多功能数字钟设计报告+程序+原理图
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1 实验设计报告 项目名称： 多功能数字钟电路设计 作者姓名： 指导教师： 年级专业： 所在学院：
提交日期 2
摘要 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。 现代生活的人们越来越重视起了时间观念，可以说是时间和金钱划上了等号。对于那些对时间把握非常严格和准确的人或事来说，时间的不准确会带来非常大的麻烦，所以以数码管为显示器的时钟比指针式的时钟表现出了很大的优势。数码管显示的时间简单明了而且读数快、时间准确显示到秒。而机械式的依赖于机械震荡器，可能会导致误差。 数字钟是采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。在这次设计中，我们采用LED数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，用12MHz的晶振产生振荡脉冲，定时器计数。在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。数字钟以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的使用。 数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。 因此，我们此次设计与制做数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。 3
目 录 第一章：设计要求„„„„„„„„„„„„„„„ 1 第二章：方案论证„„„„„„„„„„„„„„„ 2 第三章：单元电路设计与计算„„„„„„„„„„ 13 第四章：软件设计„„„„„„„„„„„„„„„ 20 第五章：系统测试„„„„„„„„„„„„„„„ 36 第六章：结论„„„„„„„„„„„„„„„„„ 38 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 39 附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 40 4
第一章：设计要求 1.1 基本要求 1.1.1 时钟功能 设计一个具有时、分、秒计时的数字钟电路，计时采用24小时制。数字钟用6位LED数码管显示时、分、秒的计时值。那么显然分、秒对应的两块LED数码管应分别设计为十进制和六进制以组成实际生活中的六十进制要求。而时对应的两块LED数码管则应当合在一起满足二十四进制的要求。 1.1.2 准确性要求 设计出的时钟电路要确保高精度的要求，每天的误差不得超过±1秒。
1.2 扩展要求 1.2.1 快速校时 设计出的电子钟应当具有快速校准时间的功能。要求能够快速的对时和分进行校准。 1.2.2 整点报时 每当电子钟走到整点时刻时候，能够发出特定的声音讯号来进行整点报时。 1.2.3 闹铃功能 要求能设定起闹时刻，响闹时间为1min,超过1min自动停止；具有人工止闹功能，止闹后不再重新操作，将不再发生起闹。
1.3 自创功能 1.3.1 倒计时 要求电路能够切换为倒计时状态，倒计时的时间可以自行控制，并且能够随时开启计时或者暂停计时。当倒计时为全零时保持不变。此功能不应该对正常的闹钟走时产生影响。
1.3.2 二十四小时计时制与十二小时计时制转换 要求设计电路，能够快速的在二十四小时制和十二小时计时制之间转变，并且在十二小时制状态，设计一定的区分功能，以便于区别是上午还是下午。 5
第二章：方案论证 2.1 数字钟的基本组成 数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路，其基本组成电路图如下所示：
图中，秒脉冲发生器产生秒脉冲，作为图中各个计数器的脉冲信号。分、秒计数器要求设计为六十进制计数器；时计数器则设计为二十四进制计数器。时、分、秒的计时结果分别送入译码器中，经译码器翻译后，共由六个LED数码管显示出结果。因此，使用计数器作为计时电路是可以实现的。本次试验采用的是74LS163计数器。
2.2 计数器 不论想用计数器连接成多少进制的形式，都有两种方案可以进行选择，那就是同步连接方式和异步连接方式。
2.2.1 同步连接方式 同步连接方式就是把所有的计数器的CP端都接上统一的秒脉冲信号，通过控制使能端等方法来实现控制进制的方法。由于计数器都带有使能端，只有使能时后，收到脉冲信号才能进行计时，而非使能的时刻，即使有脉冲信号，也不能计时。因此，通过低位信号来控制高位信号使能端的电位高低，来决定高位信号是否计时，就能够达到扩展技术范围，达到预定进制要求的目的。下图分别为同步六十进制和二十四进制计数器的连接图： 6
2.2.2 异步连接方式 而异步连接方式则是将不同的计数器CP端接上不同的脉冲信号，通常只有最地位的CP端才会直接加上秒脉冲信号，而高位CP端接低位的进位信号作为脉冲信号。此时不论高位还是低位，使能端统一接为高电平使能，当出现低位的进位信号时，高位立即计数一次，这样也能够达到拓展计数范围的目的。下面是异步方式连接的六十进制和二十四进制图： 7
2.2.3 方案比较 根据上面的电路图进行初步比较，不难发现，异步连接方式比同步连接方式连线要简单许多。但是，异步连接相当于一种级联，上一级的信号变化对下一级的输出信号有很大的依赖性，并且很容易受到外接的干扰。也就是说其可靠性则比同步方式差很多。 因此，出于时钟准确度以及后续功能添加的考虑，我决定所有计数器均连接为同步方式。而具体的六十进制和二十四进制的连线方法，将在下一章仔细阐述。
2.3 秒脉冲发生器 2.3.1 振荡电路的选择 可以产生周期性信号的振荡电路有很多种，如RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器、集成运放组成的非正弦波发生器、集成门电路构成的非正弦波振荡电路，以及利用555集成定时器组成的波形发生电路等。 但是，在实验基本要求中，有着要实现每天误差不超过±1秒这项指标的要求，平均到每一秒钟，精确度要求大致在10-5次方数量级。这就决定了不能随便使用其他方法的振荡电路，而只能使用精度最高的以晶体振荡器作参考的振荡电路。原因是，晶振电路的振荡频率几乎与外界电路没有关系，而只与晶体本身的形状、密度等状态相关联，因此晶振电路能够有效地屏蔽掉外界干扰，能够达到实验中对精度的要求。常见的晶体振荡器及低频振荡电路如下图所示：
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2.3.2 分频电路 直接用晶体振荡器合成的电路频率很高，没法达到秒脉冲的要求，因此还需要分频电路来控制频率。分频电路，其实与计数电路的原理几乎完全形同。观察下面的基本计数器的波形图就可以发现，计数器的第n位，就能够将原本的脉冲波形将为原来的2的n次方分之一。这就是分频电路的基本原理。
本次试验选择CD4060作为分频器使用，它是一个14级二进制计数器，配合我们选择的晶振频率最低的晶振电路，刚好能够将脉冲波形最终变为2Hz，此后只需要在可编程逻辑器件中再进行二分之一分频既能够达到电路的要求。基本的分频电路图如下所示：
其具体设计方案会在下一章中详细讨论。 2.4 校时电路 作为一个时钟，显然应当具有校时的功能。由于时钟电路中，采用的是计数器来进行计时，那么利用技术其引脚的功能，可以选择采用快速脉冲法和置入数据法两种方法来进行时间的调整。 （注：其中每一种方法里面，同步连接方式和异步连接方式又会有一定的差别，由于上面已经确定选择用同步连接方式，因此下面都只会讨论同步连接方式中的电路内容。） 9
2.4.1 快速脉冲法 快速脉冲法，顾名思义，就是给时和分的计数器的CP端加上一个快速脉冲。由于设计的时钟电路是用计数器对脉冲计数来表示时间的进展，因此，如果加上一个比平时快得多的CP脉冲，那么就能够让它们以比平时快得多的速度进行计时，最终达到时间调整的目的。其基本电路图如下所示：
2.4.2 置入数据法 而置入数据法，则是利用计数器本身自带的置数端，利用外加的数据拨码盘，将预先想调整的时间拨出，当计数器的置数端收到相应的信号之后，就把预定时间置入电路当中，从而一次性改变电路显示的时间，也能达到时间调整的目的。其基本电路图如下所示：
2.4.3 方案选择 上面两种方案可以说各有利弊：置入数据法使得调整时间的过程比较简单和直接，做到了用尽可能短的时间来调整，但是由于置入数据需要用拨码开关，因此要把需要的时间转换为二进制输入，而且电路连接也十分复杂。快速脉冲法连接简单，并且校时的方法也比较直观，通过两个按钮，就能直接改变时或者分的数值。缺点是校时过程比较费时，没有置入数据法那么直接。权衡利弊，最终我选择了快速脉冲法来进行校时。
2.5 整点报时电路 2.5.1 连续五声报时电路 连续五声报时电路，即希望在整点到来之前，能够发出五声的迅响信号，在最后一次10
迅响信号结束的一瞬间，即为整点的时刻。用波形图来表示即如下图： 由波形图可以看出，控制信号2的一次脉冲响应，应当能够引起报时电路的一些列响应，毫无疑问需要用到触发器来实现。当控制信号2使得触发器出发后，报时信号随着秒脉冲的进行而开始了每秒钟的报时。当5声报时结束后，达到整点时刻，也就是控制信号1清零的时刻，此时只需要用控制信号一对触发器清零，就可以停止报时信号的响应，最终达到五声报时的目的，其连接电路图如下所示：
2.5.2 一声报时电路 一声报时电路原理比较简单，只需要在整点的前后一秒中，发出一次迅响信号即可。只需要将秒向分的进位信号以及分向时的进位信号用一个与门连接在一起，就代表了整点的信号。将这个信号作为蜂鸣器的控制信号，就可以方便的实现一声报时电路。其基本电路图如下所示：
2.5.3 方案选择 关于整点报时电路的选择，并没有特别大的影响，其实选择哪种方案对与电子钟的功
