简易数字电子钟课程设计说明书

兰州理工大学

课程设计说明书

课程名称：电子技术课程设计

题目：简易数字电子钟

学院：电气信息学院

专业：电气工程与自动化

年级：2007级

学生：

学号：

指导教师：

完成日期：2009年7月4日

PWM信号发生器的设计

摘要：数字电子钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。随着科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高。高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟、石晶表、石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，同时，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，它具有时、分、秒、显示时间，还可以进行时和分的校对，整点报时等功能。

本系统由晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、LED显示器以及校时电路和整点报时电路组成，采用了CMOS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。进行了各单元设计，总体调试。

关键词：晶体振荡器；计数器； LED显示器。

Abstract：The digital clock has become people's daily life in the necessity of the essential to have, useding for etc. of personal family and offices public place extensively, give the people's life, study, work, amuse to bring the tremendous convenience. Along with science technical develop continuously, the people are more and more high to the accuracy request that time calculate. Tool when high accuracy account the majorities all used silicon crystal oscillator, the electric clock, stone Crystal form, quartz clockses all adopted the quartz technique, so walk the accuracy is high, stability good, usage convenience, do not need to usually adjust the school, at the same time, when it still used for account, tell the time automatically and automatic control etc. each realm. The numerical type electric clock accounts with the integrated circuitalways,translate the code to replace the machine type to spread to move, replace to point the needle manifestation to then show time with the display of LED, while letting up to account error margin, when it have, cent, second, the manifestation time, can also carry on and divide of check, a little bit whole tell the time to wait the function.

The system is made up by silicon crystal oscillator，frequency divider，number counter，decipherer，LED indicator and calibrated circuit and utilizes the medium－sized and small－sized integruted chip of CMOS series．The design for the overa1l project is composed of two parts the main circuit and the expanded circuit．The main circuit carries on the basic function of the digital electronic clock and the expanded circuit carries on the expanded function of it．Each unit is designed and the overa1l adjustment is performed．

Keywords：silicon crystal oscillator； number counter； LED indicator .

目录1 设计任务和要求1

1.1 设计任务1

1.2 设计要求

2 系统设计

2.1系统要求

2.2方案设计

2.3系统工作原理

3 单元电路设计

3.1单元电路@@@@@

3.1.1电路结构及工作原理

3.1.2电路仿真

3.1.3单元电路的选择以及参数确定

3.2单元电路@@@@@

3.2.1电路结构及工作原理

3.2.2电路仿真

3.2.3单元电路的选择以及参数确定

4 系统仿真

4.1单元电路！@@@仿真

4.2单元电路！@@@仿真

5 电路安装，调试与测试

5.1电路安装

5.2电路调试

5.3系统功能及性能测试

5.3.1测试方法设计

5.3.2测试结果及分析

6.结论

7.参考文献

8.总结、体会和建议

附录

1.4.2 整点报时电路7

1.4.3 定时闹钟电路8

1.4.4 误报时控制电路8

1.5 特殊器件的介绍9

1.5.1 LM8364简介9

1.5.2 LM8364内部电路框图9

1.5.3 LM8364的功能10

2 原理图与PCB板设计1

3 2.1 Protel DXP简介13

2.2 原理图的设计 13

2.3 PCB板的设计13

3 系统调试16

4 总结与讨论17

5 谢辞（致谢）19

6 参考文献20

附录21

1前言

随着社会的进步，信息化产业的发展，出现的高科技产品的技术含量也越来越来高，数字电子技术的掌握和发展是对新知识新技术接轨的一种直接途径；再加上定时器部分自动设置的结合可以说这也是一个现代化产品。虽然现在它的技术含量并不高，但我相信通过努力创新和不断的改进与改装，也将会成为一种实用性强、水平高的产品。可以知道《简易数字电子钟》这是以社会生活相接轨的课题，因此它会得到社会的认可和使用。

1.1 设计背景

由于我门学习了数字电子技术等课程，另外还做过模拟、数字电子技术等实践训练。为了达到设计要求，所以根据自己掌握的数字电路知识，再结合其他专业课知识，我选择了《简易数字电子钟》这个题目。在制作这个电路的基础上可以看出自己对数字电路及其它专业课的掌握程度，因而很适合电子技术课程设计的题目要求。再者数字电子钟在我们的实际生活中经常见到，它的精度、稳定性远远超过了机械钟表，因此得到了广泛的使用。

总体方案设计

通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我知道数字电子钟一般由六个部分组成，其中振荡器和分频器组成标准的秒信号发生器，由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。秒信号送入计时器进行计数，把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示出来。“时”显示由二十四进制计数器、译码器和显示器构成，“分”、“秒”显示分别由六十进制计数器、译码器和显示器构成。

针对这样的结构，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。

1.2 方案比较

1.2.1 方案一

分析数字电子钟的原理，可分为以下几个模块进行设计：①60Hz标准脉冲发生器：60Hz标准脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得60Hz的标准秒脉冲。②计数译码显示:秒、分、时分别为六十、六十、二十四进制，可以采用同步或异步中规模计数器完成。

③译码采用4/7译码器驱动共阳极数码管。④校正电路：由于走时不准确而造成显示的时间快或慢，就要对表进行校准。这一功能利用手动单脉冲或连续脉冲对其进行校准。

⑤整点报时电路：当数字钟显示59min变为00min时，开始整点报时。⑥定时定闹电路：如定开时间到，则继电器开触点闭合，如定关时间到，则继电器常开触点断开。其原理框图如图所示。

振荡器可采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器，或者石英晶体振荡器；分频器可以采用CD4060通用型集成电路产生标准的分频信号；可以采用4片双十进制计数器74LS390构成8位十进制计数器，采用74LS48组成译码驱动电路。

简易数字电子钟方案一框图

1.2.2 方案二

根据设计任务和原理，数字钟可用中小规模集成电路制作，也可用大规模集成电路制作。

数字钟专有集成电路有多种，有的没有定时功能，有的只有单定时功能。而本课题要求具有双定时功能，通过查找资料可知，可以选用集成电路LM8364较为合适。其原理框图如图所示：

简易数字电子钟方案二框图

LM8364除了用做数字钟外，还可兼做钟控定时器。这种钟控定时器具有24h任意时间开、任意时间关、1h定时输出等功能，适合家庭某些电器每天一次的自动控制。数字钟由60Hz信号产生电路、时钟IC、LED显示、整点报时电路、定时定闹电路、控制电

路等组成。

1.3 方案论证与选择

数字钟可用中小规模集成电路制作，也可用大规模集成电路制作。若用方案一的中小规模集成电路制作，至少需要震荡器、分频器、计数器、显示器等电路，所用的元器件较多，仅计数器就需要好多块，虽然原理简单，但所画出的原理图比较复杂，功能单一。如果用方案二中的LM8364设计简易数字电子钟，其电路较为简单，而且实用可靠，走时准确，制作容易。如果仅显示时间之用，只需振荡器、时钟集成电路和显示器就能实现。因此本课题采用方案二中的时钟专用大规模集成电路来设计制作。

设计任务和要求

1.根据自己所学的模电和数电知识，设计具有死区的的PWM信号产生的电子线路，该电路是双路输出的PWM电路，一路输出为TOUT0,另一路为n TOUT0，且TOUT0与n TOUT0反相，但TOUT0 的上升沿总比n TOUT0的下跳沿延迟5微妙（死区时间）。

2.设计数码管显示电路，让其显示PWM信号的频率。

3.给出相应的有关器件的选型和参数以及整定依据。

4.分析并提出提高测量精度和分辨率的方法和措施。

5.画出系统详细的硬件接线图。

6.完成实验室仿真，模拟调试，实现主要功能要求。

7.完成设计说明,要包括参考文献，器件型号及参数一览表。

8.答辩中能比较准确的回答所提出的问题。

系统设计

单元模块设计

本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。

1.4 各单元模块功能介绍及电路设计

本系统主要分为4个单元模块，它们分别是：60Hz信号产生电路、整点报时电路、定时闹钟电路和误报时控制电路。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

1.4.1 60Hz信号产生电路

数字钟走时是否准确在于60Hz信号的精确度。LM8364的第一脚可外接RC产生

50/60Hz信号，用此方法精度较低。如下图所示的3种电路能产生60Hz精密信号。（a）图的集成电路为MM5369；（b）图用CD4060和与非们CD4012构成，用MM5369电路虽然方便，但CD4060比MM5369更容易买到；（c）图用CD4040和反相器组成，CD4040是12级脉动进位二进制分频电路，其12脚Q8输出频率f0≈60.01465201Hz，其误差

§≈2.442×10-4。本数字钟采用（b）图所示的电路作为时钟信号。

60Hz信号产生电路图（a）

60Hz信号产生电路图（b）

60Hz信号产生电路图（c）

60Hz 信号产生电路

CD4060为14位二进制串行计数器/分频器，其内部带有振荡器，可外接电阻和电容构成RC 振荡器，也可以通过外接晶体构成高精度的振荡器。CD4060有14级计数器，但只引出10个输出端。CD4060还有一个公共的清零端，只要在清零端加一个高电平或正脉冲，即可使计数器输出全部为“0”电平，并迫使振荡器停振。CD4060外接32768Hz 的晶体和电阻产生32768Hz 的振荡信号，经内部电路分频后从13脚输出64Hz 的信号，从CD4060的第3，2，1，5，脚取出Q14（2Hz ），Q13（4Hz ），Q12（8Hz ）,Q10(16Hz)四个信号，使其每半秒封锁第2个与非门G2两次（即每秒可去掉4个脉冲），从而输出高精度的60Hz 信号。其工作波形如下图所示。

关于精密60Hz 信号的产生电路，除了上图所示的3种外，还有其他的电路形式，这里就不一一介绍了。

60Hz 信号产生原理

1.4.2

整点报时电路

当数字钟显示59min 变为00min 时，应整点报时。根据分析，十分位显示数字2，3，4，5时，十分位的g 段始终是亮的；十分位显示数字0与1时，十分位的g 段是灭的。因此十分位的g 段由亮变灭只发生在59min 变为0min 时，这样可用十分位的g 段作为整点报时的触发信号。

简易数字电子钟原理图如后附页〈一〉所示，图中没标型号的二极管为IN4148，

电

1/4S

G 1输出 16Hz Q 8Hz Q 4Hz Q 2Hz Q

O

解电容的耐压为16V。

整点报时由NE555构成的单稳态电路来控制。当十分位的g段由亮变灭时，经微分限幅后触发IC1的第二脚，IC1的第三脚输出高电平，触发音乐片，奏响一手歌之后停止。由于第3脚的输出接有光敏电阻，因此白天光敏电阻的阻值小可触发音乐片，夜晚光敏电阻的阻值很大，不能触发音乐片。没有触发时IC1的第二脚电压大雨VDD/3（由R1，VD1，R2决定），第3脚输出低电平。

假设忽略二极管VD1的压降，根据IC1的第二脚电压要求，应满足

1

121 3

R R R >

+

即：2R1＞R2

取R2为51KΩ，但R1不能取值过大，否则整点将无法触发单稳态电路，这里取R1为30KΩ。

R3与C2的取值应保证输出暂稳态的时间tp小于音乐片一手歌的时间，这里取R3为30KΩ，C2为33μF/16V的电解电容（因电源为9V），则tp为

tp=1.1R3C2=1.1?30?103?33?10-6=1.1S

音乐片选择HL9300F，R6选390Ω/ 1/4W，光敏电阻选择暗电阻大雨10MΩ的元器件。

1.4.3 定时闹钟电路

根据双定时功能，如定开时间到，则继电器常开触点闭合，如定关时间到，则继电器常开触点断开。定时定闹电路应为RS或JK触发器，在整机电路图中IC3A和IC3B构成基本RS触发器，C8与R34组成微分电路（它们的取值要根据经验来定），从而保证电源接通瞬间或者非门IC3的第1脚为高电平，第3脚输出低电平，三极管VT1截止，蜂鸣器不会向，继电器不会吸合。当定开定闹的时间到时，数字钟集成电路LM8364的第42脚输出输出高电平，使RS触发器置高电平，IC3的第3脚输出高电平，蜂鸣器响，继电器吸合。当定关时间到时，LM8364的第17脚输出高电平，RS触发器复位，VT1截止，继电器断开。

倒计时：按S5 ，LM8364的第15脚输出高电平，同时按S3，则调整倒计时时间，第15脚输出的高电平使VT1导通，继电器吸合；当倒计时时间到时，第15脚输出低电平，继电器断开。

1.4.4 误报时控制电路

VD11～VD15和IC5及或非门是为了防止调整时间产生误报时、继电器误动作或始终误闹。调小时/分钟、调定开/定关时间、调倒计时时间可能会出现十分位的g段由亮变灭的情况。为了防止误报时,调时间时,触发IC5构成的第二脚, 由IC5构成的单稳态电路的输出反相后使IC1复位,从而不能触发音乐片。调各种时间时可能经过定开/定关的时间,为了防止蜂鸣器误响或继电器误动作,调时间时, IC5第三脚输出的高电平加到LM8364的第14脚和第16脚,从而保证定开输出和定关输出为低电平,使VT1截止,保证继电器不会误动作,蜂鸣器不响。

R32与R9的取值方法与R3与C2相同,此时暂稳态的时间约取1～2min。整点报时和定闹共用一个蜂鸣器,整点报时蜂鸣器唱歌,定闹时蜂鸣器发出蜂鸣声。

1.5 特殊器件的介绍

本系统中主要使用了如下核心功能器件：LM8364。下面就该器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。

1.5.1 LM8364简介

LM8364是日本三洋公司的产品，是采用PMOS工艺制成的大规模集成电路，电源电压范围宽（直接驱动LED显示，电源为6.5~16V，驱动荧光数码管显示，电源为6.5~21V）。LM8364的引脚如图4.1.1所示。

LM8364具有如下特点：除实时显示“时/分”外，还可显示“月/日”；可按12h 或24h方式工作，12h系统带有AM/PM显示；可设置两个报警输出；有减法计时的定时功能，最大定时59min；在出现电源断电等故障时可全位“闪烁”显示。

1.5.2 LM8364内部电路框图

到计时显示输入——g

V SS——a与d 10分

报警1关闭输入——b

到计时输出——e

报警2关闭输入——c

（定关输出）报警2输出——分f

打盹输入/显示月日——分g

V DD——分a

分c——分b

分d——分e

LM8364的引脚图

LM8364内部电路复杂，由振荡器、分频器、加计数器、减计数器、驱动电路等组成。LM8364内部电路方框图如下图所示。

调分钟

报警1显示

报警2显示

秒显示

到计时显示

LM8364内部电路方框图

1.5.3 LM8364的功能

（1）1脚CR输入：1脚输入RC=150kΩ×6800pF时，则产生f0=1600Hz的振荡，

经内部32级分频后得到50Hz的时钟信号；1脚输入RC=130kΩ×6800pF时，则产

生f0=1920Hz的振荡，经内部32分频后得到60Hz的时钟信号。用50Hz交流电源

时，工频50Hz可作为时钟输入。

（2）4脚12/24小时选择：悬空为12h工作，连接VDD为24小时（利用AM

与PM及10小时b/c端。

（3）6脚50/60Hz选择：悬空时用60Hz工作，连接VDD时用50Hz工作。

（4）10脚秒显示输入：按S6，分钟位置显示秒数字（如图4.3.1所示功能示

意图）。

（5）18脚打盹输入：按S7，显示“月/日”，且使两个报警输出暂停10分钟。

（6）8脚调小时：按S2，可调小时。

（7）9脚调分钟：按S3，可调分钟。

（8）5脚定开输入：按S1，显示定开时间，同时按S2，可以调定开时间的“小时”时间；按S1的同时按S3，可以调定开时间的“分钟”时间。

（9）11脚定关输入：按S4，显示定关时间，同时按S3，可以调倒计时时间。倒计时时间可设置为1~59min的某一数值。

（10）12脚倒计时输入：按S5，显示59min，同时按S3，可以调倒计时时间。倒计时时间可以设置为1~59min的某一数值。

（11）定开功能：到定开时间，42脚输出高电平，此时若按打盹输入S7，则42脚输出变为底电平，维持10min后又变为高电平。42脚输出的高电平维持59min后自动变为底电平。当42脚为高电平时，按报警1关闭输入S8，42脚变为低电平。

（12）定关功能：到定关时间，17脚输出高电平，此时若按打盹输入S7，则17脚

输出变为底电平，维持10min 后又变为高电平。17脚输出的高电平维持59min 后自动变为底电平。当17脚为高电平时，按报警2关闭输入S9，17脚变为低电平。

（13）计时功能：按S5，15脚输出高电平，到倒计时时间后，15脚输出变为低电平。为配合LM8364，应采用内部为共阴极且为单阴极连接的发光二极管显示屏，共阴单阴LED 显示屏的第一脚为公共阴极。对于其余各脚，可自己测出对应的字段。

LM8364功能示意图

+V DD

S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8 S 9

2 原理图与PCB板设计

2.1 Protel DXP简介

随着科技与技术的发展，手工制作印制板逐渐被软件代替了。Protel DXP就取代了在电子行业的手工印制板，Protel DXP功能具有：电路原理图的设计，原理图元件编辑器，印制电路板设计编辑器，印制电路板元件封装编辑器，印制板打印编辑器等等。它是第一个将所有设计工具集成于一身，完成电路原理图到最终印制电路板设计全过程的应用型软件，成为当今最为流行的电路设计制版软件。

2.2原理图的设计

根据对单元电路的分析和设计,我们可以设计出本课题的电路原理图,因此采用Protel DXP设计软件我们就可以很方便的画出电路原理图。但是在设计电路原理图之前,必须按照规范的流程进行设计,掌握好相关的原理图设计工具,并设置好相关的参数,这样才能方便快捷地设计出所需要的原理图。原理图如后附录〈一〉所示。

2.3PCB板的设计

由于此电路采用单面板制作, 所以我们用Prtel DXP工具来设计生成PCB板, 其设计步骤为：

(1)单击File/New,新建设计数据库。

(2)进入刚建立的数据库，执行File\New命令，从选择原理图编辑器需（schemati Document）图标，双击该图标，建立原理图设计文档。

(3)双击文档图标，进入原理图设计编辑器，完成原理图设计。（需加载的:Miscellaneous.lib,路径C:\program files\Design Exploer 99\Liberey\Sch文件夹）

(4)使用Prtel 99的电器规则，执行菜单命令Tool\ERC对画好的电路原理图进行电器规则检查。若有错误情况进行改正。

(5)创建网络表可以生成具有元件名、元件封装、参数及元件之间连接关系的网络

表。

(6)执行File\New菜单命令，从框中选择PCB设计编辑器（PCB Document）图标，双击图标建立PCB设计文档。

(7)装入元件封装库执行菜单命令Design\Add\Renove\Library或单击Browes PCB 选项卡中的按钮，在“添加/删除元件库”对话框中选取所有元件所对应的元件封装库1.Miscel laneous.lib，路径在(C:\program files\Design Exploer 99\Liberey\ PCB\ Generic Footprints)文件夹。添加后，在该库中浏览到所要的元件封装，进入元件编辑器，修改封装；2.自己所创建的各个元件封装库。路径在自己的数据库

(8)根据设计的电路确定电路板的尺寸。在 K层，执行菜命令，绘制电路的边框。

(9)设置参数, 执行菜单Desing\Options，把电路板设置定义为单面板。设置布线规则：，Design\Rules左键单击Routing按钮，根据要求，在规则类(Rules Classos)中设置参数。选择Routing Layer，对布线工作层进行设置：左键单击Properties，在“布线工作层面设置”对话框“Pule Attributes”选项中设置Top Layer 为“Nt Used”设置Bottom Layer为“Any”。选择Width Constraint，左键单击Prperties，对整扳导线的宽度进行设置。若还需设置地线和电源的宽度，1.地线宽度设置：左键单击按钮，进入线宽规则设置界面，首先在Rule Scope区域的Filter king选择框中选择Net，然后Net在下拉框中选择GND（或），再在Rule Attributes区域将Minimum width 、Maximum width和Preferred三个输入框的线宽设置为2.5个mm。2.电源线宽的设置：左键单击Add按钮，进入线宽规则设置界面，首先在Rule Scope区域的Filter king 选择框中选择Net，然后在下拉框中选择VCC（或+），再在Rule Attributes区域将Minimum width 、Maximum width和Preferred三个输入框的线宽设置为2.5个mm;

(10)装入网络表执行菜单命令，然后在弹出的窗口中单击按钮，再在弹的窗口中选择电路原理图设计生成的网络表文件（矿展名为N）。如果没有错误，单击若出现错误提示，必须改正。若是返回原理图修改，改好后必须重新创建网络表再来加载。

(11)元件布局, 执行菜单命令Tools\Auto placement\Auto placer可以自动布局。布局关键性的一步，为了使布局更加合理，再进行手工调整，调整元件的位置和方向。

(12)行菜单命令Auto Routing\All，并在弹出的窗口中单击Route all按钮，程序即对印制电路板进行自动布线.