电子电路课程设计数字电子钟计时系统的设计与装配

1、淮阴师范学院 引 言 数字电子钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，并且在此基础上，还能够实现整点报时、定时闹钟等功能。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，具有更长是使用寿命，因此得到了更广泛的使用，数字电子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。设计过程采用系统设计的方法，先分析人物，得到系统要求，然后进行总体设计，划分子系统，然后进行详细设计，觉得各个功能子系统中的内部电路，最后进行测试。本课程设计针对数字电子时钟的设计要求，提出了一个个整体设计方案，进行由上而下层次化的设计，先定义和规定各个模块的结果，再对模块内部进行详细设计分析

2、。根据可采用的芯片，设计恰当的模块组合调试，最终在Protues下仿真通过。目 录1、设计指标及要求41.1设计指标41.2具体要求42、设计原理42.1整机的系统框图42.2单元电路的设计53、设计内容与步骤64、参考元器件75、各单元电路的设计方案及原理说明75.1设计方案75.2设计、调试要点76、电路的装配与调试过程86.1电路焊接86.2调试过程86.3数字电子钟电路图96.4调试结果与分析97、设计心得体会 98、参考文献及资料101、设计指标及要求1.1设计指标（1）显示时、分、秒，采用24小时制。（2）具有校时功能，可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位。校时

3、时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟。（3）为了保证计时准确、稳定，建议由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。1.2具体要求（1）画出总体设计框图，以说明数字钟由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向和频率变化。并以文字对原理作辅助说明。（2）设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。（3）选择合适的元器件，设计、选择合适的输入信号和输出方式，在确保电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。在线路板上接线验证、调试各个功能模块的电路。（4）在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和布线，进行合理布局，进行整个数字钟电路的接线调试。2、设

4、计原理 2.1整机的系统框图 如图a，该系统由振荡器、分频器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。石英晶体振荡器和分频器产生整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度。“秒计数器”采用六十进制计数器，每累计60秒向“分计数器”进位；“分计数器”采用六十进制计数器，每累计60分向“时计数器”进位；“时计数器”采用二十四进制计数器，按照“24翻1”规律计数。“时、分、秒”计数器的输出经译码器送显示器显示。校时电路用来当计时出现误差时对“时、分、秒”进行校对调整。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时。时显示器秒显示器分显示

5、器时译码器秒译码器分译码器报时时计数器分计数器秒计数器校时电路 分频器振荡器 图a 数字电子钟的逻辑框图 2.2单元电路的设计 振荡器 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。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。图b为晶体振荡器电路，假设取晶体的频率为100Hz。 yo(100KHz)RF11R150K22M100KHZ3/22pF20pF 图b 晶体振荡器 图c CD4060的原理图 分频器 分频器的功能主要有两个：一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1kHz的高音频信号和500

6、Hz的低音频信号等。 时分秒计数器的设计 分和秒计数器都是模M=60的计数器，其计数规律为00-01-59-00时计数器是一个“24翻1”的特殊进制计数器，即当数字钟运行到23时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为00时00分00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律。 译码显示电路 译码显示电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，并用十进制数显示出来。 校时电路的设计 当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（或称校时）。校时是数字钟应具备的基本功能。校“分”、“时”的原理采用加速校时。“分”校对时利用琴键开关将秒脉冲信号送到分计数器

7、中，使分计数器以秒的节奏快速计数。当分计数器的显示与标准时间数值相符时，松开琴键开关，分计数器继续接受来自秒计数器的输出进位信号，恢复正常工作。同理，“时”校时电路的工作原理与“分”校时电路完全相同。 整点报时电路 当计数器在每次计时到整点前5秒钟时，开始报时。即当“分”计数器为59，“秒”计数器为55时，报时电路发出一控制信号，并要求该信号持续时间为5秒钟，由该信号控制蜂鸣器鸣叫5声。3、设计内容与步骤（1）设计秒脉冲发生器；（2）设计“时”、“分”、“秒”计数器；（3）设计时分秒译码显示电路；（4）设计校时电路、报时电路，安装各单元电路，要求布线整齐、美观，便于级联与调试；（5）测试数字钟

8、系统的功能；（6）画出数字钟系统的详细逻辑电路图；（7）写出设计性实验报告。（8）焊接并调试一个计时系统的PCB成板4、参考元器件一、可预置4位二进制计数器（74HC161）2、 二/五/十进制计数器（74HC290），3、 同步十进制计数器（74HC160），4、 译码驱动器（74LS47），两输入四与非门（74HC00），5、 三输入三与非门（74HC10），6、 双JK触发器（74LS76），7、 石英晶体32.768KHz，8、 七段共阳极数码管（LED），电阻和导线等。5、各单元电路的设计方案及原理说明 5.1设计方案 （1）采用晶体振荡器 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确

9、的32768z的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。 （2）用CD4060和D触发器作分频器 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。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，其次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。D触发器是构成二分频的计数器，这样就得到了1 HZ秒脉冲信号。 （3）采用74Ls90做计时器 5.2设计、调试要点 组装电子钟，注意，器件管脚的连

10、接一定要准确，“悬空端”、“清0端”、“置1端”要正确处理，调试步骤和方法如下： （1）可以先将系统划分为振荡器、计数器、分频器、译码显示等部分，对它们分别进行设计与调试，最后联机统调。 （2）各部件设计安装完毕后，用示波器或频率计观察石英晶体振荡器的输出频率。 （3）将晶振输出的脉冲信号送入分频器，用示波器或频率计观察分频器的输出频率是否达到设计要求。 （4）将频率为1Hz的标准秒脉冲信号分别送入“时“分”、“秒”计数器，检查各级计数器的工作状况。 （5）将合适的BCD码分别送入各级译码显示器的输入端，检查数码显示是否正确。各部件调试正常后，进行组装联调，检查校准电路是否可以实现快速校时，最

11、后对系统进行微调。 （6）当分频器和计数器调试正常后，观察电子钟是否正常地工作。6、电路的装配与调试过程 6.1电路焊接 (1)根据设计好的电路图，进行焊接电路 (2)在焊接电路前，先在万能板对整个电路进行电路的布局，尽量做得整洁美观 (3)焊接电路时，一定要给芯片提供工作电压，要有统一的电源走线，地线走线。 (4)焊接电路时，要胆大心细，别焊错脚了。能尽量走线的就尽量走线，不能的就接导线，导线刚刚好就行了，不能过长。 (5)焊点要合格，不能出现虚焊等情况，否则会接触不良 6.2调试过程 (1)可以分模块调试，分成秒信号发生器电路，秒计数器和显示电路，分计数器和显示电路，时计数器和显示电路，校

12、时电路，正点报时电路，清零电路七大模块来调试 (2)整体调试 (3)调试过程中若发现故障，仔细检查并处理故障6.3数字电子钟电路图 图d 数字电子钟电路图 6.4调试结果与分析 由图d所示的数字中系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联。这里的每一级是指组成数字中的各个功能电路。 级联时如果出现时序配合不同步，或剑锋脉冲干扰，引起的逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。如果显示字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件的电源端Vcc加退藕滤波电容。通常用几十微法的大电容与0.01F的小电容相并联。7、设计心得体会 大二上学期我们学习了数字电子电路和模拟电子电路，

13、对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次对数字钟的设计与制作，让我们了解了电路的设计程序，也对数字钟的原理与设计理念有了一定的了解。我们知道了如何设计出1HZ的信号，也对时分秒的设计有了一定的了解，并且知道在实际电路一般步骤为由数字钟系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路。级联时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引起逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。 同时，在此次的数字钟设计过程中，我们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，也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。

14、虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是我们对待问题时的态度和处理事情的能力。 此外，我们也深刻地体会到设计一个电路前先进行仿真的重要性，更深有体会，最后的成品不一定与仿真时完全一样，所以，在设计时应考虑两者的差异。 最后，设计的时候应该不怕麻烦，反复检测，步步检测，力求每一步都没有错误。 总的来说，我们在这次课程设计中加强了理论知识的学习和提高了动手能力和思考能力以及分析问题，解决问题的能力。 在这次数字电子钟设计过程中，通过自己的努力，成功地完成任务，有种如释重负的感觉，同时，看到成功闹钟的数字电子时钟，心中更多的是一种成就感。在整个课程设计中，我们也遇到了许多的难题。例如显示器无法正常显示数字，刚开始我们还以为是线路接法存在问题，经过多次仔细检查最终问题才得到解决。并最终完成了数字时钟的设计。过程是艰辛的，但结果是令人兴奋的，看着自己设计的东西一分一秒的走着，心理觉得非常有成就感，这两个星期的努力并没有付诸东流。虽然实验已经告一段落，但是我们学习的道路还很长。此次实验让我明