哈工大 数电自主设计实验 数字时钟

实验报告

课程名称：数字电子技术基础

实验题目：设计性实验----数字时钟院系：航天学院

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哈尔滨工业大学

摘要

数字时钟最主要的功能是计时，显示具体的时间，即显示当前的时和分，它还包含一些附加的功能，时间不准时的较正、复位数字时钟等功能。数字时钟主要是时、分的显示，众所周知，一天有二十四小时，一小时有六十分钟，一分钟有六十秒，因此数字时钟的核心部件就是计数器，主要的是二十四进制和六十进制的计数器。计数器有很多种类，74LS192是一种同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并且具有清零和置数等功能，通过它可以设计出不同进制的计时器，可以用来像数字时钟一样显示时、分，通过引脚的不同的功能，可以设计出不同的附加功能，时钟校对、复位以及一些更加复杂的功能。在实验中，用555芯片连接输出为60秒的多谐振荡器用于时钟的分脉冲，用74LS192（十进制计数器）、74LS00（与非门芯片）连接成60和24进制的计数器，再通过数码管显示出来，从而构成了数字时钟。

关键字：数字时钟，数码管，计数，74LS192，555

目录

一.实验目的 (3)

二.总体设计方案或技术路线 (3)

三.实验电路图 (6)

四. 仪器设备名称、型号 (6)

五.理论分析或仿真分析结果 (8)

六.详细实验步骤及实验结果数据记录 (9)

七.实验结论 (9)

八.实验中出现的问题及解决对策 (9)

九.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议 (9)

十．参考文献 (10)

数字时钟

一.实验目的

1、掌握不同进制计数器的设计方法，学会运用集成芯片来达到不同进制计数器的设计；

2、通过附加功能的设置来掌握计数器处于非计时状态的工作情况。

二.总体设计方案或技术路线

1、时钟信号的来源：

为了使时钟显示的时间与生活中的时间周期频率一致，利用了555芯片组成了一个多谐振荡器，可以产生一个周期为60秒的脉冲信号输入给分的个位192芯片的时钟端子。

用555定时器构成的多谐振荡器如下图所示。1R 、2R 和C 是外接定时元件，555定时器的低触发端TL （2脚）和高触发端TH （6脚）连接起来接c u ，放电管的集电极（7脚）接1R 和2R 的连接点，1R 的另一端接电源。

与用555定时器构成的单稳态触发器相比较，由555定时器构成的多谐振荡器是利用电容器的充放电来代替外加触发信号，所以电容电压c u 应该在两个阈值之间按指数规律变化。充电回路是1R 、2R 和C ，放电回路是2R 和C 。

令初始时刻c u =0V ，o u 为高电平，G3门输出低电平，放电管VT 截止，电源

CC V 通过1R 、2R 对电容C 充电，电容电压c u 按指数规律增加。当c u ＞

2

3

CC V 时，o u 变为低电平，G3们输出高电平，放电管VT 饱和导通，c u 通过2R 和放电管

VT 放电，c u 按指数规律降低。当c u ＜1

3

CC V 时，o u 变为高电平，G3门输出低电

平，放电管VT 截止，电源CC V 通过1R 、2R 对电容C 充电，c u 按指数规律增加。

当c u ＞

2

3CC

V 时，输出o u 又变为低电平。如此周而复始地电容充电和放电，就产生了振荡，其输入、输出电压波形如下图。

多谐振荡器的振荡周期为：

12

1CC CC 12CC 1CC CC 1211212

V V (R )3312

0=V =V =V (R )33

=0.7(R )c c c c T T T T u R C u u T u R C T R C

ττ=+=+∞=++为电容电压由充电到所需时间，充电时间常数为。

因此将（）、（）、（）

和带入电路的三要素方程，解得： 2CC CC 2CC 2CC 22212121112

1212

212

V V R 0=V 333

1

=V =0R =0.7R 3

=0.7(2R )D=

100%100%2c c c c T u C u u T u C T C T T T R C T T R R T T T R R ττ=∞==+++=?=?++为电容电压由放电到所需时间，放电时间常数为。因此将（）

、（）、（）

和带入电路的三要素方程，解得：多谐振荡器的振荡周期和占空比分别为

振荡周期为：()120.72T R R C =+?

2、时分功能的实现：

本次设计性实验利用数字电子技术基础设计一个数字时钟。分为60进制计数器，个位为十进制，十位为六进制，显示为00----59，分的功能的实现，即用两片74LS192组成60进制递增计数器。时为24进制计数器，显示为00----23，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进制计到2、个位计到4时清零，从而实现了24进制。时的功能实现，即用两片74LS192组成24进制递增计数器。最后的结果通过数码管显示出来。

3、复位功能的实现：

利用74LS192的置数端子，首先将四个芯片所有的输入端（A 、B 、C 、D ）都接地，然后将四片芯片的置数端连接在一起，统一接到一个逻辑开关上，逻辑开关分别接一个零电位和一个Vcc 高电平，当逻辑开关拨到零电位时可以实现清零复位的功能是输出为0000，时钟重新开始计时；当逻辑开关拨到高电平时可以实现数字时钟的计时功能。

4、时钟校对功能的实现：

当时间与标准时间有出入时，可以通过调时电路（555芯片的电位器）来调整时间，将数字时钟置为标准时间；

此图为555芯片的电阻及电容，由

()120.72T R R C =+?可知，可以调节电位器3R 来改变振荡周期，进而可以实现对时钟的校对。

三.实验电路图

四. 仪器设备名称、型号

双路直流稳压电流源（DF1731SB3AB）数字万用表（Aglient U1241B）

EEL-69 模拟数字电子技术试验箱及子板（四片），74LS00（一个），555（一个）数码管（四个），拨动开关（一个）

电阻，电容，导线等

1、74LS192芯片

2、74LS00芯片

与非门

逻辑函数式为：Y

真值表：

3、555芯片

五.理论分析或仿真分析结果

在Multisim 里，按上述原理电路图连接，在555构成的多谐振荡器中，由公式()120.72T R R C =+? ，因为T=60s ，所以可以令100C F μ=，1457R k =Ω，

2200R k =Ω，经计算可得实际的周期为59.99s ，稍有误差，打开仿真开关，首先讲逻辑开关拨到低电平进行清零，然后再拨到高电平端，可以看到时间正在一分一分的计时。调整时间，使时间与北京时间同步，一直让时钟工作，半小时后，发现数码管显示的时间与北京时间仍然同步，说明数字时钟计时准确；若不同步，则可调整电位器来进行校对。

上述仿真过程中，所有的功能都达到了预期效果，说明实验设计成功。六.详细实验步骤及实验结果数据记录

将+5V直流稳压电源与实验箱正确连接。按电路图接好实验电路，其中将芯片与电阻电容正确地安装到实验箱上，电阻和电容的数值按照上述理论分析的结果进行选取。

用万用表来调节滑动变阻器使R3的上半部分为257kΩ。

振荡电路的调整：开启+5V直流稳压电源，观察实验箱上的数码管显示的结果，并记录。

七.实验结论

数码管可以从00:00显示到23:59，从而实现了数字时钟的功能。

八.实验中出现的问题及解决对策

在接通电源后发现数码管始终显示的结果是00：00，并未实现计数的功能，于是查找问题所在，首先让实验箱上所带的频率为1赫兹的脉冲信号输入给74LS192芯片的时钟端，发现电路连接正确，数码管能够实现计数的功能，于是总结问题所在，是555芯片的问题，首先是检查电路连接是否正确，经检查后电路连接争取，所以怀疑是所接电阻太大，使其不能正常工作，于是减小了47两端所接的电阻阻值，先使其为200kΩ，然后使其输出的振荡波输送给192，发现数码管可以正常计数了，并且根据它计数的周期和实际的时间相对照来调节电位器使其周期接近真正的60s，经过一系列的调节电位器，终于使数码管“分”的计数周期为60s，此时，断开电源，断开电位器，用数字万用表电位器接入电路实际的电阻值，发现，47两端接入总的电阻值仅有208kΩ，与实际计算的结果相差很多。

九.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议

实验过程中最大的感触是要有细心，要有耐心，设计电路来实现数字时钟的一些功能很简单，但是要让数字时钟能够完美，就应该从细节处把握。在

Multisim中设计电路过程中并不是一次就设计成功的，期间遇到了很多问题，比如数码管不显示，还有怎样实现进位，怎样来实现60进制和24进制，这些都需要思考，使用192还要注意此芯片是异步清零，同步置数的特点。然后就是在仿真的时候555其实是不太好用的，如果接了过大的电阻和电容，数码管就不会显示结果了。所以只能设置小的电阻和电容，虽然能实现数字时钟的功能，可是毕竟不太完美。此外还有，在开始计数的时钟最高位总是显示9，所以想了一想，应该加一个清零的功能，在开始计数的时候可以让其从00:00开始计时，避免了很多烦恼。如果想让时钟计数的周期与实际的时间是一致的就需要不断的进行调试电位器，需要很多耐心。很多细节的东西，我们不常关注，而往往就是那些地方，最耗费我们的时间。

十．参考文献

[1]杨春玲王淑娟主编.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社.2011.6

[2]廉玉欣主编.电子技术基础实验教程.北京：机械工业出版社.2010.2