数字电子时钟硬件电路设计

华东交通大学理工学院

所属课程名称硬件电路设计

题目数字电子时钟

分院电信分院

专业班级电气(6)班

学号20110210470

学生姓名

指导教师

2013年6月

摘要

在生活中的各种场合经常要用到电子钟，现代电子技术的飞跃发展，各类智能化产品相应而出，数字电路具有电路简单、可靠性高、成本低等优点，本设计就以数字电路为核心设计智能电子钟。

数字钟是采用数字电路实现对时,分,秒数字显示的计时装置,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不可少的必需品,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,运运超过老式钟表, 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。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。本设计电路由计时电路、动态显示电路、控制电路、显示电路等部分组成，在数码管上显示24小时计时的时刻，具有清零、保持、校时、报时的功能，并在此基础上增加了星期显示的功能。

数字钟计时的标准信号应该是频率相当稳定的1HZ秒脉冲，所以要设置标准时间源。数字钟计时周期是24小时，因此必须设置24小时计数器，应由模为60的秒计数器和分计数器及模为24的时计数器组成，秒、分、时由七段数码管显示。为使数字钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的。设计中采用开关控制校时直接用秒脉冲先后对“时”，“分”计数器进行校时操作。能进行整点报时，在从59分50秒开始，每隔2秒钟发出一次“嘟”的信号，连续五次，此信号结束即达到正点。

关键字振荡器分频器译码器计数器校时电路报时电路

目录

1 设计目的意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3

2 在线编程电路和实物图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 5

3 设计方案. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 3.1.设计、调试要点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2设计原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 4功能分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 5. 课程设计的收获、体会和建议. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

6.参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1 设计任务

设计制作一个数字电子钟。

1.1课程性质

数字逻辑课程设计

1.2 课程目的

数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。

因此，我们此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟，由数字钟的制作过程进一步了解各种中小规模集成电路的引脚的安排和各芯片的逻辑功能及使用方法，再通过使用Proteus仿真技术，实际运用能力，独立完整地设计具有一定功能的电子电路。

1.3 设计要求

1.3．1设计指标

(1)时间计数电路采用24进制，从00开始到23后再回到00；

(2)各用2位数码管显示时、分、秒；

(3)具有手动校时、校分功能，可以分别对时、分进行单独校正；

(4)计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器响1秒停1秒地响5次；

1.3.2设计相关提示

（1）为了保证计时的稳定及准确，须由晶体振荡器提供时间基准信号；

（2）数字钟由振荡器、计数器、译码器和显示器电路所组成；

（3）振荡器产生的时钟信号经过分频器形成1秒信号，秒信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。

1.4方案对比

方案一：

（1）采用晶体振荡器

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。

（2）用CD4060计数作分频器

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。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，其次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。

（3）采用74Ls90做计时器

方案二：

（1）采用555构成的多偕振荡电路

振荡器电路选用555构成的多偕振荡器，设振荡频率f=1000HZ，其中的电位器可以微调振荡器的输出频率。

（2）用74LS90作分频器

通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级10进制计数器来实现。分频器的功能有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需的信号。选用中规模集成电路74LS90可以完成以上功能。如图所示，将3片74LS90级联，每片为1/10分频，三片级联正好获得1HZ的标准秒脉冲。

（3）采用74LS90做计时器

比较：秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳度决定了数字钟的质量，而由于用555组成的频率发生器电路不稳定，而相对方案一而言，电路较为复杂，所以我们采用方案一：二十四进制电路和六十进制电路都是用两个74LS90组，七进制电路同样用一个74LS90，输入方波信号是用晶体振荡器提供，译码驱动器是用CD4511。分频器采用一片CD4060和一片74LS90组成，分频后输出1Hz的方波信号。如图1所示。

2 数字电子钟系统设计

2.1 数字钟的构成

数字电子钟由基准频率源、分频器、计数器、译码显示驱动器、数字显示器和校准电路等六部分组成。如图1所示。

图1 数字钟的组成框图

2.1.1 晶体振荡器电路

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，此外还有一校正电容可以对温度进行补偿，以提高频率准确度和稳定度，使稳定度优于10-4，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。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。

2.1.2 分频器电路

2）次分频后得到1Hz的方波分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768（15

信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。

2.1.3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、时个位和时十位计数器及星期计数器电路构成，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，时个位和时十位计数器为24进制计数器，星期计数器为7进制计数器。

2.1.4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。

2.1.5 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。

2.2 数字钟的工作原理

2.2.1晶体振荡器电路

由图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。

由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为1MΩ~10MΩ。

本设计中取10MΩ，由于实验室提供的器件有限的关系，该电阻可由两个22 MΩ的电阻并联而成。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。至于电路中的电容均采用可调电容，将其调至30pF。

图2 晶体振荡器电路

2.2.2 分频器电路

因为，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。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。这里用一个14级2进制计数器和一个1级2进制计数器。

本设计中采用CD4060来构成14级再通过一个74LS90来实现输出1HZ的信号。CD4060计数为14级2进制计数器，可以将32768Hz的信号分频为2Hz，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。由此可知用CD4060和外加元件可构成晶体振荡器,采用32768Hz晶体振荡器产生的32768Hz的信号经CD4060的14级分频从Q13送出2Hz的信号（如下图3所示），送给74LS90的计数器中，然后从QA端即可得到1Hz的信号。

图3 CD4060构成脉冲发生及分频电路

2.2.3时间计数器电路

时间计数单元有时计数、分计数、秒计数和星期计数等几个部分。时计数单元一般

为24进制计数器，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；星期计数单元为7进制计数器，其输出也为8421BCD 码形式。

（1）60进制计数：“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60进制，它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成，如图4所示，采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“秒”、“分”计数器。

图4 60进制计数器

IC 1是十进制计数器，Q D1作为十进制的进位信号，74LS90计数器是十进制异步计数器，用反馈归零方法实现十进制计数，IC 2和与非门组成六进制计数。74LS90是在CP 信号的下降沿翻转计数，Q A2和Q C2相与0101的下降沿，作为“分”（“时”）计数器的输入信号。Q B2和Q C20110高电平1分别送到计数器的清零R 0（1），R 0（2），74LS90内部的R 0（1）和R 0（2）与非后清零而使计数器归零，完成六进制数。由此可见IC 1和IC 2串联实现了六十进制计数。

（2）24进制计数器：小时计数电路是由IC 5和IC 6组成的24进制计数电路，如图5所示。

当“时”个位IC 5计数输入端CP 5来到第10个触发信号时，IC 5计数器复零，进位端Q D5向IC 6“时”十位计数器输出进位信号，当第24个“时”（来自“分”计数器输出的进位信号）脉冲到达时，IC 5计数器的状态为“0100”， IC 6计数器的状态为“0010”，此时“时”个位计数器的Q C5和“时”十位计数器的Q B6输出为“1”。把它们分别送到IC 5和IC 6计数器的清零端R 0（1）和R 0（2），通过7490内部的R 0（1）和R 0（2）与非后清零， 74LS90 R 0（1） R 0（2） IC 2 74LS90 IC 1 & 1

Q D1 Q A2 Q B2 Q C2 CP 2 CP 1 1秒

74LS00

74LS04 至

分

(时)

计

数

器

的

CP

端

计数器复零，完成24进制计数。

图5 24进制计数器

（3）7进制计数器：星期计数电路是由IC 7构成的7进制计数电路。

图6 7进制计数器

2.2.4译码显示电路

选择CD4511作为显示译码电路；选择LED 数码管作为显示单元电路。由CD4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。计数器实现了对时间的累计并以8421BCD 码的形式输送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD 码转变为十进制数码送到数码管中显示出来。如图7所示。

74LS90

R 0(1) R 0(2) IC 6 74LS90 R 0(1) R 0(2) IC 5

Q D5

Q B6 CP 1 CP 5 时

(来自分输出

的进位信号)

Q C5

图7 二十四进制计数电路和六十进制计数电路

3 设计方案

3.1设计、调试要点

组装电子钟，注意，器件管脚的连接一定要准确，“悬空端”、“清0端”、“置1端”要正确处理，调试步骤和方法如下：

（1）可以先将系统划分为振荡器、计数器、分频器、译码显示等部分，对它们分别进行设计与调试，最后联机统调。

（2）各部件设计安装完毕后，用示波器或频率计观察石英晶体振荡器的输出频率，晶振输出频率应为4MHz。

（3）将频率为4MHz的脉冲信号送入分频器，用示波器或频率计观察分频器的输出频率是否达到设计要求。

（4）将频率为1Hz的标准秒脉冲信号分别送入“时“分”、“秒”计数器，检查各级计数器的工作状况。

（5）将合适的BCD码分别送入各级译码显示器的输入端，检查数码显示是否正确。各部件调试正常后，进行组装联调，检查校准电路是否可以实现快速校时，最后对系统进行微调。

（6）当分频器和计数器调试正常后，观察电子钟是否正常地工作。

3.2 设计原理

4功能分析

电子钟功能

1.走时：默认为走时状态，按24小时制分别显示“时时：分分：秒秒”，有四个秒点动态显示，时间会按实际时间以秒为最少单位变化。

2.误差修正状态：大家知道，即便是世界上最优良正统的石英晶振，频率也会有偏差，需要电容微调校正频率，不同的电容和负载会影响到频率偏移。这种情况可能会使日误差达到几十秒。当然，配备优质正品元件会使走时误差小到几秒，如果设计微调电容的话，就可以使每天的走时误差小到1秒以内。

但是，对于业余制作来说，没有更标准的测量设备来证明你的调试是刚刚好，不能测周期，不能测频率（普通的测量会改变电路工作参数带来更大的测量误差）。而我们一般都会按电视台的时间来做对比，经过了24小时，我的电子钟究竟是快了？？还是慢了？？

现在不用怕了，本电子钟设计了误差校正程序：如果你的电子钟走一天会快1.6秒（或者慢0.8秒），那么，通过本电子钟的误差校正设置，可以在一天中不知不觉的减慢1.6秒（或者加快0.8秒）。因此，本电子钟理论上可以做到日误差小于0.2秒，当然，具体的过程和效果还需要大家去操作和证明。误差校正方法：在闹时调整状态下，再长按K1（或K2、K3）两秒钟以上，时位、分位会变成“一一一一”或者“三三三三”，表示变慢或者变快的意思，按K1选择；秒位会变成00，按K2、K3会在00-80中变化，数字越大，表示校正越大，00等于即不校正变快也不校正变慢，例如2+0=2-0这样的情况。20秒以上长时间没有任何按键操作时，自动按变为正常走时状态。

其它功能：

1、如果是在走时状态，正逢到在闹铃响（会长响20秒）中，按K1、K

2、K3任意键停止发声。

2、在走时状态，按K3可以让电子钟每秒都发出短短的“嘀”声，这有点类似机械指针式的电子钟（或者机械手表）的声音，当然，声音要大得多。这个功能很有用，例如，我们有些特殊情况时不能去看着钟，但是可以闭上眼睛听声音在心中默默数数经过了多少秒再去操作某某。再按可以关掉秒发声。

3、整点报时功能：按K2可以开启和关闭整点报时功能。开启后每逢整点就会听到长响两秒“嘀”声。

4、闹时开关功能：按K1可以开启和关闭定时闹铃功能。关闭闹铃后，以前设置的数据不会丢失。

由于电路设计得极其简单，因此丰富的功能只能由软件完成，这里软件设计成为了关键。下面介绍软件设计中采用的一些要点。

本电子钟程序设计时只使用了一个定时数T0,其它的中断全部关断,定时器工作在两个8位自动加载初始值状态。这是保证走时精确稳定的重要方法。站长看到很多书本教材上都让大家用定时器中断来执行动态显示程序和按键扫描程序，这是一种很不好的方法，除了浪费硬件资源以外，还会增加程序复杂性，还会影响其它程序运行。

站长认为，越是中断程序，就要越写得简短，最好几条指令就立即结束，对于动态扫描显示、按键功能等等可以写在主程序中让程序不停的反复运行，如果中断多，最大的坏处就是影响到主程序运行时间不够，扫描显示会出现闪烁，或者按键反应变慢（一般觉察不出），可是，这又有另一好处，你可以随时改良程序并且立即看到结果。

LED动态扫描显示是分时点亮各个LED，利用人的视觉暂留特性，让人觉得是连续点亮。当点亮的频率高时，说明单片机有充足的时间运行主程序，

5课程设计的收获、体会和建议

5.1.设计实验出现的问题及解决

（1）在检测CD4511驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。其次是由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好，其解决方法为把CD4511的芯片拔出，根据面包板孔的的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入面包板中，此后发现能正常显示。

（2）在连接晶振的过程中，晶振无法起振。在排除线与芯片的接触不良问题后重新对照电路图，发现是由于12脚未接地所至。

（3）在连接六进制的过程中，发现电路只能4、5的跳动，后经发现是由于接到与非门的引脚接错一根所至，经纠正后能正常显示。

（4）在连接校正电路的过程中，出现时和分都能正常校正时，但秒却受到影响，特别时一较分钟的时候秒乱跳，而不校时的时候，秒从40跳到59，然后又跳回40，分和秒之间无进位，电路在时、分、秒进位过程中能正常显示，故可排除芯片和连线的接触不

良的问题。经检查，校正电路的连线没有错误，后用万用表的直流电压档带电检测秒十位的QA、QB、QC和QD脚，发现QA脚时有电压时而无电压，再检测秒到分和分到时的进位端，发现是由于秒到分的进位未拔掉所至。

（5）在制作报时电路的过程中，发现蜂鸣器在57分59秒的时候就开始报时，后经检测电路发现是由于把74HC30芯片当16引脚的芯片来接，以至接线都错位，重新接线后能正常报时。

（6）连接分频电路时，把时个位的QD和时十位的1脚断开，然后时十位的1脚接到晶振的3脚，时十位的3脚接到秒个位的1脚，所连接的电路图无法正常工作，时十位从0-9的跳，时个位只能显示一个0，在这个电路中3脚的分频用到两次，故无法正常显示，因此要把12进制接到74HC390的一个逻辑电路空出来用于分频即可，因此把时十位的CD4511的12、6脚接地，7脚改为接74HC390的5脚，74HC390的3、4脚断开，然后4脚接9脚即可，其中空出的74HC390的3脚就可用于2Hz的分频，分频后变为1Hz，整个电路也到此为正常的数字钟计数。

5.2.设计体会

大二我们学习了数字电子电路和模拟电子电路，对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次对数字钟的设计与制作，让我们了解了电路的设计程序，也对数字钟的原理与设计理念有了一定的了解。我们知道了如何设计出1HZ的信号，也对时分秒的设计有了一定的了解，并且知道在实际电路一般步骤为由数字钟系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路。级联时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引起逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。

同时，在此次的数字钟设计过程中，我们更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法，也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是我们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。虽然我们现在作的不

可能到市场上去销售，但我们要为以后作设计培养出好的习惯。

此外，我们也深刻地体会到设计一个电路前先进行仿真的重要性，更深有体会，最后的成品不一定与仿真时完全一样，所以，在设计时应考虑两者的差异。例如仿真的连接示意图中，往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚，因此在实际的电路连接中往往容易遗漏。又例如74LS90芯片，其本身就是一个十进制计数器，在仿真电路中必须连接反馈线才能正常显示，而在实际电路中无需再连接，因此仿真图和电路连接图还是有一定区别的。

总的来说，我们在这次课程设计中加强了理论知识的学习和提高了动手能力和思考能力以及分析问题，解决问题的能力。

5.3对该设计的建议

由于在实际接线中有着各种各样的条件制约着，在仿真中成功的电路接法，实际中因为芯片本身的特性而不一定能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。

在设计过程中经常会遇到问题，所以应该要加强理论知识的学习，当遇到问题时才懂得“对症下药”，并且要加强动手能力的训练和实际的操作能力。

而就这次课程设计的安排时间而言，由于是在期末，与期末复习与考试时间存在冲突，这在一定程度上影响了同学们的设计。或许就这方面可以有更合理的安排改善，从而提高同学们的课程设计效率和质量。

还有由于是分组的关系，这换一个说法就是说一个小组中会有好几个成员，有时这极容易导致个别同学浑水摸鱼的情况，如若条件许可的话，建议课程设计的过程老师能够就每个同学的参与情况进行观察，分开打分，可能这样有助于提高某些总存在侥幸心理的同学的积极性。

6.参考文献及资料

1．康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.高等教育出版社，2006年2．康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.高等教育出版社，2006年3．李振声.实验电子技术.国防工业出版社，2001年