多功能数字电子钟的方案设计书(郑思贺)

数字电子钟的设计

一、概述

数字钟是一个将“时”“分”“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和报时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由以下几部分组成。如图1所示多功能数字钟的组成框图。

图1 数字钟的组成框图

二、秒脉冲发生器

1. 晶体振荡器

a：晶体振器构成

晶体振荡器电路给数字电子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。如图2所示晶体振荡电路框图。

图2 晶体振荡电路框图

b：晶体振荡器电路原理

在电路中，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XTAL1的频率选为32768Hz。其中C1的值取5~20 pF，C2为30pF。C1作为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。由于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。

2. 分频器电路

分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768()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，为此电路输送一秒脉冲。

3. 秒脉冲发生器原理

CD4060的10、11脚之间并接石英晶体和反馈电阻与其内部的反相器组成一个石英晶体振荡器。电路产生的32768Hz的信号经过内部十四级分频后由3脚（Q14其分频系数为16384）输出脉冲频率为2Hz，再通过一个二分频器分频就得到了1Hz的时钟信号，也就是1S；CD4027为双JK触发器，其内部含有两个独立的JK触发器，其中16脚6脚（2J）5脚（2K）接电源，4脚（R2）7脚（S2）接地，3脚（CP2）输入2Hz脉冲信号，分频后的1Hz脉冲由1脚（Q2）输出。如图3所示。

图3 秒脉冲发生

三、计数器

有了时间标准“秒”信号后，就可以根据60秒为1分、60分为1小时、24小时为1天的计数周期，分别组成两个六十进制(秒、分)、一个二十四进制(时)的计数器。将这些计数器适当连接，就可以构成秒、分、时的计数，实现计时功能。

1．74LS161构成秒、分的六十进制计数器

数字钟的“秒”、“分”信号产生电路都是由六十进制计数器构成，“时”信号产生电路为二十四进制计数器。它们都可以用两个“四位二进制异步清除”计数器来实现。利用74LS161芯片的预置数功能，（如图4）也可以构成不同进制的计数器。因为一片74LS161内含有一个四位二进制异步清除计数器，因此需用两片74LS161就可以构成六十进制计数器了。集成电路74LS161芯片的

电路其中（如图5）CP为时钟脉冲输入端，D0、D1、D2、D3为预置数输入端，为置数控制端，为异步复位端，二者均为低

电平有效；Q0、Q1、Q2、Q3为计数器的输出端。

图4 74LS161的功能表

图5 74LS161管脚排列图

a：计数功能：

当==CT P=CT T=1，CP=CP↑时，实现计数功能。

b：同步并行置数功能：

Q2Q1Q0=

当=1时，预置控制端=0，并且CP=CP↑时，Q

D3D2D1D0，实现同步预置数功能。

c：保持功能：

当==1且CT P·CT T=0时，输出Q3Q2Q1Q0保持不变。

d：异步清零功能：

Q2Q1Q0全为零，实现异步清零功

当复位端=0时，输出Q

能。（又称复位功能）

秒个位计数器

47LS161被接成十进制计数器，其置数输入端A、B、C、D（3脚4脚5脚6脚）接低电平，LD、EP、ET（9脚10脚7脚）接高电平，秒脉冲由CP（2脚）端输入。计数器的输出端QA、QB、QC、QD

（14脚13脚12脚11脚）接译码电路CD4511的输入端D、C、B、A。当秒脉冲输入时，电路状态按二进制自然序列依次递增1，QA、QB、QC、QD输出为0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001，当输出为1010也就是10时，QA、QC输出都为1，经过一个与非门后一路经反相后送入或非门的一个输入端，输出送往计数器的清零端RD使秒计数器清零，另一路经反相后作为进位脉冲送入秒十位计数器的脉冲输入端。

秒十位计数器

74LS161被接成六进制计数器，接法与秒个位计数器相同，秒个位计数器送来的进位脉冲送入秒使位计数器的脉冲输入端，使其按二进制自然序依次递增1，QA、QB、QC、QD端输出为0000、0001、0010、0011、0100、0101，当输出为0110也就是6时，QB、QC输出为1，QA、QD输出为0，QB、QC经过一个与非门后一路先送往秒十位计数器的清零端，然后取反接或非门的另一个输入端后送入秒个位计数器的清零端，将整个秒计数器清零，另一路经反相后作为进位脉冲送入分个位计数器的脉冲输入端。

分计数器的连接方法与秒计数器相同，分计数器向时计数器送进位脉冲。秒、分的六十进制计数器的构成如图6所示。

图6 74LS161构成秒、分的六十进制计数器框图

2．74LS161构成二十四进制计数器

二十四进制计数器，也是用两个74LS161集成块来实现的，方法与二十四进制计数器大同小异，但其要求个位是十进制，状态变化在0000～1001间循环，十位是二进制，状态变化在0000～0010间循环，显示为0~23时。

原理：

由分计数器送来的进位脉冲送入时个位计数器，电路在分进位脉冲的作用下按二进制自然序依次递增1，当计数到24，这时小时个位输出0100（也就是4），小时十位输出0010（也就是2），小时十位计数器只有QC端有输出，小时个位计数器只有QB端有输出，将QC、QB端接一个二输入与非门，与非门输出一路先送入十位计数器的清零端然后取反送入或非门的另一个输入端，输出接小时个位计数器的清零端，其每10小时清零并向小时十位计数器送进位脉冲，当十位输出为二，小时个位输出为四时，将整个电路清零，另一路取反后作为星期进位脉冲送入星期显示电路的脉冲输入端，完

成24小时的显示及向星期电路送星期进位脉冲的功能。二十四进制计数器的构成如图7所示。

图7 74LS161构成小时的二十四进制计数器

四、校时电路

当时钟指示不准时，就需要校准时间。校准的方法很多，常用的有“快速校时法”。由与非门构成的双稳态触发器，可以将1Hz的“计数器的进位信号”送至“计数器的CP端”。其工作过程为：当接通校时开关时，与非门输出一个低电平和一个高电平。“计数器

进位信号”通过“校时CP端”送至“计数器的CP端”，使“计数器”在“秒”信号的控制下“快速”计数，当校时电路打到A时，秒计数器经过与非门，发出一个分计数脉冲，进行一次计数。当校时电路打到B的分计时器CP是，开始进行校时，以达到准确的时间。当校时电路打到C时，开始进行准确的校时，将校时开关打到D，时计数器可以接收到，由分计数发出的脉冲信号。当校时开关打到E时，星期计数器能接收到，由时计数器发出的星期脉冲信号，此时对星期进行计数。

图9 单次脉冲产生校时电路图

五、译码驱动及显示电路

电路由译码器集成电路CD4511、共阴极LED数码管组成。计数器74LS161输出的为四位二进制数，经译码电路译码输出端控制LED管显示十进制数0~9。

译码显示电路选用BCD-7段锁存译码／驱动器CC4511。七段显示数码管的外部引线排列如图11所示。

图11 七段显示数码管的外部引线排列图

CD4511 是一个用于驱动共阴 LED 显示器的 BCD 码—七段码译码器，其引脚如图12所示。

图12 CD4511引脚图

其功能介绍如下：

BI：当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭状态，不显示数字。

LT：当BI=1，LT=0 时，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：使能控制端，当LE=0时，允许译码输出。

DCBA：为8421BCD码输入端。

abcdefg：为译码输出，输出为高电平。

CD4511的EI、LI端接高电平，LE端接低电平，输入端D、C、B、A接74LS161的输出端QA、QB、QC、QD。，其输出端a~f接数码管。当数字钟的计数器在CP脉冲韵作用下，按60秒为1分、60分为1小时，‘24小时为1天的计数规律计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号。这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来。我们选用的计数器全部是二-十进制集成片，“秒”、“分”、“时”的个位和十位的状态分别由集成片中的四个触发器的输出状态来反映的。每组(四个)．输出的计数状态都按 BCD代码以高低电平来表现。因此，需经译码电路将计数器输出的BCD代码变成能驱动七段数码显示器的工作信号。原理如图13所示。

图13 译码显示电路

六、元件明细表

序号名称规格数量

1 译码器CD4511 6个

2 七段显示器BS201 7个

3 触发器边沿D触发器4个

4 石英晶体32768 1个

5 集成块74LS161 6个

6 集成块CD4511 7个

7 电容22PF 1个

8 可变电容3-22PF 1个

9 触发器RS触发器2个

10 电阻1KΩ1个

11 电阻10KΩ2个

12 电阻22MΩ1个

13 或门74LS32 1个

14 与门74LS08 6个

15 非门74LS04 8个

16 与非门74LS00 8个

17 与非门74LS10 3个

18 与非门74LS20 1个

19 扬声器8W、2.5Ω1个

20 三极管8050 1个

21 开关AZD1169 3个

参考文献

1.孙建三.《数字电子技术》.北京：机械工业出版社.2000

2.杨爱琴.《数字电路与逻辑》.北京：科技出版社.1996

3.郝波.《数字电路》.北京：电子工业出版社.1992

4.彭军.《数字电路设计与制作》.北京：科学出版社.1984

5.卢尔健.《电路与电子技术》.武汉：科学技术出版社.1996

6.薛华日.《数字计数电路》.北京：人民邮电出版社.1990

7.杨冰.《数字电路设计与实践》.武汉：华东师范大学出版社.1991

8.林存良.《电子技术基础》.北京：人民教育出版社.1985

心得体会

我从感性上学到了很多东西，使我更深刻地了解到了实践的重要性。只具有理论知识是不行的，更要有动手能力。通过实习我们更加体会到“学以致用”这句话中蕴涵的深刻道理。

本次实习的目的主要是使我们对电工工具、电器元件及线路安装有一定的感性和理性认识；了解一些线路原理以及通过线路图安装、调试、维修的方法；对电工技术等方面的专业知识做初步的理解；培养和锻炼我们的实际动手能力，使我们的理论知识与实践充分地结合，做到不仅具有专业知识，而且还具有较强的实际操作能力，能分析问题和解决问题的高素质人才。以前我们学的都是一些理论知识,比较注重理论性，而较少注重我们的动手锻炼，而这一次的实习有不少的东西要我们去想，同时有更多的是要我们去做，好多东西看起来十分简单，但没有亲自去做，就不会懂得理论与实践是有很大区别的，很多简单的东西在实际操作中就是有许多要注意的地方，也与我们的想象不一样，这次的实训就是要我们跨过这道实际和理论之间的鸿沟。理论说的再好，如果不付诸于实际，那一切都是空谈。只有应用与实际中，我们才能了解到两者之间的巨大差异。开始的时候，老师对电路进行介绍，我还以为电工实习非常简单，直至自己动手时才发现，看时容易作时难，人不能轻视任何事。连每一根电线，都得对机器，对工作，对人负责。这也培养了我们的责任感。这次实习很累，在安装过程中我们都遇到了不少困难，理论与实践是有很大区别的，许多事情需要自己去想，只有付

出了，才会得到，有思考，就有收获，就意味着有提高，就增强了实践能力和思维能力。

通过实践，深化了一些课本上的知识，获得了许多实践经验，另外也认识到了自己部分知识的缺乏和浅显，激励自己以后更好的学习，并把握好方向。信息时代，仅会操作鼠标是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。而且，现在严峻的就业形势让我认识到，只有不断增加自身能力，具有十分丰富的知识才能不会在将来的竞争中被淘汰。总而言之，这次实习锻炼了自己，为自己人生的道路上增添了不少新鲜的活力！我会一如既往，将自己的全部心血倾注于工作上。我们的工作需需要有积极的工作热情和踏实的工作作风。我将以这次培训为契机，找准自己前进的标杆，在工作中向智慧型发展，在业务上朝科研型努力。

目录

第一部分：数字电子钟的概述..........................

1、设计数字钟电路..................................... 第二部分：秒脉冲计数器..............................

1、设计晶体振荡器、分频器电路、秒脉冲发生器........... 第三部分：计数器....................................

1、介绍“四位二进制异步清除”计数器74LS161.........

第四部分：校时电路.................................

1、设计校时电路.................................

第五部分：译码驱动显示电路.......................

1、设计CD4511译码器.................................

第六部分：元件明细表...............................

参考文献..............................................

心得..................................................

安徽科技学院《电工电子技术》课程设计

数字电子钟设计

院（系）名称：工学院

专业班级： 09机械电子工程1班

姓名：郑思贺

学号： 1611090141

指导教师：国海