数字钟课程设计_课程设计数字钟

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南 昌 大 学

数字电路与逻辑设计实验报告

姓

名：

付

容 学

号：

6100212236 学

院：

信息工程学院 班

级：

电气信息I类126班 实验名称：

数字钟设计

一、实验目的1、熟悉数字系统的分析和设计方法；

2、熟悉根据任务的要求合理选择集成器件的方法；

3、学习和掌握数字钟的工作原理及设计方法，并且通过对数字钟的制作

进一步了解各种中、小规模集成电路的功能及使用方法；

4、学习使用protel软件进行电子电路的原理图设计、印制电路板设计；

5、初步掌握PCB板的制作流程及其工艺；

6、掌握数字系统的调试方法；

7、提高检查故障和排除故障的能力。

二、实验任务

利用中、小规模集成电路设计并制作一个数字显示时、分、秒的时钟，应具备如下功能：

1、能进行正常的时、分、秒计时功能，以数字形式显示时、分、秒的时间；

2、时应以24小时计时周期，计数序列为00—23；

3、计时出现误差时能校正，可以分别对时和分进行校正。

三、实验器材

计算机、protel软件、555定时器一个、6个74LS161、3个74LS90、个74LS48、6个数码管、若干个74LS00和74LS04、电源、开关。

四、实验原理

1、电路的总体原理框图

数字钟是一个将“ 时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它

2、数字钟的构成的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器、校时电路、振荡电路组成。数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）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（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使振荡电路构成数字钟。

⑴555振荡电路

555定时器振荡电路给数字钟提供一个频率稳定准确的1KＨz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了555振荡电路。

⑵分频器电路

分频器电路用74LS90芯片将1kＨz的高频方波信号经3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。

⑶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12进制计数器。⑷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，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。

⑸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、数字钟工作原理

数字电子钟的原理方框图如上图，该电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及数码显示管、校时电路、整点报时电路等组成。秒信号发生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，本实验用555定时器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用六十进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”采用六十进制计数器，每累计60分钟发出一个“时脉冲”信号，该信号作为“时计数器”的时钟脉冲。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过LED七段共阴极数码显示管显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。

五、实验设计方案

1、六十进制计数器电路

由两片74160构成的六十进制计数器如下图所示。首先将两片74160构成一百进制计数器，然后采用整体置数法接成六十进制计数器。电路的59状态译码产生LD＇=0信号，同时加到两片74LS161上，在下一个计数脉冲（第60个计数脉冲）到达时将0000同时输入两片74LS161中，从而得到六十进制计数器。进位输出可有门电路G的输出直接得到。

2、二十四进制计数器电路

由两片74LS161构成的二十四进制计数器如下图所示。首先将两片74160构成一百进制计数器，然后采用整体置数法接成二十四进制计数器。电路的23状态译码产生ＬＤ＇=0信号，同时加到两片74LS161上，在下一个计数脉冲（第24个计数脉冲）到达时将0000同时输入两片74LS161中，从而得到二十四进制计数器。

3、秒信号发生器电路

秒信号发生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，本实验用555定时器来实现。先将555定时器的2、6管脚连在一起构成施密特触发器，然后再通过RC积分电路构成多谐振荡器。接入电路的二极管D1、D2使电容C1的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电电流只流经R2，因此电容C1的充电时间为

T1=R1C1Ln2 电容C1的放电时间为

T2＝R2C1Ln2 输出脉冲的占空比为

ｑ＝R1/(R1+R2)若取R1=R2=71千欧然后与一个2千欧的电位器串联，则电路的振荡周期为

T=T1+T2=1s4、校时电路

校准电路实质上是由一个555定时器接成的频率为1KHz的多谐振荡器，如下图示。从图中可知，秒脉冲进入计数器，数字钟正常工作。校时时先按下按钮J2，若按下J2则10Hz脉冲信号进入分计数器的个位，而分脉冲被阻止进入，因而较快的校准分计数器的计数值；若按下J1则100Hz脉冲信号进入时计数器个位，而时脉冲被阻止进入，因而较快的校准时计数器的计数值。

5、译码显示电路

译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译变成相应的数字。用于驱动LED七段数码管的译码器为74LS48。由74LS48和LED七段数码管组成的数码显示电路如下图所示。将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。在译码器输出与数码管之间串联的为限流电阻。

六、实验总电路图

Multisim仿真原理图

七、实验仿真结果1、1kHz脉冲信号：

2、秒时钟：

3、分时钟：

4、时时钟：

5、实验总仿真图：

八、实验总结

1、仿真过程中遇到的问题及解决方法 刚接到数字钟这个实验设计的时候，感觉脑子中一片混乱，理不出来一个清晰的思路。但是我先看了一遍课本，充分理解、熟悉课本中所讲的每个集成芯片的功能和它们的接法，然后又查阅了相关的资料。经过这个过程之后，我构思出来了数字钟大致的电路图和所要用到的集成芯片。但是在真正设计、画电路图的时候却不断出现了一些细节问题。比如用74LS161芯片构成60进制计数器后，在Multisim里找不到实验室用到的CD4511BE型号的译码器，那我该如何选合适的译码器进行译码？用555定时器产生1Hz的秒脉冲信号后，在保证原理图一定正确的情况下，为什么数码管一直显示0，不会走数字呢？24进制的地方为什么仿真结果总是会有些不对，从09变成10的时候中间会有一个类似于“8”一样的数出现，使得24进制与60进制不能同步进行，总是慢一秒？。于是我又去查资料，并请教了一些同学、老师才逐渐掌握了解决这些问题的方法，最后将问题一个个的击破了。经上网百度后，我知道用74LS48译码比较合适；问同学、老师后，我知道1Hz数码管能走数字，但是周期太长，所以将555定时器改成1KHz的才能很直观的看到实验仿真结果；在24进制的个位上加一个非门后就能实现正常功能。经过几次修改完善之后，我的设计仿真终于做出来了。

2、画protel原理图遇到的问题

①用单刀双掷开关实现校时电路时发现所选开关没有封装，后来经老师点拨在“元件库”中查找到了带封装的单刀双掷开关；

②不知道花PCB板的时候需要在板子的某个角落放总电源，否则整块板子无法供电使用，就连555定时器也需要电源驱动才能正常产生脉冲信号，加个电源开关更能使整个电路设计的合理、规范；

3、心得体会

此次的数字钟设计重点在于理论设计、对各种集成芯片的应用和电路本身的原理的熟悉,与电路的仿真和实际的连线有很大的差距。在此次的数字钟设计过程中,让我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。在连接六十进制及其进位输出和用555定时器构成多谐振荡器的接法中,熟悉了逻辑电路及其芯片各引脚的功能,在电路出错时能准确地找出错误所在并及时纠正。

这次电子课程设计让我收获很大，通过这次的设计实验进一步地增强了实验的动脑、动手能力。让我体会到了学习知识时理论联系实际的重要性，并发现自己的知识面是很窄的，对很多简单的理论问题都比较难于解决，更别说实际的的问题了。所以，以后遇到这种动手操作的能力我一定要格外重视，并且努力完成它，争取做到最好的效果。