电子技术课程设计数字时钟

成都理工大学工程技术学院电子技术课程设计

设计题目：数字电子钟的设计

院系：自动化工程系

专业：建筑电气与智能化

班级：2013建电1班

学号：

姓名：

指导老师：

完成时间：2015年1月19日

目录

目录 (1)

摘要 (2)

Abstract (3)

第1章电子钟的概述 (4)

1.1数字电子钟的背景 (4)

1.2数字时钟的发展历史 (4)

1.3可实现方案 (6)

1.4 本实验采用的方案 (6)

第2章系统硬件设计 (7)

2.1 系统硬件的组成 (7)

2.2 脉冲单元 (7)

2.3 74LS90N的介绍 (7)

2.4 显示器 (9)

2.5 实验室电路接线图 (10)

第3章系统软件设计与仿真 (11)

3.1 Multisim软件的简介 (11)

3.2时位计时电路 (13)

3.3 秒位计时电路 (14)

3.4分位计时电路 (15)

3.5 总计时电路 (15)

总结 (17)

参考文献 (19)

摘要

数字钟是工作生活中常用的电器，它为我们生活带来了许多方便。它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，已得到广泛的使用。我们所研究的电子级数钟是生活中最典型的一个代表，其最基本的功能是能过准确地显示时、分、秒时间信息。其主要构成部件有显示器、译码器、计数器、振荡器和分频器。数字钟完整地显示时、分、秒信息需要6个数码管，要分别实现时、分、秒的计时需要1个二十四进制计数器和两个六十进制计数器，要实现校时功能，需要分别针对时、分、秒的校时电路，要实现1Hz的秒钟计数需要时钟振荡电路，所以数字钟电路一般由数码显示器、六进制和二十四进制计数器、时钟振荡器和校时电路等几个部分组成。

分、秒计数需要的六十进制计数器可由十进制和六进制的计数器串联而成，小时计数需要的二十四进制计数器也可以由两个十进制计数器串联加上必要的反馈置零电路设计完成，1Hz的始终信号可以由晶体振荡器分频后提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1Hz后提供。

关键字：数字电子时钟；74LS90N数码管；振荡器

Abstract

Digital clock is commonly used in working life of electric equipment, it brought a lot of convenience to our life. It is a kind of when using a digital circuit technology, minutes and seconds timing device, has higher accuracy compared with the mechanical clock and intuitive, and no mechanical device, has a longer service life, has been widely used. We studied the electronic clock series is one of the most typical representative, its most basic function is to accurately display, minutes and seconds time information. The main components are the display, decoder, counter, oscillator and a frequency divider. Digital clock, minutes and seconds when fully display information need 6 digital tube, to respectively, minutes and seconds of time need a 24 hexadecimal counter and six two decimal counter, in order to realize the school when the function, the need for hours, minutes, seconds, respectively, the school when the circuit, in order to achieve the 1 Hz need seconds count clock oscillation circuit, therefore, generally speaking, digital display digital clock circuit, six hexadecimal and 24 a binary counter, clock oscillator and the school when the circuit components.

Minutes and seconds count to 6 decimal counter can be made of a decimal and six hexadecimal counter series, and need 24 hours count hexadecimal counter can also be made up of two decimal counter in series with the necessary feedback reset circuit design is completed, 1 Hz always signal can be provided by the crystal oscillator frequency division after, can also be produced by 555 timer to provide after pulse and frequency of 1 Hz.

Key words: digital electronic clock;74 ls90n digital tube;oscillator.

第1章电子钟的概述

1.1数字电子钟的背景

时间是人类生活必不可少的重要元素，如果没有时间的概念，社会将不会有所发展和进步。从古代的水漏、十二天干地支，到后来机械钟表以及当今的石英钟，都充分显现了时间的重要性，同时也代表着科技的进步。致力于计时器的研究和充分发挥时钟的作用，都有着重要的意义。

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。

当代数字电路技术的迅速发展使得各种数字产品琳琅满目，提升了人们的文化、物质生活水平。数字钟作为其中普遍而又不可或缺的一员，为人们提供了准确的时间，保证了学习、生活和工作的有序进行。

1.2数字时钟的发展历史

中国是世界上最早发明计时仪器的国家。有史料记载，汉武帝太初年间（纪元前104-101年）由落下闳创造了我国最早的表示天体运行的仪器——浑天仪。东汉时期（公元130年）张衡创造了水运浑天仪，为世界上最早的以水为动力的观测天象的机械计时器，是世界机械天文钟的先驱。盛唐时代，公元725年张遂（又称一行）和梁令瓒等人创制了水运浑天铜仪，它不但能演示天球和日、月的运动，而且立了两个木人，按时击鼓，按时打钟。第一个机械钟的灵魂——擒纵器用于计时器，这是中国科学家对人类计时科学的伟大贡献。它比十四世纪欧洲出现的机械钟先行了六个世纪。

第一只石英钟出现在二十世纪二十年代，从三十年代开始得到了推广，从六十年代开始，由于应用半导体技术，成功地解决了制造日用石英钟问题，石英电子技术在计时领域得到了广泛的应用。并取代机械钟做了更精确的时间标准。早在1880年，法国人皮埃尔·居里和保罗·雅克·居里就发现了石英晶体有压电的特性，这是制造钟表“心脏”的良好材料。科学家以石英晶体制成的振荡计时器和电子钟组合制成了石英钟。经

过测试，一只高精度的石英钟表，每年的误差仅为3-5秒。1942年，著名的英国格林尼治天文台也开始采用了石英钟作为计时工具。在许多场合，它还经常被列为频率的基本标准，用于日常测量与检测。大约在1970 年前后，石英钟表开始进入市场，风靡全球。随着科学的进步，精密的电子元件不断涌现，石英钟表也开始变得小巧精致，它既是实用品，也是装饰品。它为人们的生活提供方便，更为人们的生活增添了新的色彩。在现行情况下根据简单实用强的、走时准确进行设计。而实验证明，钟表的振荡部分采用石英晶体作为时基信号源时，走时更精确、调整更方便。钟是一种计时的器具，它的出现开拓了时间计量的新里程。提起时钟大家都很熟悉，它是给我们指明时间的一种计时器，并且我们每天都要用到它。二十世纪八十年代中国的钟表业经历了一场翻天覆地的大转折。其表现在三个方面：

（1）从生产机械表转为石英电子表；

（2）曾占据中国消费市场四十多年的大型国有企业突然被刚刚冒起的“组业”所取代，钟表生产中心转向中国南方沿海一带；

（3）中国钟表业发展从以机芯为龙头改为以手表外观件为龙头。

这场转折以迅雷不及掩耳的速度，冲击着传统的中国钟表工业。中国的钟表业从技术简单、零件少的石英钟机芯制造入手。最初石英钟机芯全靠从日本、德国进口，1989年开始完全自己生产，包括模具的制造加工。近十余年，逐渐提高机芯质量的稳定性，同时转向对手表机芯研制与开发。目前石英钟表机芯生产主要在福建省福州、广东东莞、番禺；机械钟表机芯在上海、山东等地。

现在我国的电子业发展非常快速，电子业的发展有利于钟表业的发展。在中国钟表发展史上，国产机芯研制的失败已经成为过去，“组装业”作为新兴钟表工业的起步阶段也已成为过去。一支新的充满智慧的钟表精英在成长。

我们相信在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新，培育出拥有自主知识产权的品牌。这正是中国钟表业发展的希望。

数字钟被广泛用于个人家庭,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,运用超过老式钟表, 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。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

1.3可实现方案

方案一：设计框架可以采用：时间显示部分，译码部分，分频器部分，调时部分，1HZ脉冲定时部分，主电源部分，备用电源部分本设计各部分由统一电源集中供电，外加备用电源确保主电源断电时备用电源及时供电避免时间的丢失555定时器采用的分立元件才用5环高精度的电阻，以及受温度影响较小的固态铝质电解电容确保定时的精确性分频器采用74160,74LS290使用方便，而其容易购买显示部分采用LED八段数码显示管，具有显示明亮，容易识别，价格便宜等优点，调时部分采用普通的按建开关。

方案二：用ADC0808芯片做模数转换采样芯片，占用的单片机I/O口线多，占用的板子面积较大，但是可以循环采样8路模拟通道，编程相对简单。

方案三：用TLC1543/TLC2543芯片做模数转换采样芯片，占用的单片机I/O口线少，且占用电路面积小，但是编程比较复杂。

1.4 本实验采用的方案

主体电路扩展电路

图1.1设计原理图

第2章系统硬件设计

2.1 系统硬件的组成

数字式计数器一般都由振荡器、分频器、计数器、译码器及显示器等几部分组成。其中振荡器和分频器组成标准信号发生器，接成各种不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。秒信号送入计数器进行计数，并把累计结果的“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。在“时”、“分”、“秒”的电路中都有计数器，可见计数器在数字钟里起着十分重要的作用。

作为计数器，“秒”、“分”的六十进制计时器可由一个十进制半加器和易个接成六进制形式的任意进制加法计数器串联来实现。而时位的二十四时制计数电路也由两个计数器串接而成，在时十位0和1期间，要求时的个位按十进制方式工作，而在时的十位为2期间，则要求时的各位按四进制方式工作。实现的方案是很多的。

2.2 脉冲单元

此设计所用的数字脉冲信号，其输出电压为5V，频率为1Hz，其脉冲单元见图2.1

V1

1 Hz

5 V

图2.1

2.3 74LS90N的介绍

本实验采用二-五-十中规模集成计数器74LS90N，其内部逻辑电路引脚排列如图2.2和2.3。其逻辑功能见表2.4。

CP A R0(1)R0(2)A9(1)9(2)

图2.2 74LS90N内部元件图

图2.3 逻辑电路引脚排列

表2.1逻辑功能表

由74LS90N 的逻辑可知，它实际上是由两个计数器构成，通常不同的连接方式，可以实现四种计数功能，当计数脉冲从CP A 输入，从Q A 输出时为二进制计数器（一位）：当计数脉冲从CP B 输入，从Q D Q C Q B 输出时，为五进制计数器：当Q A 和CP B 在外部相连接，计数脉冲从C PA 输入，从Q D Q C Q B Q A 输出时，为8-4-2-1码十进制计数器；若把Q D 与CP A 在外部相连接，计数脉冲从CP B 输出，从Q A Q B Q C Q D 输出时，则为5-4-2-1码十进制计数器。此外，它还具有置0和置9的功能：R 0（1），R 0（2）为置零端，S 9(1)，S 9(2)为置9端，他们分别通过与非门控制各触发器的预制端，以实现置0和置9的功能。

2.4 显示器

发光二极管简称为LED 。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。具有工作电压低、体积小、寿命长、响应快等优点。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN 结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P 区注入到N 区的空穴和由N 区注入到P 区的电子，在PN 结附近数微米内分别与N 区的电子和P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

多个发光二极管封装在一起的七段数码显示器按其连接形式可分位共阳和共阴显示器。共阳显示器的阳极连接在一起，此时对阳极提供一正电压，通过限流电阻控制其阴极为高电平或低电平来决定其暗或是亮。共阴显示器的阴极连在一起，此时可将阴极接地，通过限流电阻控制其阳极为高电平或是低电平来决定其是亮或暗。七段数码显示器是微机系统常用的输出设备。采用七段数码显示器显示的字型受到显示器本身结构的限制。因此，在显示比较复杂的字符、汉字或图形时，可采用点陈显示的办法。七段数码显示器示意图如图2.4。

DCD_HEX

图2.4 七段数码显示器示意图2.5 实验室电路接线图

在实验室用数字电路试验箱连接计数电路图。

图2.6 实验室秒计数电路图

第3章系统软件设计与仿真

在进行调试数字电子钟时，使用Multisim仿真软件进行电子线路仿真，可以进行实时调试，加快设计进程。

3.1 Multisim软件的简介

NI Multisim 是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。NI Multisim仿真软件用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim仿真软件的元器件库提供了数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便在工程设计中使用。

Multisim软件作为Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，是一个完整的集成化设计环境。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。NI Multisim 仿真软件易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学，便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。

Multisim软件特点：

(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。

(2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。

(3)丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。

(4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、

传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。

(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。

(6) Multisim页面展示：

图3.1 Multisim页面展示图

图3.1 时位显示器

说明：实现小时计时的电路如图3.1它的时个位为十进制计数，时十位为四进制计数，分别用两个74LS90N组成，并将输出Q A、Q B、Q C、Q D分接到实验箱中的数码显示器的输入端X1、X2、X4、X8，U32的输入端与数字脉冲输入端相接，R91、R92、都接地。U31的2端接U32的2端，U32与U31的3端相接。

该电路设计所用的是Multisim软件；显示器所用的Sources库中的Indicators的DCD-HEX-BLUE器件。集成计数器所用的是TTL库中的74LS的74LS90N器件。输入信号源所用的是Sources库中SIGNAL-VOLTAGE-SOURCES的CLOCK-VOLTAGE 的器件，其输出电压为5V，频率为1Hz。

图3.2 秒位显示器

说明：实现秒计时的电路如图3.2。它由两级二-五-十进制计数器74LS90N组成。在实验箱中，将个位计数器接成8421码的十进制计数器，并将输出Q A、Q B、Q C、Q D 分接到实验箱中的数码显示器的输入端X1、X2、X4、X8，将（十位）计数器接成六进制的计数器，输出Q A、Q B、Q C、Q D接实验箱中另一数码显示器的输入端Y1、Y2、Y4、Y8。CP信号可采用手动脉冲信号，也可以采用实验箱中提供的连续脉冲信号。对照图3.2检查无误后，接通电源，验证电路的秒计时功能。

该电路设计所用的是Multisim软件；显示器所用的Sources库中的Indicators的DCD-HEX-BLUE器件。集成计数器所用的是TTL库中的74LS的74LS90N器件。输入信号源所用的是Sources库中SIGNAL-VOLTAGE-SOURCES的CLOCK-VOLTAGE 的器件，其输出电压为5V，频率为1Hz。

图3.3 分位显示器

说明：实现分计时的电路如图3.3。它由两级二-五-十进制计数器74LS90N组成。在实验箱中，将个位计数器接成8421码的十进制计数器，并将输出Q A、Q B、Q C、Q D 分接到实验箱中的数码显示器的输入端X1、X2、X4、X8，将（十位）计数器接成六进制的计数器，输出Q A、Q B、Q C、Q D接实验箱中另一数码显示器的输入端Y1、Y2、Y4、Y8。CP信号可采用手动脉冲信号，也可以采用实验箱中提供的连续脉冲信号。对照图3.3检查无误后，接通电源，验证电路的分计时功能。

该电路设计所用的是Multisim软件；显示器所用的Sources库中的Indicators的DCD-HEX-BLUE器件。集成计数器所用的是TTL库中的74LS的74LS90N器件。输入信号源所用的是Sources库中SIGNAL-VOLTAGE-SOURCES的CLOCK-VOLTAGE 的器件，其输出电压为5V，频率为1Hz。

3.5 总计时电路

图3.3总接线图

说明：将上述说明的时、分、秒计时电路串接起来就组成了一个完整的计时电路，即数字计时钟。

总结

通过此次对电子技术基础知识的学习，让我受益颇多。对书本上的知识也有了更深刻的认知与了解。在学习中我们对数字钟开展了设计，并且研究。对数字钟的研究让我知道了数字钟的设计理念，让我的知识又有了进一步的提高。

经过了两周的课程设计，让我更能够熟练的掌握word软件和Multisim软件，我相信能够熟练的使用这些软件，将会对我以后有很大的帮助。在设计的过程中，我也明白了要做成一件事情，并且要将这件事情做好是不是那么容易的，在此之中要经过反复的推敲和计算，多次的实验验证和细心的检查。在思考问题中也要养成一个独立思考的好习惯，要形成自己的一种思维方式，照搬别人的是不可取的，只有通过自己的实践所做成功的事情才是真正有价值。我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。通过本次毕业设计，我明白了一个道理:无论做什么事情，都必需养成严谨、认真、善思的工作作风。

在这次的学习中，我了解到学习知识最重要的就是要有良好的实践操作过程，实践是检验真理的唯一标准。通过这次课程设计也再次让我看到理论与实践的差别和联系，理论固然重要，然而我们要在实践中发现错误，并解决错误。我也提高了自己的动手能力和实际解决问题的能力。因此我也会在将来的学习中更加重视这方面，将理论与实践相结合，才能对知识有更透彻的认识。

通过此次学习也让我知道我们应该持有一个认真、严谨的学习态度。这就是我的另一个收获，不仅仅是做课程设计，无论是做什么研究，都必须要有一种认真严谨的学习态度，比如说，独立思考独立完成，认真接线，仔细检查等，这些都是对我们自身能力的一种培养，在以后的学习甚至工作中，很多东西都只能靠自己去独立思考完成，因此我们也藉此学会了一种独立思考的学习态度。

时间虽然不长，但整个课程设计期间大家还是对数字钟有了深刻的认识。当大家分别连接各计时电路时，大家都非常仔细的链接每一条线路。当秒、分、时各计时电路连接在一起显示时间时，大家的心情是非常激动喜悦的。通过对电路图的设计与仿真，大家终于获得了成功！

最后，我要感谢我的指导老师雷老师，在为期两周的课程设计中他给予了我们很

多的帮助，并且给我提出了很多非常重要的意见。

参考文献

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