基于数字电路的电子钟

1、课程设计说明书目 录摘要、关键词.11、 前 言 . 22、总体方案设计 . 32.1初步设计方框图 . 32.2方案比较及选择 . 32.2.1时钟源的选择 . 32.2.2计数器的选择 . 42.2.3数字显示器的选择 . 63、单元模块设计 . 63.1 时钟源设计 . 63.1.1一秒时钟源模块图 . 63.1.2功能及参数说明 . 63.2 计数器的设计 . 83.2.1 功能及参数说明 . 83.2.2 分、秒计数器 . 103.2.3 时计数器 . 114校时及功能 . 125、整点报时功能 . 216、正5V电源设计 . 217软件设计 . 148、系统功能及指标参数 . 20

2、9、设计总结 . 2110、 致谢 . 2211、 参考文献 . 2312、 附 录 . 24摘要：课程设计说明书时钟的工作原理很简单，由秒，分，时三位构成。进行六十秒进一分，六十分进一小时，二十四小时为一个大的系统工作周期，即为一天。在进位的问题上可考虑对本位采用反馈清零法，秒，分十位周期为六，作为进位周期。主要问题在秒信号的选择上，采用晶振分频的方法得到稳定高精度的秒脉冲信号，本系统的门电路全部采用低功耗，稳定性好的CMOS门电路，从而使整个系统的精度得到提高。校时和报时电路分别由门电路和555定时正当系统构成，校时电路采用快速校时法，报时电路的报时信号由分十位进位信号提供。关键词：计数器

3、，CC4518，CC4511，NE555，七段译码器，555振荡器，电容，电阻，晶体三极管,蜂鸣器，扭子开关。Summary：The working principle of the clock is very simple, by seconds, minutes, when the three pose. Carried out in a sub-60 seconds, six very into one hour, round-the-clock system for a large duty cycle, which is one day. In the binary may cons

4、ider the issue of feedback on the use of zero-based method, seconds, 10 cycles at six, as a binary cycle. The main problem in choosing the second signal, using the method of crystal frequency stable high-precision pulse signal, the gate circuit of the system all use low-power, stability, good CMOS g

5、ate circuit, so that the accuracy of the entire system be improved.Time and time gate circuit, respectively, and 555 from time to time constitutes a legitimate system, school fast circuit law school, the newspaper of the time signals from the circuit 10 minutes into the digital signal to provide。Key

6、words:Count the machine,CC4518s,CC4511s, NE555, seven the segments translate the code machine, the 555 flaps the machine , electric capacity, electric resistance, crystal triode transistor,buzzer，switch.1课程设计说明书1、 前 言随着社会的进步和科技的飞速发展，人们发明了各种各样越来越先进的计时工具，从古代的沙漏，到30年前还非常普遍的机械钟表，再到如今的电子表、原子钟等。人们发明的计时工具越

7、来越可靠，计时越来越精确，使用和携带越来越方便，功能也越来越多（如秒表、定时等功能）。人们对计时工具的依赖程度也越来越高。数字显示电子时钟就是目前使用最普遍的计时工具之一。尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片，价格便宜，使用也非常方便。鉴于数字钟电路的基本组成包含了数字电路的主要组成部分，为了帮助同学们将已经学过的比较零散的数字电路的知识能够有机的、系统地联系起来用于实际，培养综合分析、设计电路的 能力，进行数字钟的设计是必要的。系统的工作原理：由振荡器产生稳定的分频脉冲信号作为数字钟的时间基准，然后经过分频器输出标准的秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位，分计数器满60后向小时计数器

8、进位，小时计数器按“24翻1”规律计数。计数器的输出分别由译码器译出后送显示器显示。当计时出现误差时，可以用校时电路校时时和分。在数字显示方面，本设计采用七段数码管显示，非常直观。本设计是最基本的数字电子钟，实现了时间的显示与校时，并对定时闹钟，日等的功能实现打下了基础。在这个基础上，加上寄存器可以实现闹钟的定时功能，对于星期的显示只需对时进行计数就可以做到，至于日期要复杂一些，因为日期不是每个月的天数都一样的，还要考虑闰年的情况，用单纯数字电路极难实现，用单片机或CPLD才好实现，所以日期只作探讨。2课程设计说明书2、总体方案设计2.1初步设计方框图图2.1 电子时钟设计方框图2.2方案比较

9、及选择2.2.1时钟源的选择在本设计中，振荡器是计时器的核心，主要用来产生时间标准信号（也叫基信号）。数字钟的精确主要取决于时间标准信号的频率及稳定度。时钟源（秒脉冲信号）可由555组成的多谐振荡器构成，如图2.1.2所示。经过参数计算可将振荡器做成频率为1Hz的振荡信号作为时钟源，但此方法精度和稳定性均达不到设计要求，所以不用此方案作为信号源。3课程设计说明书图2.1.2 555振荡电路石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。它还具有压电效应，在晶体某一方向加一电场，则在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从而使机械振动和电场互为因果

10、，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时才达到最后稳定。石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分为二氧化硅（SiO2）。石英晶片所以能振荡是基于它的电压效应。若在极板间加交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电压。一般说来，这种机械振动的振幅较小，振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片固有频率相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，所以称为石英晶体振荡器。它的品质因数Q处于高达10 000500 000的范围内。其他元件和杂参数对振荡频率的影响极微，故频率稳定度高。利用此点我们将32768的频率通过4060分频得到时间间隔

11、是两秒，在经过D触发器分频将其频率变为1HZ。4060元件图如图2.1.3所示。D触发器元件图如图2.1.4所示。4课程设计说明书图2.1.2 4060图2.1.2 D触发器石英晶体振荡器的方案精度高，稳定性好，达到了设计要求，故采用此方案。5课程设计说明书2.2.2计数器的选择图2.3.1 10进制计数器CC4518在本设计中，只要是十进制或十进制以上的计数器都可以做为秒、分、时计数器。一般使用十进制计数器较简单。CC4511是一种同步十进制加计数器，它是CMOS集成电路，由两个相同的同步4级计数器组成， 可以分别组合成二、五、十进制计数器。用两个CC4511级联可以组成60进制计数器（分、

12、秒计数器），也可以组成24进制计数器（时计数器）。2.2.数字显示器的选择本设计中需要用7段LED数码管来显示时间，因此需要用到BCD码七段译码驱动器。此类译码驱动器型号有74LS47（共阳）、74LS48（共阴）、4511（共阴）等驱动器来驱动共阴LED数码管。课程设计说明书图2.3.1 七位共阴驱动器CC4511选择 CC4518（时、分、秒计数器）、七段LED共阴数码管、以及74LS00（与非门）、与门、非门等。在下一章中将详细介绍各元器件以及它们组成的单元模块的功能、参数等。 7课程设计说明书3、单元模块设计3.1 时钟源设计 3.1.1一秒时钟源模块图图3.1 一秒时钟源3.1.2功

13、能及参数说明图3.1是由石英晶体振荡器与4060一起。总的经过一次分频。将32768的频率通过4060分频后变为2HZ,再经过D触发器进行再次分频（2分频），最终得到稳定的1Hz时钟源。其原理和计算过程是，4060作为14位加法计数器，将32768Hz分频为2Hz（32768/2e15=2），再经D触发器二分频为1Hz的信号。3.2 计数器的设计3.2.1 功能及参数说明CC4518是4位二进制同步加计数器如图3.3所示，MR为同步清零端，E为控制信号输入端（高电平有效），CP为计数脉冲输入端，Q0、Q1、Q2、Q3为计数器状态输出端。8课程设计说明书图3.3 CC4518由表3.3.1可知，

14、CC4518计数器级为D触发器。内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数。在单个单元运算中，E保持高电平，且在CP上升沿进位。MR线为高电平是时，计数器清零。表3.1 4518的功能表表3.1是的功能表。有表可知，74LS161具有以下功能：1) 异步清零 当MR=1时，不管其他输入端的状态如何（包括时钟信号CP），计数器输出将被直接置零，称为异步清零。2) 保持 在MR=0,CP不是上升沿，或者CP=0,E不是下降沿的情况下，计数器将保持原有状态不变。9课程设计说明书3) 计数 MR=0,CP为上升沿，其状态表如下：表3.2 CC4518计数时的状态表3.2.2 分、秒计数器图

15、3.4就是由两片集成CC4518级联组成的60进制计数器，可以作为分、秒计数器。CC4518 (U7B)中，时钟源通过9脚输入计数脉冲，4518计数，此时对秒十位是十进制，通过对4518的特性可知，当CP为低点平时，E有下降沿动作仍会计数，当秒个位记到“9”时，BCD码为1001，再记一次数返回0000，将各位到十位的信号定为秒个位计数器的Q3位，从“9”返回“0”时Q3得到了一个下降沿，秒十位又一直是接地的，从而秒十位得以计数，利用了CC4518的这一特性得到了一个60进制的秒计数器，再将秒十位的即U7A的Q1，Q2分别接在一个与门U4B的输入两端，输出端作为清零信号，让计数器从59跳到0，

16、同时作为进位信号，作为分个位的计数信号，从而达到60秒一分钟的要求。分计数器的原理同秒计数器相类似，同样两个4518计数，分个位的的信号由秒进位信号获得，分十位CP端接地，计数由E端完成，分进位信号，仍然是由分十位Q1Q2完成。10课程设计说明书图3.4.1 秒计数器图3.4.2 分计数器3.2.3 时计数器时计数器的模块图如图3.5所示。时计数器的工作原理与分、秒计数器相似。11课程设计说明书这里只陈述一下时计数器的不同之处。将反馈清零信号的与门输入分别接在高位的Q1，地位的Q2，这样就构成了“2”“4”反馈清零，达到了“24小时制”的目的4511功能介绍：A、B、C、DBCD码输入端。QA

17、、QB、QC、QD、QE、QF、QG译码输出端。 LT测试输入端，LT =1时，译码输出全为1。 BI消隐输入端，BI=1时，译码输出全为0。LE锁定端，LE=1时，译码器处于锁定（保持）状态，译码器输出保持在LE=0时的数值。当LE=0，LT=0，BI=0时为正常译码。12课程设计说明书图3.6译码驱动器和数字显示器至此，各基本单元模块都已设计完毕，下一步是把各单元模块连接起来，组成一个整体，使其达到预期的目的。我们可以用仿真软件来把它仿真出来，看它是否达到了设计的预期效果。13课程设计说明书方法一图4.1.1，手动脉冲法校时是为了实现让其时间起始控制在人的意识范围之内，方便使用。其中一种方

18、法是通过一个单刀双掷开关，使一端接信号脉冲，另一端接由上拉电阻连接电源连接按钮再接地组成的线路（如图视）。当接信号脉冲时74HC161可以正常计数。当接到上端时74HC161停止计数。在按钮没有按下的时候并不会产生触发，既没有脉冲，当按下再放看时则会产生脉冲使其计数一次。但是存在弊端，因为一次脉冲仅能触发一次，接在秒钟前端会非常难校正分钟和时钟因此可以考虑在时钟和分钟前也接入相同开关校时电路，以达到方便的效果。方法二图4.1.2快速校时法校时的另一种方法是自动跳变法，也叫快速校时法，此种方法不需要手动给脉冲，只需在所需的位打开校时开关，所需位就开始自动快速（或慢速）计数，当达到所需时间时，关掉

19、校时开关即可。其原理是，有门电路构成的RS触发器和开关构成选择电路，另外两个与非门为筛选作用，输入端分别为快速（慢速）校时信号和正常计数信号。14课程设计说明书Z如图4.1.3所示，当SW1打在上方时U13A与非门的1输入端为低电平，由又因为此时6端口输入的是高电平，这样就使4输出低电平，3输出高电平，10端口输出就跟随校时信号，11端口一直为低电平，这样校时信号就控制电路的输出。同理当SW1打在下端时，整个校时电路输出就跟随正常进位信号走，当校Z图4.1.4当TW1在下时。15课程设计说明书5、整点报时功能5.1延时电路图5.1.1 Tw=20s的延时电路该功能可以通过两种方案实现。一种可以

20、在当分秒显示为00：00的时候用四输入的与非门接入由555定时器构成的单稳态电路中。由于仅有分秒输出此时全为低电平则输出为高电平，平时输出为低电平择可以触发单稳态电路，使其工作。另一种是直接从有分钟向时钟进位的信号端口，即从与非门接出来，直接作为555定时器构成的单稳态电路的2端口。像上面的接法一样。由于第二种方案接法比较简单。所以选择第二种。我们可以通过改变电阻电容的参数值，延长Tw的时间。电路接法如图5.1.1所示。5.2振荡电路设计要求是停一秒叫一秒，叫十次，现在已经有了一个延时20秒的电路，就需要一个0.5Hz的振荡，此时可以把已获得的1Hz信号再次分频，就得到了一秒低电平一秒高电平的

21、效果。结果如图5.2.1所示。16课程设计说明书图5.2.1振荡电路的仿真测试17课程设计说明书6、正5V电源的设计如图示，将一7805和电容相接可以组成一个输入任何交流电，输出都为+5V的直流稳压电源电路。18课程设计说明书7软件设计我们使用的仿真设计软件是ISIS 7 Professional。此软件的特点是具有较强的仿真能力，可自动布线；缺点是某些器件无法找到或者不可使用。仿真设计流程如下：1) 先在界面上设计出秒计数器并连接上数码显示器，用时钟脉冲作为CP脉冲信号输入，运行仿真功能，测试秒计数器设计是否正确，同时也测试数码显示器连接是否正确。若仿真出错则修改电路再测试，如此反复直至无误

22、。2) 再将分计数器和数码显示器接到原电路中，再进行仿真，测试连接是否正确。若仿真出错则修改电路再测试，如此反复直至无误。3) 再将时计数器和数码显示器接到原电路中，再进行仿真，测试连接是否正确。若仿真出错则修改电路再测试，如此反复直至无误。4) 将上面三个板块连接到一起再将一秒时钟源接入电路中，再进行仿真，测试连接是否正确。若仿真出错则修改电路再测试，如此反复直至无误。5）将具有校时功能的电路与上面的板块相接。测试其是否有校时功能，并且在校时后再接上脉冲源，是否可以从该时刻进行计时。如果可以则正确，否则将继续调试，直至正确为止。 。6）将具有报时功能的电路与之前的电路中的分计数端高位的与非门的输出端相接，看其是否具有整点报时功能。7） 由于晶体振荡其产生的时钟脉冲不能在ISIS仿真软件中仿真出来。所以在实际仿真中将脉冲源直接代替石英晶体振荡器。19课程设计说明书8、系统功能及指标参数该电路系统的功能是能够实现从0时0分0秒计时到23时59分59秒（即24小时制），并能以阿拉伯数字显示时间。主要参数：时钟源：C9=33P C8=33P X1=3276HZ R4=15M R5=220K校时开关部分：R2=110K报时部分：R1=100KC3=10u正5V电源部分：C4=220uC7=100nC2=10u C5=47u C1=100n C6=100n 20课程设计说明