数字钟课程设计

1、目 录第一章 多功能数字钟设计思路及组成框图11.1 数字钟的设计总体思路11.2 数字钟的基本原理及框图1第二章 单元电路设计22.1 秒脉冲产生电路22.1.1 时钟振荡电路22.1.2 秒脉冲产生电路32.2 计数电路32.2.1 小时计时32.2.2 分钟秒计时42.3 译码与显示电路42.4 校正电路52.5 整点报时电路6第三章 安装与调试73.1 调试电路的方法73.2 整体原理图与调试7第四章 故障分析与电路改进94.1 故障分析94.2 电路改进9第五章 总结与体会10附录：元器件清单11参考文献12第一章 多功能数字钟设计思路及组成框图1.1 数字钟的设计总体思路多功能数字

2、钟是我们日常生活中常见的一种物品，该数字钟具有一些基本功能。例如，要有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间功能，有手动校正功能以及整点报时的功能。数字钟的电路也是由时钟振荡电路、秒脉冲产生电路、计数电路、校时校分电路和整点报时电路。其中，计数电路有小时计数分钟/秒计数，小时计数是24进制计数电路，分钟和秒计数是60进制计数电路。在计时和计分出现误差时电路还可以进行校时和校分，并且要用数码管显示时、分、秒，各位均为两位显示。数字钟的基本原理及框图 数字钟是一种采用数字电路技术实现“时”、“分”、“秒”数字显示的计数装置。它其实是一个对标准频率（1HZ）进行计数的电路，由于计数的起始时间可能与

3、标准时间（如北京时间）不一致，故需在电路上加一个校正电路，同时标准的1HZ时间必须做到准确、稳定，通常使用石英晶体振荡器电路构成。多功能数字钟一般由振荡器分频器计数器译码显示报时校正等电路组成。其构成框图如图1所示，其中，振荡器和分频器组成秒脉冲信号发生器，秒信号送入计数器进行计数，把累加的结果显示出来，可进行整点报时，计时出现误差时，可以用校正电路进行校时和教分。 图1 多功能数字钟组成框图第二章 单元电路设计2.1 秒脉冲产生电路数字钟是对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路，因此这里需要一个秒脉冲产生电路，这里采用的是555多谐振荡器产生1kHZ脉冲频率，然后再用分频电路进而产生秒脉冲。

4、2.1.1 时钟振荡电路时钟振荡电路原理图如图2所示。数字电路中的时钟是由振荡器产生的，振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。图2 时钟振荡电路 利用555定时器构成的多谐振荡器，是一个由555定时器构成的1kHZ脉冲发出电路，脉冲信号从OUT引脚输出，通过改变电路中的电阻和电容可以得到不同的频率的脉冲，这里我们可以调节电位器R2的阻值来控制输出的频率，上图中C1电容为抗干扰电容，而R1、R2、C的具体值可以由公式计算得到，这里取R1=28.86，R2=57.72，C1=C2=10,这样就可以产生1kHZ脉冲。 2

5、.1.2 秒脉冲产生电路 对上面的时钟振荡电路产生的1kHZ脉冲经过三次分频之后即可产生秒脉冲，其原理图如图3所示。图3 秒脉冲产生电路74LS160是十进制计数器，它在级联是要注意两个使能端EP、ET的设置，只有两个均为高电平时才能计数，当第三级控制时一定是第一级和第二级一同控制第三级。其中，第二级的EP和ET由第一级的RCO控制，第三级的EP由第二级的RCO控制，而ET由第一级的RCO控制，这样保证了第三级的进位是前两个芯片计满溢出时。2.2 计数电路时间计数器模块有时计数、分计数和秒计数等几部分。可以用很多种方法构成计数器，如可预置BCD数器74LS161、可预置四位二进异步清零计数器7

6、4LS160等，可用清零法或者置数法来实现。本设计采用了74LS160，用两块芯片进行级联来产生60进制，24进制。“时”、“分”、“秒”分别是24、60、60进制的计数器，可以用两片十进制芯片74LS160进行反馈清零或者置数获得所需要的进制。2.2.1 小时计时 小时计时是24进制计数电路的设计，可以用十进制芯片74LS160进行级联来实现，这里采用反馈清零来实现24进制。在24（00100100）处取出所有为1的端口直接加与非门，然后输出接到74LS160的清零端，使用清零法完成24进制，计数范围为0到23。为了加快调试速度，这里使用1kHZ信号源，以下相同。小时计时的24进制计数器如图

7、4所示。图4 小时计时的24进制电路2.2.2 分钟秒计时同小时技术一样，分钟及秒计时也是用两块十进制芯片74LS160进行级联而构成，不同的是，这里要求是60进制计数。这里采用的反馈置数的方法来实现其功能。其计数范围是0到59。其原理图如图5所示。图5 分钟秒计时的60进制电路2.3 译码与显示电路计数器实现了对时间的累计以8421BCD码的形式输出，选用显示译码电路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,译码与显示电路是由译码器74LS48（74LS47）与显示器在共阴（共阳）方式下共同来组成。本设计选用74LS48作为译码电路，选用七段共阴LED数码管作为显示单元

8、电路，图6所示为秒部分的译码显示单元，其他部分小时和分钟的译码显示单元与之完全相同。图6 译码与显示电路2.4 校正电路当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：首先截断正常的计时通路，然后在进行人工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，数字钟应具有校正时间功能，因此，应截断分个位和时个位的直接到计数通路，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，而且在校正分钟应截断分向时的进位信号，以免在校正分的时候影响小时的状态，从而引起对小时不必要的重新校正。这里的校正电路设计较为简单，由两个开

9、关J1和J2分别控制时和分的校正。图7所示为本设计的校时和校分电路。图中J2控制小时的校正，J1控制分钟的校正，可以手动控制J1和J2的开闭，从而达到校正小时和校正分钟的效果。这里为了加快调试速度，也使用了1kHZ的信号源。图7 校正电路2.5 整点报时电路整点报时电路要求每个整点前指示灯闪五次,整点时再闪烁1次。这里的整点报时前五声低音是将59分50秒的进位信号和秒个位的用与门连起来，则每当“分”和“秒”计数器计到59分50秒时，指示灯在10秒内闪烁5次。每隔1秒叫1次，即在51秒、53秒、55秒、57秒、59秒时，指示灯各闪烁一次。而整点的高音报时是通过D触发器来实现的，将59分59秒的计

10、数信号接入D触发器，经过D触发器后，信号延时，即为整点时的信号，此时指示灯再闪烁一次。这样就可实现了每个整点前闪烁五次,整点时再闪烁一次。整点报时原理图如图8所示。 图8 整点报时电路第三章 安装与调试3.1 调试电路的方法 进行试验是要达到试验的目的，取得满意的试验结果，不仅取决于电路原理和测试方法的正确性，而且还与电路安装的合理性紧密相关。 本设计选择在电路板上调试，由于使用时，可将元器件简单的在插件电路板上插入或拔出，可快速的改变电路布局，元件可长期重复使用。安装与调试过程应按照先局部后整体的原则，根据信号的流向逐块调试，使各个功能块都要达到各自技术指标要求，然后把它们连接起来进行统调和

11、系统测试。调试包括调整与测试两部分，调整主要是调节电路中的可变的元器件或更换元器件，使之达到性能的改善。测试是采用电子仪器测量相关点的数据与波形，以便准确判断设计电路的性能。在装配前必须对元器件进行性能参数测试，测试完成后再在电路板上安装。然后要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的找出来错误所在并及时纠正了。3.2 整体原理图与调试通过上述的单元模块电路的分析最终产生图9所示的多功能数字钟整体原理图。按照原理图进行元件的安装，安装完成进行调试。 图中的秒脉冲产生电路分为时钟振荡电路和分频电路。其中时钟振荡电路采用的是555定时器、电容、电阻构成的，分频电路是通过74LS

12、160级联实现的。经过调试后时钟振荡电路产生的是频率为1kHZ的脉冲信号，然后经过分频电路后变成了1HZ的秒频率，这样就实现了秒脉冲的产生，秒脉冲产生电路模块调试通过。计数电路是通过使用十进制计数器74LS160级联实现60进制和24进制，至于怎么连接，在上面单元模块电路中已经说过，这里就不再多说了。经过调试，输入秒脉冲产生电路产生的秒脉冲计时电路可以实现范围为0到23的计时，计分和计秒电路可以完成0到59的计时，且秒计数到59后会使分计数加1，分计数计到59后使时计数加1。这样，计数电路模块也调试通过。显示译码电路由共阴数码管和74LS48构成。在进行计时、计分及计秒调试过程中，相对应的显示

13、译码电路可以正常显示计数结果。显示译码电路模块也调试通过。校正电路是通过拨动开关J1、J2来控制的，J2控制分位的校正，然后来回拨动J2,就能完成时分为的校正，J1控制时位的校正，来回拨动J1完成时位的校正。调试过程中，能够通过J1和J2来进行校时和校分，这样说明校正电路也是能正常工作的，校正电路模块调试通过。整点报时电路进行仿真调试时是通过两个指示灯X1和X2和暗灭来判断电路功能实现的与否。在调试时，当计时电路的计分电路显示59，计秒电路的显示50后，即在51秒、53秒、55秒、57秒、59秒时，指示灯X1亮，在59分59秒的下一时刻，即正好整点时，指示灯X2亮（也可以将报时输出的两个端口用

14、一个与门接到一个指示灯上，这时灯会闪烁6次），符合所预期的结果，整点报时电路模块调试通过。进行整体调试时，所有的功能都能实现。这样，就完成了调试。 图9 多功能数字钟整体原理图第四章 故障分析与电路改进4.1 故障分析 经过连续两天的认真设计，一个完整的数字钟可行方案顺利产生，为了验证自己的方案是否可行，开始了电路的安装调试。 拿到元器件和接线后，认真的对它们进行了测试，发现有几根线是断的，然后进行了更换，在电路板上进行安装，电路安装好工作时数码管显示以很快的速度乱跳，估计为某几条导线连接不牢，经用触碰不同地方的方法仔细检查后，的确发现有几条导线连接不牢，换上新的导线后问题得以解决。其次是刚进

15、行计数电路调试时，发现计数电路不能实现相应范围的显示与变化，检查过后才发现在进行仿真中74LS160的CP是下降沿有效，而调试时74LS160实际上时上升沿有效，然后就对有关的CP输入进行相应的变化，这样就解决了问题。最后，进行校正电路调试时，按下和松开开关按钮时，数码管上的示数发生很大的变化，经过分析，这与开关的抖动有关，于是对校正电路进行了改进。4.2 电路改进校正电路中开关的抖动效果会影响数字钟的技术显示，则把其中的校正电路更换成如图10的校正电路改进电路。这里利用SR锁存器把状态锁存下来，可以避免开关抖动造成的影响，则把改进后的电路在整体原理图中作相应的更换即可。图10 校正电路的改进

16、电路第五章 总结与体会 最近，我们进行了数字电子技术的课程设计，我分到的任务是一个多功能数字钟的设计，刚开始接触到题目时，感觉有些无从下手，以为设计过程十分复杂，既有方案可行的要求，又有相应芯片的选择，各模块的设计等等。后来听了老师的讲解，图书馆查阅资料以及通过上网查阅资料，慢慢的有些头绪了。 分析题目可得本次设计的重点在于设计多功能数字钟，然后把各相应模块电路连接起来。在实验过程中调试是一个很复杂有繁琐的过程的，这就要求有耐心并分析观察到的结果。在实验过程中，对校正电路和整点报时电路模块的设计花费了太多时间，在调试过程中也遇到到一些小麻烦，比如计数电路不能正常进位，校正电路不能正常进行校正以

17、及整点报时电路不能正常报时等等。我和我合作的同学耐心的进行了检查与改进，但当调试完成后，心里感到了小小的安慰，感觉自己的辛苦没有白费。通过本次课程设计，我加深了对数字电子技术所学内容的巩固。我进一步学习了电子电路的设计方法以及Multisim 9软件的使用，增强了自学能力和分析解决实际问题的能力，培养了独立思考、认真踏实的工作习惯，同时还巩固了常用的软件和仪器仪表的使用。并认识到理论与实践相结合是十分重要的，只有理论知识是远远不够的，要通过实践来提高自己的动手能力。总之，这次课程设计让我受益匪浅，学到了很多东西。最后，感谢老师的指导与同学们的帮助！感谢和我合作的同学，没有我们的精诚合作与共同进步，就没有我们出色的成果。附录：元器件清单元件序号型号数量U1574LS001U1374LS041U1474LS081U1、U2、