数字时钟电路

1、 摘 要数字钟是一种用数字电路技术实现日、时、分、秒计时的装置，与传统的机械式时钟相比，具有更高的准确性和直观性，且无机械传动装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。小到人们日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。本课程设计要用通过简单的逻辑芯片实现数字时钟。要点在于用555芯片连接成输出1000秒的多谐振荡器，然后经过74LS90构成的分频器输出1HZ的秒脉冲,用74LS160(10进制计数器)连接成60和24进制的计数器,再通过七段数码管显示，外加上校时电路，整点报时电路即构成了简单数字钟。扩展电路可实现定点报时功能。关键字：多谐振荡器；分频器；计时

2、电路；闹钟电路；校时电路；整点报时电路目 录1 设计内容及要求11.1设计目的11.2设计内容和要求11.3创新部分12 系统总体设计方案12.1 数字时钟的组成12.2原理分析12.3基本逻辑功能框图23 器件选择23.1 555集成定时器23.2 74LS16033.3 LED显示屏53.4 4位十进制同步可逆计数器74LS9053.5 4位数值比较器74LS8574 数字时钟的电路设计94.1 时钟振荡电路94.1.1 555多谐振荡器产生1KHz94.1.2 时钟信号发生电路94.1.3 时钟振荡电路的Multisim仿真104.2 分频器电路114.3秒脉冲发生器电路124.4 分脉

3、冲发生器电路134.5 时脉冲发生器电路144.6 校时电路144.7 整点报时电路154.8闹钟功能电路174.9 数字时钟总仿真电路图195 心得体会205.1 关于数字时钟的心得体会205.2 关于收音机的焊接与调试心得体会21参考文献221 设计内容及要求1.1设计目的使学生对电子的一些相关知识有感性认识，加深电类有关课程的理论知识；掌握电子元件的焊接、电气元件的安装、连线等基本技能，培养学生阅读电气原理图和电子线路图的能力。并在生产实践中，激发学生动手、动脑、勇于创新的积极性，培养学生严谨、认真、踏实、勤奋的学习精神和工作作风，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。1.2设计内容和要求

4、(1)稳定的显示时、分、秒。（要求24小时为一个计时周期）(2)当电路发生走时误差时，要求电路有校时功能。(3）电路有整点报时功能。报时声响为四低一高，最后一响高音正好为整点。 1.3创新部分（1）闹钟功能2 系统总体设计方案2.1 数字时钟的组成数字电子钟的电路由秒脉冲发生器、分秒计数器、74LS90（二五十进制加法计数器）、74LS85（比较器）、时间译码及控制门，555定时器，七段数码管等构成。2.2原理分析它由多谐振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、报时电路、校时电路和闹钟电路组成。多谐振荡器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，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译

5、码器显示时间。分频器能将多谐振荡器产生的1kHZ的脉冲分为500HZ和1HZ。2.3基本逻辑功能框图图1 数字时钟基本逻辑功能框图3 器件选择3.1 555集成定时器555集成定时器由五个部分组成：1、基本RS触发器：由两个“与非”门组成2、比较器：C1、C2是两个电压比较器3、分压器：阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。4、晶体管开卷和输出缓冲器：晶体管VT构成开关，其状态受端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。555芯片内部结构图如下：图2 555芯片内部结构图其逻辑功能表如下：表1 555

6、定时器功能表阈值输入（UI1）触发输入（UI2)复位（RD)输出（U0)放电管VT××00导通<2/3VCC<1/3VCC11截止>2/3VCC>1/3VCC10导通<2/3VCC>1/3VCC1不变不变其引脚图如下：图3 555定时器引脚图逻辑符号如下：图4 555逻辑符号图3.2 74LS16074LS160为十进制同步加法计数器逻辑功能描述如下：由逻辑图与功能表知，在CT74LS160中LD为预置数控制端，D0-D3为数据输入端，C为进位输出端，Rd为异步置零端，Q0-Q3位数据输出端，EP和ET为工作状态控制端。当Rd=0时所有触

7、发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。当Rd=1、LD=0时，电路工作在预置数状态。这时门G16-G19的输出始终是1，所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定。当RC=LD=1而EP=0、ET=1时，由于这时门G16-G19的输出均为0，亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。同时C的状态也得到保持。如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出C等于0。当RC=LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态。从电路的0000状态开始连续输入10个计数脉冲时，电路将从1001的状态返回000

8、0的状态，C端从高电平跳变至低电平。利用C端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。逻辑功能表如下：表2 74LS160逻辑功能表CPEP ET工作状态×0×× ×置零10× ×预置数×110 1保持×11× 0保持（但C=0）111 1计数其引脚图如下：图5 74LS160引脚图逻辑功能示意图如下：图6 74LS160逻辑功能示意图3.3 LED显示屏LED是发光二极管Light Emitting Diode的英文缩写。LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使

9、用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。目前LED显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志。管脚分别接输出段的、图形显示如下图所示：图7 LED图形显示图3.4 4位十进制同步可逆计数器74LS9074LS90是异步二五十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0(1)、R0(2)对计数器清零，借助S9(1)、S9(2)将计数器置9。其具体功能详述如下：(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。(2)计数脉冲从

10、CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。(3)若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。(4)若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。(5)清零、置9功能。异步清零当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000。置9功能当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA1001。其功能表如下：表3 74L

11、S90功能表其引脚图如下：图8 74LS90引脚图其逻辑功能示意图：图9 74LS90逻辑功能示意图3.5 4位数值比较器74LS85集成74LS85是4位数值比较器可以用来比较两个4位二进制数A（A3A2A1A0)和B(B3B2B1B0)之间的大小。其比较原理如下：两个4位二进制的比较是从A的最高位A3和B的最高位B3开始，自高到低的逐位比较。只有在高位相等时才需要比较低位。若高位不相等，则两个数的比较结果直接由高位比较结果决定。其功能表如下：表4 74LS85逻辑功能表其引脚图为： 图10 74LS85引脚图其逻辑功能示意图为：图11 74LS85逻辑功能示意图4 数字时钟的电路设计4.1

12、 时钟振荡电路4.1.1 555多谐振荡器产生1KHz多谐振荡器是一种能够产生矩形波动的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。因此，在此我们使用555定时器构成的多谐振荡器来产生1KHz的矩形脉冲信号。4.1.2 时钟信号发生电路图12 555构成的多谐振荡器 图13 多谐振荡器工作波形图用555定时器构成的多谐振荡器电路如图12所示：图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输

13、出矩形波的正、负脉冲的宽度。定时器的触发器输入端和阀值输入端与电容相连；集电极开路输出端接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电。电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电Vc=0v，所以555定时器状态为1，输出Vo为高电平。同时，集电极输出端对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充放电回路的参数。暂稳态的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T10.7（R1+R2）C；暂稳态的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T20.7R2C。因此，振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+R2)C,振荡频率f=1/T

14、。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比D，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，则D1/2，即输出信号为正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）4.1.3 时钟振荡电路的Multisim仿真图14 时钟振荡仿真电路图15 555多谐振荡产生1kHz仿真波形图4.2 分频器电路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500KHz的低音频信号等。因此，可以选用3片我们较熟悉的中规模集成电路计数器74LS90可以完成上述功能。因每片为1/10分频，3片级联则可获得所需要的

15、频率信号，即第1片QA端输出频率为500Hz,第2片QD输出为10Hz，第3片的QD端输出1Hz。 其分频器电路为：图16 分频器电路图 500HZ波形为：图17 500HZ波形图 1HZ波形为： 图18 1HZ波形图4.3秒脉冲发生器电路秒脉冲发生器为六十进制秒计数器。它由两块中规模集成十进制计数器74LS160，一块组成十进制，另一块组成六进制。组合起来就构成六十进制计数器，如图 所示六十进制计数器。六进制采用的是反馈清零法范围为05，当第六个脉冲到来的瞬间清零，构成六进制计数器。秒脉冲发生器电路如下： 图19 秒脉冲发生器电路4.4 分脉冲发生器电路分脉冲发生器的设计为一60进制的计数器

16、，由2片74LS160和1片74LS00组成，分计时电路的计数周期为60秒。触发信号由秒脉冲信号发生器提供，当计数值为59时，下一次触发信号输入时，向前进位并对计数值清零同时开始下一个计数周期。分脉冲发生器电路如下：图20 分脉冲发生器电路4.5 时脉冲发生器电路在数字电子时钟中，时计时时钟周期都为24h，当触发信号输入时，计数器计数1，累计到23后，下一秒开始清零并向前进位，当计数值达到23时，下一个触发信号输入时，计数器清零同时开始进入下一个计数周期。时脉冲发生器电路如下：图21 时脉冲发生器电路4.6 校时电路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

17、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。下面以分校时电路说明其原理。当开关断开时，秒十位进位脉冲和高电平经与非门输出为秒十位进位脉冲取反，校时脉冲和开关的另一端低电平经与非门输出为高电平，高电平和秒十位进位脉冲的取反脉冲经过与非门输出为秒十位进位脉冲，即进入分个位计数器脉冲为秒十位进位脉冲，为正常计时状态。当开关闭合时，秒脉冲进位脉冲和低电平经过与非门为高电平，校时脉冲和高电平经过与非门输出为校时脉冲的取反，高电平和校时脉冲的取反经过与非门输出为校时脉冲，即进入分个位计数器脉冲为校时脉冲，进入校时状态。时校时电路原理同分校时电路，此处不在介绍。器件选择方面，与非门可选74LS00，

18、在实际应用中须对开关的状态进行消除抖动处理，需加2个0.01uF的电容。校时电路如下： 图22 校时电路4.7 整点报时电路实验要求为报时声响为四低一高，最后一响高音正好为整点。前4次为低音500Hz，最后一声为高音1000Hz。其主要原理如下：4声低音（约500Hz）分别 在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1000Hz）发生在59秒，它们的持续时间为1秒。59分用二进制码表示为（0101 1001），51秒（0101 0001），53秒（0101 0011），55秒（0101 0101），57秒（0101 0111），59秒（0101 1001）。当时间为59分51秒时

19、，（分十位QC,分十位QA,分个位QD,分个位QA）=(1 1 1 1)，则反相器U7A输出为高电平，（秒十位QA,秒十位QC,秒个位QA)=(1 1 1),则反相器U8A输出为高电平；秒个位QD=0，则U4A输出为高电平，U5A输出为500HZ波的反向波，则U6A输出频率为500HZ波，高电平和500HZ波经过U3A和U10A输出频率为500HZ的波，从而使蜂鸣器工作，为低音。53秒、55秒、57秒与51秒时原理相同，不再重诉。当时间为59分59秒时，（分十位QC,分十位QA,分个位QD,分个位QA）=(1 1 1 1），则反相器U7A输出为高电平，（秒十位QA,秒十位QC,秒个位QA)=(

20、1 1 1),则反相器U8A输出为高电平；秒个位QD=1，则U4A输出为1kHZ波的反相波，U5A输出为高电平，则U6A输出频率为1KHZ的波，高电平和1KHZ的波经过U10A输出频率为1kHZ的波，从而使蜂鸣器工作，为高音。其电路图为：图23整点报时电路报时时脉冲波形为：图24 报时时脉冲波形图（1）图25报时时脉冲波形图（2）4.8闹钟功能电路由6片74LS85数据选择芯片串联，分别将时分秒的各个输出端按照从上到下接到每个85芯片的B3B2B1B0端，然后将85芯片各个A3A2A1A0接到一个双向开关，开关的另为两端分别接到高电平上与地线上。当这样接入时，如果我们需要设定闹铃，就用85芯片

21、连接的开关进行置数，当计时模块的输出端输出的数据与我们置入的数据相同就会从第一块85芯片的OAEQB端口输出一个高电平，将这个高电平与蜂鸣器相连就会在那个时刻产生蜂鸣。达到闹钟的功能。电路图为：图26闹钟功能电路图闹钟工作时的波形为：图27闹钟工作时的波形图 4.9 数字时钟总仿真电路图图28数字时钟总仿真电路图5 心得体会5.1 关于数字时钟的心得体会通过对软件Multisim的学习和使用，进一步加深了对数字电路的认识。在仿真过程中遇到许多困难，但通过自己的努力和同学的帮助都一一克服了。首先，在设计秒，分脉冲时钟电路是应用两片74LS160级联应用置数法设计一个60进制计数器，秒进位给分时，

22、当显示59秒时，立即变为1分钟，冥冥之中少了一秒，后来经过比较清零法和置数法的不同，此处使用清零法比较妥当，试验结果为59秒后下一个脉冲到来时才变成1分钟。调试时有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以得换不少器件，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。在设计时脉冲发生器电路时，多设计了一个小时，后来经队友指出改正。同时，在最后仿真时，数字时钟电路所加的脉冲信号为1HZ脉冲信号，结果仿真结果反应很慢，后把频率加大为50HZ，并且在交互仿真设置中改变了部分初值，这才在短时间内就能看到全部结果。这次课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自

23、己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。理论与实践相结合才能更好理解学习的知识，这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多数字钟电路，这些都是我们自己可以实现的，以前那些神秘的东西在不断的学习过程中变得不再那么神秘，我相信，以后还有更多的谜底被揭开。通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。这次的设计电路我用到了计数器、比较器等器件，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。总之，通过这次对数字时钟的设计与仿真，为以后的电路设计打下良好的基础，一些经验和教训，将成为宝贵的学习财富。5.2 关于收音机的焊接与调试心得体会焊接收音机的主要目的就是锻炼我们的动手能力，掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊接。并且让我们熟悉电子产品的安装工艺的生产流程，印制电路板设计的步骤和方法，能够根据电路原理图，元器件实物。了解常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围。能够正确识别和选用常用的电子器件，了解电子产品的焊接、调试与维修方法。所有的元件都由我自己独立焊接完成。在焊接前，一定要看清电阻阻值的大小，看清电容、三极管的极性。在焊接