数字电路课程设计--数字钟

引言

数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，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，具有更更长的使用寿命，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。

此次设计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。

1、设计任务与要求

设计一个多功能的数字钟。要求如下： 1) 时间以24小时为一个周期； 2) 显示时、分、秒；

3) 具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间； 4) 计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时； 5) 为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。

2、方案的论证与选择

数字钟实际上是一个对1HZ频率进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路时行加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡电路构成数字钟，我这里采用的是555定时器和RC电路构成振荡器的方案。

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1) 振荡器电路：一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度越高。在本次课程设计中，

采用的是集成定时器555与RC组成的多谐振荡器，经过调整输出1000HZ脉冲。 2) 分频器电路：分频器电路将1000HZ的方波信号经1000次分频后得到1HZ的方波信

号供秒计数器进行计数。分频器实际上也是计数器。

3) 时间计数器电路：时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为

60进制的计数器，时个位和时十位计数器为24进制的计数器。

4) 译码显示电路：译码显示电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑

状态，并且为保证数码管正常工作提供做够的工作电流，采用的是自带译码功能的数码管。

5) 整点报时电路：一般时钟都具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前10秒内，数

字钟自动报时。作用方式是再整点前10秒内，出现奇数秒时报时灯发光，从而实现在最后十秒内闪烁5次。

6) 校时电路：由于数字钟的初始时间不一定是标准时间，而且在数字钟的运行过程中可

能出现偏差，所以需要校时电路来对”时、分“显示数字进行校正。

3、单元电路的设计和元器件的选择

3.1、六进制计数电路的设计

由于在EWB5.0这个仿真软件上面只找到了74160这个芯片，所以采用这个芯片来制作六进制、十进制、六十进制的电路,采用的是反馈清零法.以下为六进制主循环状态图:

0000 0001 0101 0010 0100 0011

以下为六进制电路：

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3.2、十进制计数电路的设计 下面为十进制的主循环状态图:

0000 0001 0010 0011 1001 0100 1000 0111 0110 0101

3.3、六十进制计数电路的设计

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3.4、时间计数电路的设计

理论计算：555定时器的脉冲时间是由于RC充放电确定的。 根据三要素公式：Vc1(t)Vc1()[Vc(0)Vc()]etRC1

21t1VccVcc(VccVcc)RCe1 3充电过程：3充电时间： t1(R1R2)C1ln20.7(R1R2)C1

12Vcc0(Vcc0)eRC13放电过程： 3

放电时间： t2R2C1ln20.7R2C1

1tt1t2f 一个周期的时间：

t2111.43 t0.7(R12R2)C1(R12R2)C1首先确定C1=0.1uf, R2=5K，需要输出频率f=1KHZ,充放电时间为1ms,可以确定R1=4.65K.震荡电路图如下：

频率：f Page 4

3.5、校正电路的设计

时间校正电路是数字时钟不可缺少的部分，当数字时钟接通电源或者计时出现错误时。需要校正时间，校时时数字时钟的基本功能。按照设计要求，只需要设计对时和分进行校正。校正小时的电路和校正分钟的电路时一样的，方法是在分计数器和时计数器的计数信号输入端通过单刀双掷开关并入分频器所输出的1HZ的信号，当开关吧计数器的信号输入端与低一级的计数器进位信号连通时，数字钟正常工作；当开关把计数信号的输入端与分频器的输出,连通时，数字时钟处于校正状态；校正电路如下：

上图为正常工作状态时，下图为校正状态时。

3.6、时钟电路的设计

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此电路由二个六十进制、一个二十四进制的计数电路组成，使用1HZ的脉冲信号作为输入信号来测试，仿真电路图如下：

3.7分频器设计

分频器的实质就是计数器。分频器的功能就是将振荡电路所输出的频率1000HZ转换成为我们所需要的频率1HZ。可以选用三片74LS90进行串联，。因为555定时器产生1000HZ的信号，第一片74LS90的进位端输出100HZ，第二片进位端输出10HZ，第三片进位端输

出1HZ。经过3次1/10分频后正好是1HZ，为标准的秒脉冲信号。分频器的电路图如下：

3.8整点报时电路的设计

一般的数字时钟都会具有整点报时的功能，其作用方式是在整点前的十秒内，出现奇

数读秒时报时灯发光，从而实现最后10秒内闪烁5次，以达到报时的目的。本次设计才用74LS151数据选择器选出整点前最后10秒内的奇数秒。这里可以采用9的二进制数1001后面的三位是001，刚好是十进制数的1，从而使得只有三个数据输入端的74LS151选出了本不能选出的9.我们通过多个与门选出当分钟的十位是5、个位是9、秒钟的十位为5的状态，将三个状态与在一起后再非一下，连接到74LS151的G端，从而控制74LS151在五十九分五十秒的时候开始工作，零分零秒的时候停止工作。74LS151工作时，秒钟时奇数时报时灯亮。整点报时电路如下：

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3.9、主要元器件的选择

主要选用了555定时器 和74LS160芯片，74LS90芯片，74LS151芯片。

由于555定时器和74LS151芯片教学课本上已经有了，故不做描述，下面介绍下

74LS160芯片和74LS90，74LS160是由多个触发器以及门电路构成的由时钟上升沿出发的同步十进制加法器。LOAD’同步预置数控制端，D0-D3为置数数据输入端，C为进位输出端，CLR’为异步置零端ENP,ENT为工作状态控制端（ENP和ENT都为1时开始计数）,QA-QD为数据输出端。

74LS160的功能表如下： CP RD 0 1 1 1 1 LD EP ET 工作状态 置零 预置数 保持 保持C=0 计数   0 1 1 1   0   1 0 1  

 1 74LS160的管脚如下：

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74LS90芯片的功能表如下：

其管脚如下所示：

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4、系统总图及原理

首先从振荡电路发出1KHZ的脉冲信号，经过分频电路将其变为频率为1HZ的脉冲信号，接着脉冲信号进入秒计数器的个位开始计数，当秒的个位计数器从9到0时，秒个位计数器变为0，秒十位计数器变为1，如此循环，当秒十位计数器从5到0时，发出进位信号，分计数器的个位开始计数，到时计数器的十位从5到0时，发出进位信号，时计数器的个位开始计数，当是时计数器从23：59：59时，再接受一个脉冲信号就变成00:00:00。期间当分和秒计时达到59:51时开始报时，指示灯开始闪烁，每2秒闪烁1次，当时间到00:00时停止闪烁报时。

以下为部分电路的仿真实验： 1) 震荡电路的仿真实验：

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由仿真结果可知，振荡电路输出的信号周期为1ms,也就是频率为1KHZ,符合要求。

2) 分频电路的仿真实验：

有仿真结果可知，输入的是频率为1KHZ的信号，分频器电路输出的信号周期为1s,即1HZ,所设计的分频器为1000分频，符合要求。

3) 报时电路的仿真实验：

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由仿真结果可知，当时间达到59:51时，指示灯变红，并且在51秒，53秒，55秒，57秒，59秒时变红，达到设计要求。

5、经验体会

这次电路课程设计，让我复习了数字电子的知识的同时也学习了许多新的知识。每次课程设计是一次难得的锻炼的机会，让我们能够充分利用所学的理论知识还有自己的创造力，让我们学会了查找资料的方法，培养自己设计和分析电路的能力。我相信这是对我的一个很好的提高。这次课程设计让我深刻的认识到了平时在学习理论知识的时候，我们更应该注重实践，而不是应付考试 ，学习就应该有所成。这次课程设计让我对我们所学的知识能干什么有了更直观的了解，比如我就认识到了我们所学的知识能够制作出我们身边随处可见的数字钟。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。 在设计过程中EWB软件给我们的设计带来了很多的便利，它提供了大量元器件库，提供修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表， 使得设计时间大为缩短，设计过程更加直观、方便。 作为工科类的学生，以后的工作中难免要遇到许许多多的问题，有了课程设计这个环节的锻炼，以后我会敢于直面我所碰到的任何难题。在这次课程设计设计中，收获很多，无论是培养自己的实践能力方面还是在培养自己的性情方面。

6、参考文献

《电子技术基础与仿真》 中南大学 《数字电子技术基础》 高等教育出版社 《模拟电子技术基础》 高等教育出版社 《EWB仿真软件-操作指南》 网上搜索的资料

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附录A 系统电路原理图

附录B 元器件清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 原件名称 555定时器 数码显示器 74LS160 发光二极管 可调电阻 电容 电容 电阻 74LS151 74LS90 数量 1 6 6 1 1 1 1 1 1 3 规格 9.3K 0.1UF 0．01UF 5k Page 12