数电课程设计---数字钟设计
[摘要]数字钟原理是由晶体管振荡器电路产生多谐震荡，经过分频器分频后输出稳定的秒脉冲，
作为时间基准。秒计数器满60向分计数器进位，分计数器满60向小时计数器进位，小时计数器以24为一个周期，并实现了小时高位具有零熄灭的功能。计数器的输出经译码器送到显示器，可在相应位置正确显示时、分、秒。计时出现误差或者调整时间时可以用校时电路进行时、分的调整，并实现整点报时功能。数字钟是采用数字电路实现时、分、秒数字显示的计时装置。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的使用，使得数字钟的精度、稳定性远远超过了机械钟表
[关键词]数字时钟、分频器、译码器、校时电路、整点报时
一.设计目的
1)掌握数字钟的设计原理
2)熟悉集成电路的引脚安排，及掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
3)了解数字钟的组成及工作原理。
4)掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路及数字逻辑电路系统的设计、安装、测试方法。
5)进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力。
6)提高电路布局﹑布线及检查和排除故障的能力。
二．设计要求
1.基本要求如下：
1)时钟显示功能，能够十进制显示“时”、“分”、“秒”。
2)小时高位具有零熄灭功能。
3)具有整点报时功能。
4)具有快速校准时间的功能。
2. 提高要求
1)校时时相应位闪烁。
2)能够设置多个起闹点。
3.设计指标
3)画出电路原理图(或仿真电路图);
4)元器件及参数选择;
5)电路仿真与调试;
6)PCB文件生成与打印输出.
4.制作要求自行装配和调试,并能发现问题和解决问题.
1)计时准确度，每天计时误差不超过1s。
2)实现24小时计时功能。
3)蜂鸣器在59分50秒开始报时，并持续响10秒
4)快速校准时间的功能。
三．设计原理
1.1总体框图设计
1.总体原理说明
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.上图所示为数字钟的一般构成框图.
数字电子钟的逻辑框图如图所示。它由频率为32.768khz的晶体振荡器构成的振荡电路、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。晶体振荡器构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。
2.各个部分电路原理
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。
四．功能模块设计
1.校时模块
1)方案一：
采用开关实现校时功能。
图：开关校时电路
如上图所示，通过开关的闭、合产生的高低电平，给计数器一个上升沿，调整时间的显示，实现校时的功能。
2)方案二：
下一级的进位信号不直接加到上一级的脉冲输入端，而是通过一个三态门来控制其是否接入到上一级的脉冲输入端。校时信号也是通过一个三态门然后再接到计数器的脉冲
输入端。然后通过译码器构成的数据选择器选择对哪一个进行校时。这样可以避免将两
线直接接到计数器脉冲输入端对下一级的产生强行置数的现象。
3)方案论证
方案一结构简单，节约成本。但是只能从低位向高位逐步调整，以避免低位调整对高位的影响，灵活性差。方案二结构复杂，成本高。但是可以方便地对任意位校准时
间，灵活性高。
考虑到实际生活中，时钟一旦调整之后就很少会再次调整，为了降低成本，降低电路复杂度，采用方案一。
2.计时模块
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。
1）分秒产生电路
图
a. 上图部分是秒个位的进位与清零电路。
b.分个位、分十位的进位与清零电路与秒个位、秒十位的电路原理类似。
3. LED数码显示器的结构
LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。LED数码显示器有两种连接方法：（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。
（2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。
4.时高位零熄灭功能实现
如下图所示，当时十位输出0（即0000）时，当时十位输出大于0时，通过或门输出高电平，使其正常工作，从而实现时高位零熄灭功能。
5.报时模块
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1.1.1译码显示模块
如下图，将分频器产生的输出信号通过74LS48译码器，驱动共阴极数码管，显示数字。
图3-13 译码器与数码管
第四部分
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2.1总结
开始时候我打算用555来产生时钟信号，原因是方便且用的芯片较少，但后来拿到原件后换成晶振了。虽然有些麻烦，但还是在面包板上把振荡电路搭出来了。在开始调试工程中也出现了一些问题，比如秒和分钟的个位进位变成了逢8进1而不是十进一，后来发现这个问题在EWB仿真过程中竟然就已存在了，而由于疏忽在仿真初期并没有发现这一问题。而经过研究元件原理后，问题的原因在于90和160的时钟信号一个是上升
沿有效，而另一个是下降沿有效。最终的解决方案是把输入的信号经过一个与非门再输出，从而有效的将脉冲信号取反，从而解决问题。
通过这次课程设计，我经历了一个实用的电路从设计，到EWB仿真，到选择元件，安装，调试等一系列过程。感觉自己进步了不少，知道了很多书本上学不到的知识，比如说对于不知道的芯片，可以去网上下载它的datasheet，了解它的功能。
我觉得布线是我们这个作品的一个缺陷之一，由于之前发的导线用完了，而临时借不到同样的导线，我们就用了细导线，其缺陷是这种线软不容易固定，也就导致了后来的排线有些混乱，有碍了美观，但不影响电路正常工作。
另外仿真软件的选择也存在问题。开始我是使用Multisim 11.0 进行仿真，但发现在74LS48与8端口数码管连接时候，不管怎么设置数码管就是不工作，但同样的图在EWB中却可以正常使用。而EWB在我操作系统VISTA中存在兼容性问题，如打不开元件介绍、元件库缺乏部分芯片资料等等，但这次却只能使用EWB，也是无奈之举。
对于对课程设计的建议，使用面包板进行电路设计有利也有弊，连接电路时候可能比焊接电路板方便一些，并且连错的电路修改起来也很方便，但实际生产中都是做电路板然后焊接的，面包板连接电路跟实际还是有点差距的。用面包板较焊接电路板来说节约了一些时间，但其实焊接板用途更广，更方便，比如面包板在设计二维复杂电路时候会非常麻烦，很浪费空间，但焊接的电路板不存在这个问题，设计更为自由。我们经过了电工实习，对焊接电路也有了一定的心得，如果能再锻炼一下效果会更好。
最后感谢老师的耐心指导，学长学姐的热心帮助。
1)元器件清单
74LS00集成块2块。
74LS30集成块1块。
74LS32集成块1块。
74LS48集成块6块。
74LS90集成块2块。
74LS160集成块4块。
CD4060集成块1块。
74HC74 集成块1块。
22MΩ电阻5个。
22p电容2个。
32.768k时钟晶体1个。
共阴八段数码管6个。
蜂鸣器1个。
开关4个
面包板1块。
导线若干。
2)使用的仪器、工具
示波器。
万用表。
5V电源。
镊子1把。 尖嘴钳2把。
3)原理图
4)作品照片图