振容易，振荡周期调节范围广，缺点是频率稳定性差，精度低，所以在本试验中不宜使用。石英晶体振荡器不仅选频特性极好，而且谐振频率十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。因此在本实验中我选择石英晶体振荡器。

3.2 分频器的实现

因为时钟信号源已选中使用32768Hz,而输出的要求是1Hz的秒时钟信号，

2的分频功能。可以采用专用分频器，如六分频，十二分所以分频器需要实现15

频，1/60分频器，常用集成电路有74LS92，74LS56,74LS57等。也可以用各种进制计数器构成分频器，如CD4020,CD4040,CD4060，异步十进制计数器74LS90，同步十进制计数器74LS290，双时钟同步加减计数器74LS192都可以很容易构成十进制，十二进制，二十四进制，六十进制分频器。还可以用脉冲分配器，如CD4017,CD4022.除此以外还可采用带有7段译码器的十进制计数器，连接LED

时可以不再需要外加译码，如CD4026,CD4033。

结合本实验的特点，最后我使用了十四位2进制计数器CD4060，它可以进行214次分频，再用CD4013尽可以完成15

2分频了，就得到了1Hz脉冲。

3.3 译码显示器

译码显示器可用带译码器的LED数码显示管，它的显示管可接受4输入8421BCD编码，因其内部有译码器，比较方便。也可用译码芯片＋LED数码显示管，可采用74LS47，74LS48,CD4511等集成电路将BCD码译成段码发送给8段发光二极管数码管，当然要选择相配的共阴极或共阳极译码驱动器。在这个电路中我选择了CD4511+LED数码显示管。

总结

经过近多日的努力，终于将本次课程设计做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰当的地方，请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心接受。在本次课程设计过程中，我增强了自己的动手能力和分析能力。通过跟老师和同学的交流，也通过自己的努力，我按时完成了这次课程设计。在此过程中，我学会了很多，也看到了很多自己的不足之处。在以后的学习生活中，我会努力学习专业知识，完善自我，为将来的发展做好充分的准备。

总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西，懂得了理论和实际联系的重要性。在以后的学习中，我不仅要把理论知识掌握牢固，更要提高自己的动手能力和分析能力。

致谢

通过二周的努力，终于将数字电子钟课程设计完成了，在完成课程设计的这二周中，老师给予了我很大的帮助。他不仅是指导我完成了设计，还教会了我做设计的一般步骤、设计思想和设计方法。当我对此课程设计无从下手的时候，李如昌老师专心地为我讲解，为我解决了很多实际存在的困难和问题。他在601

教室里利用自己的休假时间为我们梳理流程，讲解原理，使我对此次的课程设计能圆满完成增添了很多信心，真正的从心理和解决实际问题上为我树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到骄傲，每每对课程设计的撰写产生疑问时，他为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架，为我的写作指引了方向。在此我衷心的感谢一直不辞辛劳为我指明方向的老师，也要感谢教会我知识的学校为我提供实践的场所和实践器材，还要感谢那些耐心帮助我的同学们的同学们。通过这次的课程设计，不仅使我学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响。

在此，再次感谢我的学校、李老师和同学们。

参考文献

[1] 数字电子技术基础简明教程（第三版）

清华大学电子学教研组编余孟尝主编高等教育出版社[2] 模拟电子技术基础简明教程（第三版）

清华大学电子学教研组编杨素主编高等教育出版社[3] 电子技术基础模拟部分（第四版）

华中理工大学电子学教研室编康花光主编

高等教育出版社

[4] 数字集成电路应用300例黄继昌人民邮电出版社

[5] 新编电子元器件选用与检测郑凤翼福建科学技术出版社

[6] 电子制作实训刘进峰中国劳动社会保障出版社

[7] 电子线路设计指导李银华北京航空航天大学出版社

[8] 电子电路基础（第2版）林家儒北京邮电大学出版社

[9] 集成电路识图入门突破胡斌人民邮电出版社

[10] 电子电路设计基础刘强人民邮电出版社