数电课程设计 数字钟电路设计_数电课程设计数字钟

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数字电子技术课程设计报告

目录

一、设计目的........................................................................................2

二、设计要求和设计指标....................................................................2（1）基本功能..................................................................................2（2）扩展功能..................................................................................2

三、设计内容........................................................................................2 3.1数字钟电路工作原理...................................................................2 3.2总体设计.......................................................................................3 3.2.1原理框图：.........................................................................3 3.2.2主要仪器及元器件.............................................................4 3.2.3系统模块设计.....................................................................4 3.3仿真结果.......................................................................................7 3.3.1电路连接.............................................................................7 3.3.2仿真截图.............................................................................8

四、本设计改进及建议........................................................................9

五、总结....................................................................................................9

六、参考文献..........................................................................................10 1

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一、设计目的（1）掌握多功能数字钟的工作原理。

（2）掌握基本逻辑门电路、译码器、数据分配器、数据选择器、数值比较器、触发器、计数器、锁存器、555定时器等常用数字电路的综合设计方法。（3）熟悉用Proteus软件进行数字电路仿真设计的方法。（4）了解用Altium Designer软件进行PCB设计的方法。

（5）熟悉复杂数字电路的安装、测试方法，提高实验技能，增强工程实践能力。

二、设计要求和设计指标

（1）基本功能

具有“秒”“分”“时”计时和显示功能。小时按24小时计时制计时。校时功能，能够对“分”和“时”进行调整。（2）扩展功能

具有整点报时功能，在59min51s后隔秒发出500Hz的低音报时信号，在59min59s时发出1kHz的高音报时信号，声响时间持续1s。闹钟功能，闹时信号持续1min。

三、设计内容

3.1数字钟电路工作原理

电子数字钟的，通过计时精度很高的石英晶振，采用相应进制的计数器，转化为二进制数，经过译码和显示电路准确地将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来。

1.晶体振荡器电路

晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，可保证数

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字钟的走时准确及稳定。2.分频器电路

分频器电路将32768Ｈz的高频方波信号经32768（）次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。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及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。4.译码驱动电路

译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，译码电路及驱动电路由74LS248电路完成。5.数码管

数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为ＬＥＤ数码管。

3.2总体设计

3.2.1原理框图：如图1

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图1：数字钟设计原理

3.2.2主要仪器及元器件

用到的元件有：7SEG-BCD、74HC30、74LS08、74LS90、555、BUTTON、CAP、CELL、LED-RED、RES等。3.2.3系统模块设计

（1）秒信号发生电路

根据计时的精度确定石英晶振的频率，采用32768HZ的石英晶体振荡器通过15次的分频来获得秒脉冲的信号，作为计时的基本单位。选CD4060作为秒脉冲发生电路的主要器件，它是14级的二进制计数器/分频器/振荡器。如图2，C1，C2，晶振，R4，CD4060等器件构成32768HZ振荡器。3脚输出14分频信号，图中的R4是反馈电阻，可使内部的非门电阻工作在线性放大区，C2是微调电容，可改变振荡频率，以保证精确度。从3脚输出的为32768的第14级二分频，即为2HZ，经74LS74（D触发器）再作二分频，从而得到秒脉冲（1HZ信号）为止。

（2）“时”“分”“秒”计数器电路“秒”、“分”、“时”计数器电路采用双BCD同步加法计数器CD4518，由图2得到的秒脉冲送图3a秒计数器，由此完成60秒计数功能。由74LS08的3脚输出信号即为60秒的进位时脉冲。

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图中，QA1、QB1、QC1、QD1为秒个位上十进制显示的二进制BCD码，QA1、QB2、QC2、QD2为秒十位上6进制BCD码，当十位要显示十进制6时即0110，QB2、QC2位均为1，利用此条件，经74LS08（四二输入与门）内部与门输出为1即高电平，给15脚，高电平使CD4518一组十位上的计数输出全部为0并向前输出一高电平，其他时候为低电平，此脉冲即为分脉冲的输入信号。CD4518 15脚和2脚分别为清零端，当它为高电平时，QD～QA=0为低电平，执行计数功能，其脉冲输入有2个方式，从2脚10脚输入时，为下降沿计数，此时9脚1脚接低电平才有效，否则不能计数，计数脉冲信号从9脚1脚输入时，从脉冲的上升沿开始计数，此时，2脚10脚应高电平才有效，否则不能计数。

分计数器与秒计数器完全相同。不同之处在于输出的脉冲不同，前者是1HZ，这里是1/60 HZ。图略。

时计数器为24进制计数，基本电路与分秒计数器相同。不同的是找出24进制的复位脉冲即显示24时个位及十位共8个输出端全部清零。十位为0010（显示2）时，个位为0100（显示4）时全部清零即00点。选十位的QB=1和个位的QC=1，通过与门74LS08给CD4518的15脚与7脚为高电平，使输出QA～QD全为0从而实现24进制，此进位

脉冲即为一天的计数脉冲，此设计中未使用。时计数器电路如图4：

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(3)译码显示电路设计 由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人民习惯的数字显示。如12：54：30的二进制码为00010010：01010100：00110000。译码之后再驱动7段数码管显示时、分、秒。译码电路及驱动电路由74LS248电路完成。

见图5：

74LS248既作译码又是LED的驱动电路。13.12.11.10.9.15.14 输出分别推动数码管的a.b.c d.e.f.g.字段。74LS248的7、1、2、6 脚分别输出4 位二进制BCD码。根据计数器的输出状态由74LS248译码后再驱动LED直观显示出来。LED是共阴的。在LED 的第3或8脚串接一个电阻。可以改变LED 的亮度。

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(4)校时电路的设计

当出现时间误差时，可利用秒脉冲来进行校对，具体方法是通过校时开关将秒脉冲直接输入到分计数器和时计数器。利用微动开关进行校对。如图6所示：

校对工作过程，校对时，将开关拨到校对位置。此时秒计数器无脉冲输入停止计数。接下微动开关S1时。脉冲输入到74LS32的10脚。内部为二输入或门电路。⑨脚输入的是分脉冲，因秒计数器停止，分计数器也停止（不停也可以），分脉冲用秒脉冲替代。分计数器由1分计数脉冲变为1秒计数脉冲，加快了调整速度。同理，按下S2开关后，小时输入脉冲就以1秒脉冲代替，快速改变小时的显示，达到校时目的。当时间调到与标准时间相同时将开关拨到正常位置，计时又开始。

3.3仿真结果

3.3.1电路连接如图7所示

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D1LED-RED+5v8U574HC30+5v1234U10141CKACKBQ0Q1Q2Q31298116U4:B5474LS083174LS08U4:A22367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS90U3U9141CKACKBQ0Q1Q2Q3129811U7141CKACKBQ0Q1Q2Q***2Q0Q1Q2Q3129811CKACKB2367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS902367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS902367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS9021U8:A74LS08U2U63141CKACKBQ0Q1Q2Q3129811141CKACKBQ0Q1Q2Q3129811U4:C108911U4:D131274LS082367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS902367R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS9074LS088U1QDC37R2500k23%RVCC4RV11kC150.01u2CVR1GNDTRTH6250k1555C21.428577u

图7 仿真电路

3.3.2仿真截图

（1）仿真后的截图如下：

图8 仿真后截图

（2）仿真后的波形图如下：

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图9 仿真波形图

四、本设计改进及建议

1.用示波器检测集成电路多谐振荡器的输出信号波形和频率，振荡器输出频率应为32768HZ。

2.将频率为32768Hz的信号送入分频器，并用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合设计要求。

3.将1秒信号分别送入“时”、“分”、“秒”计数器，用显示器检查计数器的工作情况，看计数器是否按设计的进制计数。4.观察校时电路的功能是否满足校时要求。

5.当分频器和计数器正常工作后，将各级的电路相连，观察数字钟能否准确正常工作。

五、总结 在此次的数字钟设计过程中,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.在连接六进制,十进制,六十进制的进位及十二进制的接法中,要求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地找出错误所在并及时纠正了.在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的。在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错 9

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误所引起的.接线的时候一定要细心,不要接错

对自己的设计图要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的CP脉冲是否正确。

在连接校正电路的过程中,出现时和分都能正常校正时,但秒却受到影响,特别时一较分钟的时候秒乱跳,而不校时的时候,秒从40跳到59,然后又跳回40,分和秒之间无进位,电路在时,分,秒进位过程中能正常显示,故可排除芯片和连线的接触不良的问题.经检查,校正电路的连线没有错误,后用万用表的直流电压档带电检测秒十位的QA,QB,QC和QD脚,发现QA脚时有电压时而无电压,再检测秒到分和分到时的进位端,发现是由于秒到分的进位未拔掉所至.在ＥＷＢ软件中得到绘制出原理图。每一部分电路完成后就对其进行功能检测，以便及时发现问题进行改正。扩展电路是在主体电路的基础上加上一部分功能实现电路，以实现定时、整点报时等功能。并附带原理阐述。

通过这次课程设计学习，让我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用绘图软件及仿真软件的应用。

所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获。

六、参考文献

（1）数字电子技术课程设计指导书 2011年11月（2）阎石.《数字电子技术基础》.北京 清华大学出版社