简易数字钟的设计

电子技术课程设计专业：电气工程及其自动化学号：姓名：指导老师：简易数字钟的设计【摘要】本次在对简易数字钟进行设计中，提出了两种整体设计方案，设计过程中对两种方案不断进行尝试，不断比较，在比较两个方案的优缺点后，选择了其中较优的一个方案，进行由上而下层次化的设计，先定义和规定各个模块的结构，再对模块内部进行详细设计。

在之后详细设计的时候又根据可采用的芯片，分析各芯片是否适合本次设计，选择较合适的芯片进行设计，最后将设计好的模块组合并调试。

【关键词】电路，数字钟，74LS160，子电路一、引言随着社会的进步，科技发展的速度越来越快，科技产品更新的频率加大，而且当今很多领域大都用到数字钟，我们身边也遍布与数字钟有关的生活用品。

所谓数字钟，是指利用电子电路构成的计时器。

相对机械钟而言，数字钟能达到准确计时，并显示小时、分、秒，同时能对该钟进行调整。

在此基础上，还能够实现整点报时，定时报闹等功能。

在做本简易数字钟设计之前，通过老师及查阅资料，我知道有对此多种设计方案数字电路是我们计算机科学与技术学科的基础,数字电路实验是学习数字电路的一个重要环节,它不仅能巩固理论知识的学习,而其能提高实验动手能力,增强设计和调试电路的能力.设计过程采用系统设计的方法，先分析任务，得到系统要求，然后进行总体设计，划分子系统，然后进行详细设计，决定各个功能子系统中的内部电路，最后进行测试。

二、设计要求能按时钟功能进行小时、分钟、秒计时，并显示时间及调整时间，能整点报时，定点报时，使用4个数码管，能切换显示。

小时的计时要求为“12翻1”，分和秒的计时要求为60进位。

分和秒计数器都是模M=60的计数器，其计数规律为00—01—…—58—59—00…时计数器是一个“12翻1”的特殊进制计数器，即当数字钟运行到12时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为01时00分00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间。

此外，对校时电路的要求是：1是在小时校正时不影响分和秒的正常计数；2是在分校正时不影响秒和小时的正常计数。

三、方案分析在前面已提到，在本次设计时，将采用多种设计方案并进行比较，本阶段的任务是根据任务要求进行模块划分，提出两种方案，并对进行了认真的比较分析，找出两种方案的优缺点，最终确定一个的方案。

方案一、采用异步电路，数据选择器数据选择就是指经过选择，把多个通道的数据传送道唯一的公共数据通道上去，实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。

在此电路中，将时钟信号输给秒模块，秒模块的进位输给分模块，分模块进位输入给时模块，切换的时候使用2选1数据选择器进行切换，电路框图如下：该方案的优点是模块内部简单，基本不需要额外的电路，但缺点也很明显，该方案结构不清晰，模块间关系混乱，模块外还需使用较多门电路，不利于功能扩充，且使用了异步电路，计数在59的时候，高一级马上进位，方案二、采用同步电路，总线结构此方案中，时钟信号分别加到各个模块，各个模块功能相对独立，框图如下：该方案用总线结构，主要功能集中在模块内部，模块功能较为独立，模块间连线简单，易于扩展，而且结构清晰明了。

综上所述，本次设计采用方案二。

此外，根据数字钟功能原理，秒计数和分计数为60进制，时计数为24进制，为了简化设计，秒和分计数采用同一单元。

控制模块有两部分，一为实现调整切换，二为实现显示切换。

现对本方案中的各个主要功能模块的接口定义如下：1、60进制模块（电路图中模块名称为60count，下同。

）实现同步60进制计数，可调整如下：2、24进制模块（24count）实现同步24进制计数，可调整如下：3、闹钟模块（60clock，24clock）实现可与时钟比较，并输出闹铃信号，可调整4、控制模块（fun，func）管理总线资源，对各个模块输出控制信号如下：至此，本阶段就结束了。

通过上面各个模块的主要功能设计以及接口定义中，我们不难发现，各个模块的独立性是很强的，这样的结构使得以后的扩展很容易。

此外，当数字钟出现问题时，我们可以针对性的对其进行修理，而且并不影响其他道模块。

四、设计思路在上一阶段进行总体设计完成后，现在就可以分开独立的完成各个功能模块了。

本阶段主要问题在于计数器的设计，计数部分需要24进制和60进制计数器，控制部分需要循环计数器。

由于标准集成计数器没有所需进制，需要编程实现。

首先，根据设计电路需要，选择合适的集成芯片。

在对芯片进行选取时应注重以下两个方面，一是必须满足功能要求，二是尽量能使电路简单。

总体思路就是在满足所需功能前提下，能使电路尽可能简单。

因此，在选取设计方案时，可有以下方案：1、采用74160该芯片管脚及功能表如图所示：74160为异步复位，同步置数，ENP，ENT同时为一时才可以计时，其中之一为高电平时，则保持。

RCO产生进位信号。

74160相对于其他芯片来说，功能较少，使用简单，但是也因功能简单导致在实现数字钟的某些特定功能时需要加入比较多的附加电路。

如74160没有减计数的功能，须寻求其他方法来解决，设计较复杂。

，由于不准备设计减计数，在功能能满足要求的前提下，该芯片使用简单，适合此次设计。

功能表如下：2、采用74190Ｎ高电平时保持。

741芯片管脚图及真值表如图所示：可知，74190上升沿触发，由U/D‘控制加减计数，有异步置数段ＬＯＡＤ，没有复位端，ＲＣＯ输出低电平的进位或借位信号，ＭＡＸ／ＭＩＮ在为９或０时输出高电平，ＣＴＥ90的功能相当强，但也因此使用复杂，不利于电路的简化，且该芯片没有复位端，不利于某些功能的实现。

由于本次设计不使用加减计数，该芯片有较多多余功能，不采用。

74190真值表如下：5、采用74192管脚图和真值表如图所示：可知，74192上升沿触发，由ＵＰ，ＤＯＷＮ两管脚控制加减计数，有异步置数端ＬＯＡＲ和异步复位端ＣＬＲ，ＢＯ’和ＣＯ’分别输出高电平表示加进位和减进位。

74192功能可以完成本次设计目标，但如果不设计减计数的话则有许多多余管脚，使用复杂，基于简单原则，本设计不采用。

74192真值表如下图：综上所述，本次设计采用74160作为主要芯片。

此外，本次设计还要使用循环计数器，采用74160与74138构成。

74138的管脚图（右图）和真值表如图：输出信号中只有一条为低电平，其余为高电平，与74160组合使用后，可产生满足要求的控制信号。

真值表如下图：至此，可以根据总体设计中对子模块的定义，对各个模块进行单独设计了。

设计过程中可对单个模块进行调试，调试通过后，打包成模块（子电路），方便以后使用。

五、组装电路并调试在经过前面几个阶段的设计后，数字钟的各个模块已经设计完毕，根据总体设计时的方案框图，将各个子电路组合起来，加入1Hz的时钟信号，对电路进行总体测试。

经测试，电路可以正常计时，并显示，调整无误。

将时间调整到23：59，闹钟调到00：01分，进行测试，时钟进位正常，有整点报时，报时为3短1长，闹铃正常，响铃持续1分钟，中间可按调整键关闭闹铃。

最后，经过联调并纠正设计方案中的错误和不足之处后，再测试电路的逻辑功能是否满足设计要求。

之后画出满足设计要求的总体逻辑电路图：数字钟电路系统的组成框图见附录一：使用说明见附录二：数字钟电路整体框图见附录三：六、缺陷及改进1、在本设计的电路中，对该电路只能进行加调整，要进行减调整几乎不可能在现有电路基础上改进，只能重新设计，这是一开始就没考虑到的。

2、本数字钟，分钟和秒都是60进制，使用的是同一功能模块，这样虽说简化了设计，但对秒计时来说，该模块有较多不需要的功能。

因此在实际生产的时候，应该分开设计。

此外，为了方便使用，可以将控制模块输出的控制信号接到LED指示灯上，指明当前所在的状态。

七、个人总结在两个星期的设计与思考中，当我碰到不懂或者不会的地方，我通过上网查阅资料，或者直接向同学咨询，这样日复一日，最终完成了数字钟的模拟。

其间遇到了许多问题，但最后都一一得到解决。

现将在实习心得体会总结如下：1、在设计电路时，我们应首先考虑周到，理清设计大致思路，应该在初期就多思考几个方案，进行比较论证，最后选择最合适的方案动手设计。

在整个设计过程中总体设计非常重要，应该花较多的时间在上面。

最后确定设计方案。

2、在设计时，应经常联系课本及相关书籍，并多使用已学的方法，如列真值表，化简逻辑表达式，要整体考虑，不可抱着“看一步，做一步”的态度。

在整体设计都正确基础上，再尽量寻求简化的方法。

当然在设计某些模块的时候无法把握住整体，这时可以先进行小部分功能的实现，并在此基础上进行改进。

3、不管设计什么电路，都应尽可能是电路连线有序，模块之间关系清楚，这样既利于自己修改，也利于与别人交流，做到设计的电路清晰易懂。

4、在实验室做实验以及教室外进行实习时，应注重团队精神，相信“团结就是力量”，因为很多难点的突破都来自于与同学的交流，交流能使自己获得更多信息，开拓了思路，因此要重视与别人的交流。

5、此次的数字钟的设计重在于仿真和接线，虽然能把电路图接出来，并能正常显示，但对于电路本身的原理并不是十分熟悉。

总的来说，通过这次的设计实验更进一步地增强了实验的动手能力。

同时，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。

6、在设计电路中，往往是先仿真后连接实物图，但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的，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。

因为，要知道仿真图和电路连接图是有一定区别的，所以在进行设计时要灵活。

7、不过做什么设计，都应该有较好的理论基础，整个实验都是在理论的指导下完成了，设计过程中使用了许多理论课上学的内容，如真值表、卡拉图等。

本次设计把理论应用到了实践中，同时通过设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握。

【参考资料】【1】清华大学教研组编，阎石主编：《数字电子技术基础》（第四版），北京，高等教育出版社，2004年【2】华中理工大学电子学教研组编，康华光主编：《电子技术基础》数字部分（第四版），武汉，高等教育出版社，2000附录一（数字钟电路系统的组成框图）：附录二：使用说明：1、调整时间按L键切换到调整小时，或调整分钟，按J键调整。

2、调整闹钟按L键切换到调整闹钟小时，调整闹钟分钟，按J键调整。

闹铃时候，按J键可以关闭闹铃。

3、切换显示按T键切换显示秒，闹钟。

10。