数字钟设计

一般来说数字钟要完成的基本功能是利用数码管、按键、蜂鸣器完成24小时制时间显示（输入时钟脉冲一般要求为1024Hz），时间调节，闹钟设定，整点报时。我不知道你是用vhdl和实验箱做还是直接用现有元件完成电路板，后者可能要麻烦一点我没做过，前一种方法可能容易一定，可以自己增加一些功能，比如日期显示，和闹钟开关。难度在于要利用设计软件进行设计或仿真，需要摸清软件的脾性，vhdl并没有c语言那么容易掌握。

我不清楚你到底哪个地方有问题，能不能再说清楚点。

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一、设计目的

1. 熟悉集成电路的引脚安排。

2. 掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。

3. 了解面包板结构及其接线方法。

4. 了解数字钟的组成及工作原理。

5. 熟悉数字钟的设计与制作。

二、设计要求

1．设计指标

时间以24小时为一个周期；

显示时、分、秒；

有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；

计时过程具有报时功能，当时间到达整点前5秒进行蜂鸣报时；

为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。

2．设计要求

画出电路原理图（或仿真电路图）；

元器件及参数选择；

电路仿真与调试；

PCB文件生成与打印输出。

3．制作要求 自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。

4．编写设计报告 写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

三、设计原理及其框图

1．数字钟的构成

数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。图 3-1所示为数字钟的一般构成框图。

图3-1 数字钟的组成框图

⑴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，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。

⑵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。

⑶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及时个位和时十位计数器电路构成，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，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。

⑷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。

⑸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．数字钟的工作原理

１）晶体振荡器电路

晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。

图3-2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。

晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。

从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。

由于CMOS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。

非门电路可选74HC00。

图3-2 COMS晶体振荡器

２）分频器电路

通常，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。例如，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。常用的２进制计数器有７４ＨＣ３９３等。

本实验中采用CD4060来构成分频电路。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，其内部框图如图3-3所示，从图中可以看出，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。

图3-3 CD4046内部框图

３）时间计数单元

时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。

时计数单元一般为１２进制计数器计数器，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。

一般采用10进制计数器74HC390来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量，可选７４ＨＣ３９０，其内部逻辑框图如图　２.３所示。该器件为双２—５－１０异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。

图3-4 74HC390(1/2)内部逻辑框图

秒个位计数单元为１０进制计数器，无需进制转换，只需将ＱＡ与ＣＰＢ（下降沿有效）相连即可。ＣＰＡ（下降没效）与１ＨZ秒输入信号相连，Ｑ３可作为向上的进位信号与十位计数单元的ＣＰＡ相连。

秒十位计数单元为６进制计数器，需要进制转换。将１０进制计数器转换为６进制计数器的电路连接方法如图3-5所示，其中Ｑ２可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的ＣＰＡ相连。

图3-5 10进制——6进制计数器转换电路

分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的Ｑ３作为向上的进位信号应与分十位计数单元的ＣＰＡ相连，分十位计数单元的Ｑ２作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣＰＡ相连。

时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为１２进制计数器，不是１０的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行１２进制转换。利用１片７４ＨＣ３９０实现１２进制计数功能的电路如图3-6所示。

另外，图3-6所示电路中，尚余－２进制计数单元，正好可作为分频器２ＨZ输出信号转化为１ＨZ信号之用。

图3-6 12进制计数器电路

4）译码驱动及显示单元

计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。

5）校时电源电路

当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。

根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。图3-7所示即为带有基本RS触发器的校时电路，

图3-7 带有消抖动电路的校正电路

6）整点报时电路

一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。

根据要求，电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。报时电路选74HC30，选蜂鸣器为电声器件。

四、元器件

1．实验中所需的器材

5V电源。

面包板1块。

示波器。

万用表。

镊子1把。

剪刀1把。

网络线2米/人。

共阴八段数码管6个。

CD4511集成块6块。

CD4060集成块1块。

74HC390集成块3块。

74HC51集成块1块。

74HC00集成块5块。

74HC30集成块1块。

10MΩ电阻5个。

500Ω电阻14个。

30p电容2个。

32.768k时钟晶体1个。

蜂鸣器。

2．芯片内部结构图及引脚图

图4-1 7400 四2输入与非门 图4-2 CD4511BCD七段译码/驱动器

图4-3 CD4060BD 图4-4 74HC390D

图4-5 74HC51D 图4-6 74HC30

3．面包板内部结构图

面包板右边一列上五组竖的相通，下五组竖的相通，面包板的左边上下分四组，每组中X、Y列（0-15相通，16-40相通，41-55相通，ABCDE相通，FGHIJ相通，E和F之间不相通。

五、个功能块电路图

1． 一个CD4511和一个LED数码管连接成一个CD4511驱动电路，数码管可从0---9显示，以次来检查数码管的好坏，见附图5-1。

图5-1 4511驱动电路

2． 利用一个LED数码管，一块CD4511，一块74HC390，一块74HC00连接成一个十进制计数器，电路在晶振的作用下数码管从0—9显示，见附图5-2。

图5-2 74390十进制计数器

3． 利用一个LED数码管，一块CD4511，一块74HC390，一块74HC00和一个晶振连接成一个六进制计数器，数码管从0—6显示，见附图5-3。

图5-3 74390六进制计数器

4． 利用一个六进制电路和一个十进制连接成一个六十进制电路，电路可从0—59显示，见附图5-4。

图5-4 六十进制电路

5． 利用两个六十进制的电路合成一个双六十进制电路，两个六十进制之间有进位，见附图5-5。

图5-5 双六十进制电路

6． 利用CD4060、电阻及晶振连接成一个分频——晶振电路，见附图5-6。

图5-6 分频—晶振电路

7． 利用74HC51D和74HC00及电阻连接成一个校时电路，见附图5-7。

图5-7 校时电路

8． 利用74HC30和蜂鸣器连接成整点报时电路。见附图5-8。

图5-8 整点报时电路

9． 利用两个六十进制和一个十二进制连接成一个时、分、秒都会进位的电路总图，见附图5-9。

图5-9 时、分、秒的进位连接图

六、总接线元件布局简图，见附图6-1

七、芯片连接图见附图7-1

八、总结

1. 设计过程中遇到的问题及其解决方法。

1） 在检测面包板状况的过程中，出现本该相通的地方却未通的状况，后经检验发现是由于万用表笔尖未与面包板内部垂直接触所至。

2） 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，本次实验中还发现一块坏的LED数码管和两块坏的CD4511，经更换后均能正常显示。

3） 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。

4） 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。

5） 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。

6） 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。

7） 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。

2．设计体会

在此次的数字钟设计过程中，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。

在连接六进制、十进制、六十进制的进位及十二进制的接法中，要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。

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。又例如74HC390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。

在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的。

3．对该设计的建议

此次的数字钟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。

2、计算机常用操作系统的使用方法；

3、一定的英语基础；

一、设计任务：（一）主体功能用HDL设计一个多功能数字钟，包含以下主要功能：1.计时及校时，时间可以24小时制或12小时制显示2.日历：显示年月日星期，及设定设定功能3.跑表：启动/停止/保持显示/清除4.闹钟：设定闹钟时间，整点提示（二）输入输出界面输入：时钟输入，三个按键输出：8位7段码，2个LED，一个蜂鸣器三个按键从左到右为：Key3、key2、Key1，功能在不同模式下定义不同： Key3：模式键ModeKey，Key2：日历显示/设置选择键SetSelKey/启动与停止键StartPause，Key1：闹钟时间显示/设置键SetKey/显示保持键HoldReset8位7段码从左到右编号为8-1两个LED分别指示闹钟与整点提示的开关状态。时钟输入后文再详细描述。试验板为EDA Pro2K实验开发系统，仿真芯片用Altera FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4。由于实验板有限，大部分仿真在计算机上用maxplus或其它软件完成。当认为运行比较理想时，要按照后文的管脚定义，分配好管脚，编译成可下载的文件，到实验室申请做下载试验。要求能够实现主体功能，实验结果存在的问题，要在报告中分板其原因。二、详细功能及状态描述：总体分四种模式，由Key3(ModeKey)切换（一）时间显示模式：初始状态为24小时制显示当前时间：小时(8-7)/分(6-5)/秒(4-3)，2-1位不显。设置为12小时制时，第1位数码管显示上午/下午，上午显示A（AM），下午显示b（如果自己控制七段码也可以令其显示P） ...

以前写的一个代码，供参考。

module clock(clk,rst,set, set_typ, set_data, yr, mon, dt, hr, min, sec,

alarm_en, alm_typ, alm_yr, alm_mon, alm_dt, alm_hr, alm_min, alm_sec, alarm_output)

input clk,rst,set

input [2:0] set_typ //

input [6:0] set_data//

output [6:0] yr, mon, dt, hr, min, sec

input alarm_en

input [2:0] alm_typ //

input [6:0] alm_yr, alm_mon, alm_dt, alm_hr, alm_min, alm_sec

output alarm_output

parameter C_FR= 32'd20_000_000-32'd1 //定义系统时钟20MHz

reg [31:0] fr_cnt

reg [3:0] sec_cnt

reg pp1s //秒脉冲

//==================================================

//fr_cnt

always@(posedge clk)//

if(!rst)

fr_cnt <= 32'b0

else if (fr_cnt >= C_FR)

fr_cnt <= 32'b0

else

fr_cnt <= fr_cnt + 1'b1

//pp1s

always@(posedge clk)//

if(!rst)

pp1s <= 1'b0

else if (fr_cnt == C_FR)

pp1s <= 1'b1

else

pp1s <= 1'b0

///time counter

always@(posedge clk)

if(!rst)

begin

yr <= 7'b0

mon <= 7'b0

dt <= 7'b0

hr <= 7'b0

min <= 7'b0

sec <= 7'b0

end

else if (set)

begin

case (set_typ)

3'b000: yr <= set_data

3'b001: mon <= set_data

3'b010: dt <= set_data

3'b011: hr <= set_data

3'b100: min <= set_data

3'b101: sec <= set_data

end

else if (pp1s)

begin

if (sec >= 7'd59)

sec <= 7'd0

else

sec <= sec + 1'b1

if (sec >= 7'd59)

begin

if (min >= 7'd59)

min <= 7'd0

else

min <= min + 1'b1

end

if (sec >= 7'd59 &&min >= 7'd59)

begin

if (hr >= 7'd23)

hr <= 7'd0

else

hr <= hr + 1'b1

end

///data,mon, year, 大月小月，闰年等，依此类推

//

end

//=================================

//alarm

always@(posedge clk)

if(!rst)

alarm_output <= 1'b0

else if (alarm_en)

case (alm_typ)

3'b000:

if (yr == alm_yr &&mon == alm_mon &&dt == alm_dt &&hr == alm_hr &&min == alm_min &&sec == alm_sec)

alarm_output <= 1'b1

else

alarm_output <= 1'b0

3'b001:

if (mon == alm_mon &&dt == alm_dt &&hr == alm_hr &&min == alm_min &&sec == alm_sec)

alarm_output <= 1'b1

else

alarm_output <= 1'b0

3'b010:

if (dt == alm_dt &&hr == alm_hr &&min == alm_min &&sec == alm_sec)

alarm_output <= 1'b1

else

alarm_output <= 1'b0

3'b011:

if (hr == alm_hr &&min == alm_min &&sec == alm_sec)

alarm_output <= 1'b1

else

alarm_output <= 1'b0

3'b100:

if (min == alm_min &&sec == alm_sec)

alarm_output <= 1'b1

else

alarm_output <= 1'b0

default

alarm_output <= 1'b0

endcase

endmodule

数字钟的设计与仿真

二．设计要求：

（1）设计一个有“时”、“分”、“秒”（12小时59分59秒）显示，且有校时功能的电子钟；

（2）显示采用六只LED数码管分别显示时分秒；

（3）时间的小时、分可手动调整；

（4）采用+5V电源供电。

三．题目分析：

根据题目，我们可以分析出：数字电子钟是由多块数字集成电路构成的，其中有振荡器，分频器，校时电路，计数器，译码器和显示器六部分组成。振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，不同进制的计数器产生计数，译码器和显示器进行显示，通过校时电路实现对时，分的校准。

1）振荡器又包括由集成电路555与RC组成的多谐振荡器，用石英晶体构成的振荡器和由逻辑门与RC组成的时钟源振荡器。三种方案如下图所示：

方案一：由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

555与RC组成的多谐振荡器图

方案二:振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号。

石英晶体振荡器图

方案三：由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器。

门电路组成的多谐振荡器图

集成电路555与RC组成的多谐振荡器电路：如果精度要求不高，则可以采用由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。如上图所示。设振荡频率f=1KHz，R为可调电阻，微调R1可以调出1KHz输出。

石英晶体振荡电路:采用的32768晶体振荡电路,其频率为32768Hz,然后再经过15分频电路可得到标准的1Hz的脉冲输出.R的阻值,对于TTL门电路通常在0.7～2KΩ之间对于CMOS门则常在10～100MΩ之间。

由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阈值电压VTH，由于VTH容易受到温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能用于对频率稳定性要求不高的场合。

综上所述，因为本电路对精度没有较高的要求，因此，我们选用由集成电路555与RC组成的多谐振荡器。

2）校时器的方案有如下两种：

方案一：通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。图1所示为所设计的校时电路。

图 1方案一校正电路图

方案二：校准电路由基本RS触发器和“与”门组成，基本RS触发器的功能是产生单脉冲，主要作用是起防抖动作用。未拨动开关K时，“与非”门G2的一个输入端接地，基本RS触发器处于“1”状态，这是数字钟正常工作，“分”进位脉冲能进入“分”计数器。拨动开关K时，“与非”门G1的一个输入端接地，于是基本RS触发器转为“0”状态。秒状态可以直接进入“分”计数器，而“分”进位脉冲被阻止进入，因而能较快地校准分计数器的计数值。校准后，将校正开关恢复原位，数字钟继续进行正常计时工作。

图 2 方案二校正电路

通过比较可知，方案一和方案二相比，防抖动措施更好，更完备，但电路也更为复杂，成本也更高，通过比较选择方案一，既能实现防抖动功能，做出事物也更经济一些。

四．总体方案：

本电路是以555定时器组成多谐振荡器作为频率发生器，多谐振荡器产生1000HZ的振荡波，经过分频器分频，分解成1HZ的脉冲波，随后经过秒计数器，秒计时器是60进制计数器，当计数器计数到60时产生进位脉冲，到分计数器。分计数器也是60进制计数器，当分计数器计数到60时，再次产生更高一级的进位脉冲，脉冲送到时计数器，实现了分向时的进位。当需要进行校时时，打开对应的开关，进行对应位置上的校时，此时计数进位脉冲无效。

而计数器的工作是通过外接时钟脉冲CP的作用下,秒的个位加法计数器开始记数，通过译码器和数码显示管显示数字即计数器。当经过10个脉冲信号后，秒个位计数器完成一次循环，秒十位计数器的CP与秒个位计数器的CP同步,秒个位计数器的Qcc使得秒十位的P和T端同时为1,从而秒十位开始计数，秒十位计数器工作1次，通过译码器和数码显示管，秒十位数字加1。当经过60个脉冲信号，秒部分完成一个周期，分钟个位计数器的CP通过秒十位计数器的Q2Q1与非得到脉冲，分钟个位计数器工作一次，通过译码器和数码显示管，分钟的个位数字加1。分部分的工作方式与秒部分完全相同。当经过3600个脉冲信号，分钟部分完成一个周期，小时个位计数器的CP通过分十位计数器的Q2Q1与非得到脉冲，小时个位计数器工作一次，通过译码器和数码显示管，小时的个位数字加1。当小时个位部分完成一个周期，小时十位计数器的CP与小时个位计数器的CP同步, 小时个位计数器的Qcc使得小时十位的P和T端同时为1,从而小时十位开始计数，小时十位计数器工作1次，通过译码器和数码显示管，小时的十位数字加1。当小时十位部分计数到2同时小时的个位部分计数到4，小时个位计数器的清零端和十位计数器的清零端通过小时个位计数器的Q2和小时十位计数器的Q1与非得到信号，小时部分清零，从而完成了1次24小时计时。

五．具体实现：

(1) 数字时钟基本原理的逻辑框图如下图3所示：

由图3我们可以看出，振荡器产生的信号经过分频器作为产生秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果经过“时”、“分”、“秒”，译码器，显示器显示时间。其中振荡器和分频器组成标准秒脉冲信号发生器，由不同进制的计数器，译码器和显示电路组成计时系统。秒信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“时”，“分”、“秒”的数字显示出来。“时”显示由二十四进制计数器，译码器，显示器构成；“分”、“秒”显示分别由六十进制的计数器，译码器，显示器构成；校时电路实现对时，分的校准。

(2)数字钟的原理图如附一图所示，其功能原理均与系统方框图的一致。

六．各部分定性说明以及定量计算：

1.振荡器

秒发生电路---振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的精确度决定了计时器的准确度。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度就越高，但耗电量将越大。所以，在设计电路时要根据需要而设计出最佳电路。

在此设计中，我采用的是精度不高的，由集成电路555与RC组成的多谐振荡器。其具体电路如下图4所示：

图4 振荡器电路图

555定时器是一个模拟与数字混合型的集成电路。555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。

555的引脚图如下图5所示：

图5

555的内部电路和功能如下图6所示：

图6

上面图6 是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。

它的各个引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。

3脚：输出端Vo

2脚： 低触发端

6脚：TH高触发端

4脚： 是直接清零端。当 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为

的情况下，其功能如下表：

555定时器的功能表

清零端

高触发端TH 低触发端

Qn+1 放电管T 功能

0

0 导通 直接清零

1

0 导通 置0

1

1 截止 置1

1

Qn 不变 保持

接通电源后，电容C1被充电，vC上升，当vC上升到大于2/3VCC时，触发器被复位，放电管T导通，此时v0为低电平，电容C1通过R2和T放电，使vC下降。当vC下降到小于1/3VCC时，触发器被置位，v0翻转为高电平。电容器C1放电结束,所需的时间为 ：

当C1放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C1充电，vC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时为：

当vC上升到2/3VCC时，触发器又被复位发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为 ：

本设计中，由电路图可知R1、R2和C的值，然后再根据f的公式可以算出：其输出的频率为f=1KHz.

2.分频器

分频器的功能主要有两个：一个是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1000Hz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。

本设计中，由于振荡器产生的信号频率太高，要得到标准的秒信号，就需要对所得的信号进行分频。这里所采用的分频电路是由3个总规模计数器74LS90来构成的3级1/10分频。

其电路图如下图7所示:

图7 分频器电路图

74LS90的引脚图及其功能图如下图所示：

74LS90引脚图

74LS90 功能表

3.计数器

本设计所采用的是十进制计数器74SL160，根据时分秒各个部分的的不同功能，设计成不同进制的计数器。秒的个位，需要10进制计数器，十位需6进制计数器（计数到59时清零并进位），秒部分设计与分钟的设计完全相同；时部分的设计为当时钟计数到24时，使计数器的小时部分清零，从而实现整体循环计时的功能。

74LS160功能表和真值表如下表1和表2所示：

表1

输入 输出

(CR) ̅ (LD) ̅ CTT CTP CP D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3

0 × × × × × × × × 0 0 0 0

1 0 × × ↑ D0 D1 D2 D3 D0 D1 D2 D3

1 1 1 1 ↑ × × × × 计数

1 1 0 × × × × × × 触发器保持，CO=0

1 1 × 0 × × × × × 保持

表2

74LS160的真值表

CLK Q

Q

Q

Q

0 0 0 0 0

1 0 0 0 1

2 0 0 1 0

3 0 0 1 1

4 0 1 0 0

5 0 1 0 1

6 0 1 1 0

7 0 1 1 1

8 1 0 0 0

9 1 0 0 1

10 0 0 0 0

74LS160的引脚介绍如下表3所示：

表3

74LS160逻辑符号 各引脚顿的名称

D D D D

置数端

Q Q Q Q

输出端

EP ET 工作状态控制端

LD 预置数控制端

RD 异步置零（复位）端

CO 进位输出端

CLK 信号输入端

计数部分：利用74LS160芯片和74LS00芯片组成的计数器，它们采用异步连接，利用外接标准1Hz脉冲信号进行计数。

显示部分： 将六片74LS160的Q0Q1Q2Q3脚分别接到实验箱上的数码显示管上，根据脉冲的个数显示时间。

秒信号经过计数器之后分别得到显示电路，以便实现用数字显示时、分、秒的要求，计时电路共分三部分：计秒、计分和计时。其中，计秒和计分都是60进制，而计时为24进制，可以采用十进制计数器74LS160实现24进制、60进制计数器。

（1）六十进制计数

由分频器来的秒脉冲信号，首先送到“秒”计数器进行累加计数，秒计数器应完成一分钟之内秒数目的累加，并达到60秒时产生一个进位信号，所以，选用2片74LS160和一片74LS00组成六十进制计数器，采用反馈归零的方法来实现六十进制计数。其中，“秒”十位是六进制，“秒”个位是十进制。

秒部分具体设计如图8所示：

图8

秒的个位部分为逢十进一，十位部分为逢六进一，从而共同完成60进制计数器，当计数到59时清零并重新开始计数。如图所示个位1脚接高电平，7脚、9脚及10脚接1，当7脚和10脚同时为1时计数器处于计数工作状态。个位11脚和秒的十位的2脚相接，十位的9脚、10脚、7脚分别和个位的1脚相接。个位计数器由Q3Q2Q1Q0（0000）2增加到（1001）2时产生进位，从而实现10进制计数和进位功能，秒的十位在计数至0110时由与非门反馈清零实现6进制。

分钟部分设计与秒完全相同。

（2）二十四进制计数器：

选用2片74LS160和一片74LS00组成24进制计数器，采用反馈归零的方法来实现24进制计数。当十位为0010且个位为0100时使两芯片异步清零。

小时部分具体设计如图9所示：

图9

4.译码器、显示器

译码是指把给定的代码进行翻译的过程。计数器采用的码制不同，译码电路也不同。74LS48驱动器是与8421BCD编码计数器配合用的七段译码驱动器。74LS48配有灯测试LT、动态灭灯输入RBI，灭灯输入/动态灭灯输出BI/RBO,当LT=0时，74LS48出去全1。

本系统用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：共阳极显示器或共阴极显示器。74LS48译码器对应的显示器是共阴极显示器。

本实验采用实验箱中的74LS48译码器和共阴极显示器组成的显示系统。

5.校时电路

数字种启动后,每当数字钟显示与实际时间不符进,需要根据标准时间进行校时。校“秒”时，采用等待校时。校“分”、“时”的原理比较简单，采用加速校时。

对校时电路的要求是 :

1）在小时校正时不影响分和秒的正常计数 。

2）在分校正时不影响秒和小时的正常计数 。

如图10所示，当数字钟走时出现误差时，需要校正时间。校时电路实现对“时”“分”“秒”的校准。在电路中设有正常计时和校对位置。本实验实现“时”“分”的校对。需要注意的是，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，为防止这一情况的发生我们接入一个由RS触发器组成的防抖动电路来控制。

校时电路图 图10

校时开关的功能表如下：

校时开关的功能表

S1 S2 功能

1 1 计数

0 1 校分

1 0 校时

6.整点报时电路

整点报时，只报时不报分。从59分50秒起，每隔2s发出一次信号，连续五次，最后一次结束时即达到正点。其原理图如下所示：

图11

电路图如下图12所示：

图12

综合以上多个电路，将其连接起来，就组成了一个具有时、分、秒计时功能，能够手动校时、校分，并且整点报时的数字电子钟。

七．实验仿真：

在电子电路计算机仿真软件Multisim中进行调试和仿真数字电子钟，得到的仿真电路图如附二图所示。

由仿真电路实验知道了当高频信号经过分频器后得到标准的秒脉冲信号，进入60进制的“秒”计时，“秒”的分位进入60进制的“分”计时，最后，由分的“时”进位进入24进制的“时”计时。再加上由门电路和开关构成的校时电路对电路的“时”，“分”进行校时，从而得到正确的时间的。

八．元器件清单

（1）74LS160（ 6片） （2）74LS00（15片）

（3）数码显示器（6片）（4）74LS90（3片）

（5）74LS30（1片）（6）74LS04（1片）

（7）74LS02（1片）（8）555计时器（1片）

（9）可变电容（1个） （10）电容（2片）

（11）蜂鸣器（1个） （12）电阻（2个）

（13）数字电路实验箱 （14）+5V电源若干

（15）导线，开关若干。

九．设计心得体会

在此次的数字钟设计过程中，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。使我对已学过的电路、数电、模电等电子技术的知识有了更深一步的了解，锻炼和培养了自己利用已学知识来分析和解决实际问题的能力。对自己以后的学习和工作有很大的帮助。

刚开始做这个设计的时候感觉自己什么都不知道怎么下手，脑子里比较浮躁和零乱。但通过一段时间的努力，通过重温数电，模电等电子技术的书籍，还有通过查看相关的设计技术以及一些参考文献，再加之在老师的指导和周围同学的帮助下，使我对自己的本设计有了熟练的掌握。

在整个的设计过程中我充满了渴望和用心。记得在精工实习的时候，也是用满腔的热情来完成各项实习任务，并在每项实习项目中都达到了优秀的成绩。 所以，我相信自己的实际动手能力，并一向的加强自己在这方面的努力。在这次的电子技术设计中亦是如此，用自己的双手和满腔的热情来完成各个环节，不断的在图书管查看相关资料和期刊文献，特别在网络上也收收获了很多新鲜的东西。这次设计更让我熟悉了一些常用集成逻辑电路和其相应芯片的使用。

虽然，在本设计中所用的方案不是最好的，但我想其中的原理是最基本的；虽然其中可能出现误差，不过在杨老师的答疑课上，这些问题还是基本解决了。

最后，我要衷心的感谢杨老师给了我一次实践的机会和平时在学习上的莫大帮助，让我更加深刻地了解和认识到了自己的优点和不足，通过这个课程设计我发现了我好多知识都不熟悉甚至有的东西我根本就不知道，这让我感到了要学习的东西还有很多很多。因此使我更坚定了在以后的学习中要扎实好基础，阔广知识面。碰到的问题越让人绝望，解决问题之后的喜悦程度就越高。作为工科类的学生，以后工作了难免要碰到许许多多的问题，不要绝望，坚持，直到看到胜利的曙光。

十．参考文献

李中发主编. 电子技术. 北京：中国水利水电出版社.

毛期俭主编. 数字电路与逻辑设计实验及应用. 北京: 人民邮电出版社.

吕思忠，施齐云主编. 数字电路实验与课程设计. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社.

阎石主编．数字电子技术基础（第四版）. 北京：高等教育出版社.

黄智伟主编. 电子电路计算机仿真设计与分析. 北京：电子工业出版社.

程勇主编. Multisim10电路仿真实例讲解. 北京： 人名出版社.

彭介华主编. 电子技术课程设计指导. 北京：高等教育出版社.

卢结成、高世忻等编. 电子电路实验及应用课题设计. 合肥：中国科学技术大学出版社.

梁宗善主编. 电子技术基础课程设计. 武汉：华中理工大学出版社.

欧阳星明主编. 数字系统逻辑设计. 北京：电子工业出版社.

李中发主编. 电子技术基础课程设计. 武汉：华中理工大学出版社.