数字电子钟 课程设计

大连海洋大学

数字电子技术课程设计

题目：数字电子钟

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大连海洋大学课程设计报告纸

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目录

一摘要 (2)

二课程设计任务及要求 (2)

三秒脉冲信号发生器 (5)

四设计原理及其框图 (5)

五设计总结 (9)

六参考文献 (10)

数字电子钟课程设计

摘要

数字电子钟是一种用数字显示秒﹑分﹑时的记时装置，与传统的机械钟相比，他具有走时准确﹑显示直观﹑无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用：小到人们的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。本课程设计要用通过简单的逻辑芯片实现数字电子钟。要点在于用555芯片连接输出为一秒的多谐振荡器用于时钟的秒脉冲,用74LS160(10进制计数器)74LS00(与非门芯片)等连接成60和24进制的计数器,再通过七段数码管显示，构成了简单数字电子钟。

一课程设计任务及要求

一、设计目的

1、熟悉巩固所学的理论知识与实践技能。

2、培养学生查阅技术资料的能力，培养学生综合运用所学理论知识和实践知识独立完成课题的工作能力。

二、设计任务

1、设计一个有“时”，“分”，“秒”（23小时59分59秒）显示且有校

时功能的电子钟；

2、用中小规模集成电路组成电子钟。

三、设计要求

1．用555定时器设计一个秒钟脉冲发生器，输入1HZ的时钟；（对已有1kHz 频率时钟脉冲进行分频）；

2．能显示时、分、秒，24小时制；

3. 设计晶体震荡电路来输入时钟脉冲；

4.用同步十进制集成计数器74LS160设计一个分秒钟计数器,即六十进制计数器；

5.用同步十进制集成计数器74LS160设计一个24小时计数器,

6. 译码显示电路显示时间。

四、参考资料

1.杨志忠卫桦林数字电子技术基础高等教育出版社.

2.缪新颖曹立杰丛吉远数字电子技术实验指导书大连海洋大学自编教材.

二电路设计原理工作原理

数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。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555构成的振荡器加分频器来实现。将标准秒脉冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用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，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进制计数器，可以实现一天24h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。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对调整。其数字电子钟系统框图如下:

数字电子钟系统框图

三秒脉冲信号发生器

秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。

●振荡器: 通常用555定时器与RC构成的多谐振荡器，经过调整输出1000Hz 脉冲。

●分频器: 分频器功能主要有两个，一是产生标准秒脉冲信号，一是提供功能扩展电路所需要的信号。

四、设计原理及其框图

数字钟是一个简单的时序组合逻辑电路，数字钟的电路系统主要包括主体电路系统和扩展电路两大部分所组成，其中，主体电路完成数字钟的基本功能，包括振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几个部分组成，这些都是数字电路中常用的电路。它主要是用来完成时分秒的计数功能。一般来说，一个数字钟要有振荡器来产生脉冲，分频器来完成标准秒脉冲的生成，计数器的计数功能，译码器的译码和显示器的显示功能。

⑴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32768Ｈz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。

⑵频器电路

分频器电路将32768Ｈz的高频方波信号经32768（15）次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。⑶时间计数器电路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12进制计数器。⑷译码驱动电路

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，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。⑸数码管

数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管。

2．数字钟的工作原理１）晶体振荡器电路

晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。图3-2所示电路通过ＣＭＯＳ非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，ＣＭＯＳ非门Ｕ１与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，Ｕ２实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻Ｒ１为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容Ｃ１、Ｃ２与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个１８０度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。

晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。

从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。

由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性，非门电路可选74HC00。

２）分频器电路

通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到１Ｈz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。

通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级２进制计数器来实现。例如，将３２７６８Ｈz的振荡信号分频为１ＨZ的分频倍数为３２７６８（２１５），即实现该分频功能的计数器相当于１５极２进制计数器。常用的２进制计数器有７４ＨＣ３９３等。

本实验中采用CD4060来构成分频电路。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。ＣＤ４０６０计数为１４级２进制计数器，可以将３２７６８ＨZ的信号分频为２ＨZ，其内部框图如图3-3所示，从图中可以看出，ＣＤ４０６０的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。

时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。

时计数单元一般为１２进制计数器计数器，其输出为两位８４２１ＢＣＤ码形式；分计数和秒计数单元为６０进制计数器，其输出也为８４２１ＢＣＤ码。一般采用10进制计数器74HC390来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量，可选７４ＨＣ３９０，其内部逻辑框图如图２.３所示。该器件为双２—５－１０异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。

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秒个位计数单元为１０进制计数器，无需进制转换，只需将ＱＡ与ＣＰＢ（下降沿有效）相连即可。ＣＰＡ（下降没效）与１ＨZ秒输入信号相连，Ｑ３可作为向上的进位信号与十位计数单元的ＣＰＡ相连。

秒十位计数单元为６进制计数器，需要进制转换。将１０进制计数器转换为６进制计数器的电路连接方法如图3-5所示，其中Ｑ２可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的ＣＰＡ相连。

图3-5 10进制——6进制计数器转换电路

分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的Ｑ３作为向上的进位信号应与分十位计数单元的ＣＰＡ相连，分十位计数单元的Ｑ２作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣＰＡ相连。

4）译码驱动及显示单元

计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。

5）校时电源电路

当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。

2.秒脉冲发生器

秒脉冲发生器是电子电路最基本的单元之一，产生固定的频率为1的秒脉冲信号。在整个电路中可以用元件库中的时钟源，也可以用555定时器改进的秒脉冲发生器。如下图所示是用555定时器改进的秒脉冲发生器。

用两个74160芯片、两个译码与数码显示器连接成六十进制，通过[M]开关进行对分钟的校对，当在59秒时在来一个秒脉冲分钟向前进一，秒清零重新计时。

3. 60进制秒计数器

用两个74160芯片、两个译码与数码显示器连接成六十进制的秒计数器，时钟源提供秒脉冲

4. 60进制分计数器

用两个74160芯片、两个译码与数码显示器连接为六十进制的分钟计数器，通过[M]开关进行对分钟的校对，当在59秒时在来一个秒脉冲分钟向前进一，秒清零重新计时。

五、设计总结

转眼间，为期一周的数字电路课程设计就结束了。通过这一周的课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。设计，给人以创作的冲动。但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。课程设计的过程中，由于对理论

掌握的不熟练，或者是操作过程中发生失误，都会导致最后结果出不来。至善至美，是人类永恒的追求。但是，不从忘却“金无足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。对我们通信工程专业的本科生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，

12 并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。通过课程设计，我更加明白了一个真理，“实践是检验真理的唯一标准”。课程设计达到了专业学习的预期目的。课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对设计过程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。

六、参考资料

1.杨志忠卫桦林数字电子技术基础高等教育出版社.

2.缪新颖曹立杰丛吉远数字电子技术实验指导书大连海洋大学自编教材.