数电课程设计

一、数字电子钟

1．设计目的

（1）培养数字电路的设计能力。

（2）掌握数字电子钟的设计、组装和调试方法。 2．设计内容及要求

（1）设计一个数字电子钟电路。要求：

①按24小时制直接显示“时”、“分”、“秒”。 ②当电路发生走时误差时具有校时功能。

③具有整点报时功能，报时音响为4低1高，即在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出500Hz 信号，在59分59秒时输出1000 Hz 信号，音响持续时间为1秒，最后一响结束时刻正好为整点。

（2）用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验仪上进行组装、调试。

（3）画出各单元电路图、整机逻辑框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。 （4）选作部分：①闹钟系统。②日历系统。 3．数字电子钟基本原理及设计方法

数字电子钟的逻辑框图如图14-1-1所示。它由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路和整点报时电路组成。振荡器产生的脉冲信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。有的数字电子钟还加有定时响铃、日历显示等其它功能，需增加相应的辅助电路。

图14-1-1

数字电子钟的基本逻辑框图

（1）振荡分频电路

振荡器是数字电子钟内部用来产生时间标准“秒”信号的电路。构成振荡器的电路很多，图14-1-2（a ）是RC 环形多谐振荡器，其振荡周期T ≈2.2RC 。作为时钟，最主要的是走时准确，这就要求振荡器的频率稳定。要得到频率稳定的信号，需要采用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器电路如图14-1-2（b ）所示，这种电路的振荡频率只取决于石英晶体本身的固有频率。

u O

（b ）

图14-1-2 振荡器

（a ）RC 环形多谐振荡器 （b ）石英晶体多谐振荡器

由于石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到秒信号，需采用分频电路。例如，振荡器输出 4 MHz 信号，先经过4分频变成1 MHz ，再经过6次10分频计数器，便可得到1Hz 的方波信号作为秒脉冲。

（2）计数器

把秒脉冲信号送入秒计数器个位的CP 输入端，经过6级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位，以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60进制，“时”计数器为24进制。

24进制计数器如图14-1-3所示。当“时”个位计数器输入端CP 来到第10个触发脉冲时，该计数器归零，进位端Q D5向“时”十位计数器输出进位信号。当第24个“时”脉冲（来自“分”计数器输出的进位信号）到来时，十位计数器的状态为0010，个位计数器的状态位0100，此时“时”十位计数器的Q B6和“时”个位计数器的Q C5输出为1。两者相与后送到两计数器的清零端R 0A 和R 0B ，通过74LS90内部的R 0A 和R 0B 与非后清零，完成24进制计数。同理可构成60进制计数器。

CP

来自分计数器的进位信号

图14-1-3 24进制计数器

（3）译码显示电路

译码驱动器采用8421 BCD 码七段译码驱动器74LS48，显示器采用共阴极数七段数码显示器，有关74LS48和七段显示器的使用方法前面已经作了介绍，这里不再赘述。

（4）校时电路

当数字电子钟出现走时误差时，需要对时间进行校准。实现校时电路的方法很多，如图14-1-4所示电路即可作为时计数器或分计数器的校时电路。

CP 端

图14-1-4 校时电路

现设用该电路作为分计数器的校时电路，图中采用RS 触发器作为无抖动开关。通过开关K 的接入位置，可以选择是将“1 Hz 信号”还是将“来自秒计数器的进位信号”送至分计数器的CP 端。当开关K 置于B 端时，RS 触发器的输出1=Q 、0=Q ，“来自秒计数器的进位信号”被送至分计数器的CP 端，分计数器正常工作；需要校正分计数器时，将开关K 置于A 端，这时RS 触发器的输出

0=Q 、1=Q ，“1 Hz 信号”被送至分计数器的CP 端，分计数器在“1Hz 信号”的作用下快速计

数，直至正确的时间，再将开关K 置于B 端，达到了校准时间的目的。

（5）整点报时电路

电路的设计要求在差10 s 为整点时开始每隔1 s 鸣叫一次，每次持续时间为1 s ，共鸣叫5次，前4次为低音500 Hz ，最后一次为高音1 kHz 。因为分计数器和秒计数器从59分51秒计数到59分59秒的过程中，只有秒个位计数器计数，分十位、分个位、秒十位计数器的状态不变，分别为Q D4Q C4Q B4Q A4＝0101，Q D3Q C3Q B3Q A3＝1001，Q D2Q C2Q B2Q A2＝0101，所以Q C4＝Q A4＝Q D3＝Q A3＝Q C2＝Q A2＝1不变。设Y 1＝ Q C4Q A4Q D3Q A3Q C2Q A2，又因为在51、53、55、57秒时Q A1＝1，Q D1＝0，输出500Hz 信号f 2；59秒时Q A1＝1，Q D1＝1，输出1kHz 信号f 1，由此可写出整点报时电路的逻辑表达式为：

21D 1A 111D 1A 12f Q Q Y f Q Q Y Y +=

用与非门实现，则整点报时电路如图14-1-5所示。

图中音响电路采用射极输出器，推动8Ω的喇叭。三极管基极串接1 k Ω限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭，在集电极也串接51Ω限流电阻。三极管选用高频小功率管即可。

4．组装和调试要点

在实验箱上组装电子钟，组装时应严格按图连接引脚，注意走线整齐，布局合理，器件的悬空端、清0端、置1端要正确处理。调试步骤和方法如下：

（1）用数字频率计测量晶体振荡器输出频率，用示波器观察波形。晶体振荡器输出频率应为 4 MHz ，同时波形为矩形波。

（2）将频率为4 MHz 的信号送入分频器各输入端，并用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合设计要求。

（3）将1 s 信号分别送入“时”、“分”、“秒”计数器，检查各级计数器的工作情况。若不正常，则可依次检查显示器、译码驱动器、计数器及计数器的反馈归零电路。

（4）观察校时电路的功能是否满足校时要求。

（5）将时间调整到59分50秒，观察报时电路能否准确报时。 （6）整机联调，使数字电子钟正常工作。

Q

图14-1-5 整点报时电路

5．供参考选择的元器件

（1）集成电路：74LS90 12片，74LS48 6片，74LS00 6片，74LS20 2片。 （2）电阻：1 k Ω 3个，10 k Ω 4个，51 Ω 1个。 （3）电容：0.01μF 2个。 （4）三极管：3DG12 1个。

（5）其它：共阴极显示器 6个，4 MHz 石英晶振 1片，8Ω扬声器 1个。