數(shù)字鐘實(shí)訓(xùn)報告

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)字鐘設(shè)計(jì)與制作

一、設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.顯示時、分、秒。

2.可以24小時制或12小時制。

3.具有校時功能，可以對小時和分單獨(dú)校時，對分校時的時候，停止分向小時進(jìn)位。校時時鐘源可以手動輸入或借用電路中的時鐘。

4.具有正點(diǎn)報時功能，正點(diǎn)前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。（選做）

5.為了保證計(jì)時準(zhǔn)確、穩(wěn)定，由晶體振蕩器提供標(biāo)準(zhǔn)時間的基準(zhǔn)信號。

二、設(shè)計(jì)方案

數(shù)字鐘實(shí)際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。數(shù)字鐘組成框圖如圖所示。

1．晶體振蕩器電路

晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Ｈz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用ＴＴＬ門電路構(gòu)成；另一類是通過ＣＭＯＳ非門構(gòu)成的電路，本次設(shè)計(jì)采用了后一種。如圖（b）所示，由ＣＭＯＳ非門Ｕ１與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，Ｕ２實(shí)現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻Ｒ１為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個１８０度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

CMOS晶體振蕩器

2．時間記數(shù)電路

一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器如74HC290、74HC390等來實(shí)現(xiàn)時間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。本次設(shè)計(jì)中選擇74HC390。由其內(nèi)部邏輯框圖可知，其為雙2-5-10異步計(jì)數(shù)器，并每一計(jì)數(shù)器均有一個異步清零端（高電平有效）。

秒個位計(jì)數(shù)單元為１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將ＱＡ與ＣＰＢ（下降沿有

效）相連即可。ＣＰＡ（下降沿有效）與１ＨZ秒輸入信號相連，ＱD可作為向上的進(jìn)位信號與十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法如圖２.４所示，其中ＱC可作為向上的進(jìn)位信號與分個位的計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。

十進(jìn)制-六進(jìn)制轉(zhuǎn)換電路

分個位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過分個位計(jì)數(shù)單元的ＱD作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連，分十位計(jì)數(shù)單元的ＱC作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與時個位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。

時個位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個時計(jì)數(shù)單元應(yīng)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是１０的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個整體才能進(jìn)行24進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用１片７４ＨＣ３９０實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖（d）所示。

（d）二十四進(jìn)制電路

另外，圖（d）所示電路中，尚余－２進(jìn)制計(jì)數(shù)單元，正好可作為分頻器２ＨZ輸出信號轉(zhuǎn)化為１ＨZ信號之用。

3．譯碼驅(qū)動及顯示單元電路選擇74LS47作為顯示譯碼電路；選擇ＬＥＤ數(shù)碼管作為顯示單元電路。由74LS47把輸進(jìn)來的二進(jìn)制信號翻譯成十進(jìn)制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來。這里的LED數(shù)碼管是采用共陽的方法連接的。

計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對時間的累計(jì)并以8421BCD碼的形式輸送到74LS47芯片，再由74LS47芯片把BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭�進(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。

4．校時電路

數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧�位和時個位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。即為用COMS與或非門實(shí)現(xiàn)的時或分校時電路，In1端與低位的進(jìn)位信號相連；In2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時個位計(jì)時輸入端相連。當(dāng)開關(guān)打向上時，因?yàn)樾Ｕ�信號�?相與的輸出為0，而開關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門，故校時電路處于正常計(jì)時狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)打向下時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。

實(shí)際使用時，因?yàn)殡娐烽_關(guān)存在抖動問題，所以一般會接一個RS觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消抖動電路，所以整個較時電路就如圖（f）。

（f）帶有消抖電路的校正電路

三、電路設(shè)計(jì)

綜合上述電路模塊，可以設(shè)計(jì)出數(shù)字鐘電路，如下圖所示。

四、實(shí)驗(yàn)心得體會

數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ�活中必不可少的必需品，廣泛用于個人家庭以及車站、碼頭、劇場、辦公室等公共場所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展及其采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，它還用于計(jì)時、自動報時及自動控制等各個領(lǐng)域。盡管目前市場上已有現(xiàn)成的數(shù)字鐘集成電路芯片出售，價格便宜、使用也方便，但鑒于數(shù)字鐘電路的基本組成包含了數(shù)字電路的主要組成部分，因此進(jìn)行數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)是必要的。在這里我們將已學(xué)過的比較零散的數(shù)字電路的知識有機(jī)的、系統(tǒng)的聯(lián)系起來用于實(shí)際，來培養(yǎng)我們的綜合分析和設(shè)計(jì)電路的能力。

擴(kuò)展閱讀：數(shù)字鐘實(shí)習(xí)報告材料

目錄（請把電源部分也補(bǔ)充寫入目錄和正文中）

前言3摘要4

1.電路原理與設(shè)計(jì)概論61.1方案的論證和選擇61.1.1TTL芯片的選擇61.1.2模塊方案的選擇61.2電路原理及其分析71.3數(shù)字鐘主體電路圖72.主體電路的設(shè)計(jì)與裝調(diào)82.1振蕩器的設(shè)計(jì)82.2分頻器的設(shè)計(jì)92.3時分秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)102.3.1"12翻1"時計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)102.3.2分、秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)122.4校時電路的設(shè)計(jì)142.5譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)152.6主體電路的裝調(diào)173.功能擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)173.1仿電臺正點(diǎn)報時電路173.2報時電路的安裝與調(diào)試18

（可不寫）4.電路的Proteus仿真184.1數(shù)字鐘電路軟件仿真184.2軟件仿真電路原理圖195.結(jié)果分析206.設(shè)計(jì)小結(jié)20參考文獻(xiàn)21附錄一：元器件的詳細(xì)清單22附錄二：數(shù)字鐘實(shí)物連線圖前言

20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，大力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步改善，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏越來越快。作為電子專業(yè)的在校大學(xué)生為適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)飛速發(fā)展的需要，更早更好地掌握所學(xué)知識，應(yīng)用于實(shí)踐顯得尤為必要。在競爭日益激烈的當(dāng)代社會，擁有一門拿手的技能是今后生存最起碼的保障。

數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時、分、秒計(jì)時的裝置，與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。因此，我們此次設(shè)計(jì)與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會制作數(shù)字鐘.而且通過數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實(shí)用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時敘電路.通過它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法.

開展課程設(shè)計(jì)利用課余時間強(qiáng)化我們的專業(yè)技能，在目前教育形式下是我們在校大學(xué)生與今后工作接軌的很好方式。在未踏入社會走入工作崗位之前，初步了解產(chǎn)品的制作流程對日后的更好更快地進(jìn)入工作角色具有很好的促進(jìn)作用。

摘要

數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對“時”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計(jì)時裝置。利用數(shù)字電路知識設(shè)計(jì)數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘可實(shí)現(xiàn)12小時計(jì)時、校時、整點(diǎn)報時功能。與傳統(tǒng)機(jī)械鐘相比，它具有走時準(zhǔn)確、顯示直觀無機(jī)械傳動裝置等優(yōu)點(diǎn)。整個設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分為4個模塊，即計(jì)數(shù)模塊、較時模塊、報時模塊以及顯示模塊。利用555芯片構(gòu)成振蕩電路產(chǎn)生脈沖信號經(jīng)分頻器分頻獲得時基脈沖和報時脈沖。再經(jīng)計(jì)數(shù)器和譯碼器構(gòu)成系統(tǒng)的主體電路，在主體電路的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)成報時電路和校時電路。數(shù)字鐘是以不同的計(jì)數(shù)器為基本單元構(gòu)成的，它的用途十分廣泛，只要有計(jì)時、計(jì)數(shù)的存在，便要用到數(shù)字鐘的原理及結(jié)構(gòu)；同時在日期中，它以其小巧，價格低廉，走時精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受廣大消費(fèi)的喜愛。

關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器振蕩器報時

Abstract

Thedigitalclockistoadoptanumericalelectriccircuitrealizationto"hour","minute","second"numeralshowofaccountfashionabledressestoplace.Makeuseofanumericaldesigndigitalclockoftheelectriccircuitknowledge,thatdigitalclockcancarryouttoaccountfor12hours,school,alittlebitwholetellthetimefunction.Comparedwiththetraditionalmachineclock,ithastowalkaccurate,showthatkeepingaviewtohavenomachinespreadstomovedeviceetc.advantage.Thewholedesignadoptionmoldpieceturnsastructuredesign,thesystemisdividedinto4moldpiece,thencountamoldpieceandcomparemoldpiece,tellthetimemoldpieceandmanifestationamoldpiece.WhenthePinmachinecentPinwhichmakesuseof555chipcomposingstoflaptoconcussthepulsesignaloftheelectriccircuitcreationthroughthecentacquireJipulsewithtellthetimepulse.Againthroughcountamachineandtranslateacodemachinetoconstitutethecorpuselectriccircuitofsystem,atthefoundationofcorpuselectriccircuituptheincrementcorrespondlogicstructurecomposingtotellthetimeelectriccircuit.Inthemeantimeinthedatein,itwithitcleverlymade,thepriceischeap,accuracywhilewalkGao,usageconvenience,functionmany,easytointegrationturnbutbesubjectedtolargeconsumptionoffancy.

Keywords:ThedigitalclockCircuitDesignTimerOscillatorChronometer

1.電路原理與設(shè)計(jì)概論

1.1方案的論證和選擇

數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對.時,分,秒.數(shù)字顯示的計(jì)時裝置,廣泛用于個人家庭,車站,碼頭辦公室等公共場所,成為人們?nèi)粘Ｉ�活中不可少的必需�?由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字鐘的精度,運(yùn)運(yùn)超過老式鐘表,鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。

本數(shù)字鐘能清晰地顯示時、分、秒之間的相互變化，并具有整點(diǎn)報時和手動較時的功能，主要用于一般的生活計(jì)時，計(jì)時精度高。整個系統(tǒng)集成化程度高，電路結(jié)構(gòu)相對簡單，模塊化明顯，是提高課堂學(xué)習(xí)效果的一個很好實(shí)例。數(shù)字鐘的制作能將所學(xué)的數(shù)字電子技術(shù)很好地應(yīng)用于實(shí)際制作當(dāng)中。

因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非�，F(xiàn)實(shí)的意義。

1.1.1TTL芯片的選擇

采用74LS系列的芯片為核心,雖然結(jié)構(gòu)簡單，但通俗易懂，不像單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。既能更好的了解數(shù)字鐘的工作原理，也是廣大初學(xué)者的首選芯片之一。

CMOS是場效應(yīng)管構(gòu)成(單極性電路)，TTL為雙極晶體管構(gòu)成（雙極性電路）COMS的邏輯電平范圍比較大（5～15V），TTL只能在5V下工作

CMOS的高低電平之間相差比較大、抗干擾性強(qiáng)，TTL則相差小，抗干擾能力CMOS功耗很小，TTL功耗較大（1～5mA/門）

CMOS的工作頻率較TTL略低，但是高速CMOS速度與TTL差不多相當(dāng)CMOS的噪聲容限比TTL噪聲容限大

通常以為TTL門的速度高于“CMOS門電路。

TTL電路是電流控制器件，而coms電路是電壓控制器件。

1.1.2模塊方案的選擇

本次設(shè)計(jì)以數(shù)字電子鐘為主，實(shí)現(xiàn)對時、分、秒數(shù)字顯示的計(jì)時裝置,周期為12小時，顯示滿刻度為12時59分59秒，并具有校時功能數(shù)字電子鐘。電路主要采用中74LS系列集成電路.本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電路由脈沖邏輯電路模塊、時鐘脈沖模塊、電源模塊、時鐘譯碼顯示電路模塊、校時模塊等幾部分組成。采用低功耗的74LS系列芯片及七段碼顯示器，發(fā)生器使用555振蕩器、分頻器74LS90將標(biāo)準(zhǔn)秒信號送入“秒計(jì)數(shù)器”。秒計(jì)數(shù)器由74LS90、74LS92芯片來實(shí)現(xiàn)，分別組成兩個六十進(jìn)制(秒、分)的計(jì)數(shù)器；時計(jì)數(shù)器由74LS191、74LS74芯片來實(shí)現(xiàn),校時電路用來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行調(diào)整的；譯碼顯示電路選用4-7譯碼器/驅(qū)動器74LS48構(gòu)成，再經(jīng)過六個LED七段顯示器顯示出來。

電路的設(shè)計(jì)方案（原理方框圖）如圖1.1所示：

特別值得一提的是，本次設(shè)計(jì)借助了Protel,Multisim(EDA),Proteus(電路仿真軟件)，很大程度上提高了本次設(shè)計(jì)效率，在構(gòu)建硬件之前我就對電路進(jìn)行了仿真，確認(rèn)上述設(shè)計(jì)方案是可行的。

1.2電路原理及其分析

如圖1.1所示，數(shù)字鐘電路電路系統(tǒng)由主體電路和擴(kuò)展電路兩大部分組成。其中，主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴(kuò)展電路完成數(shù)字鐘的擴(kuò)展功能。該系統(tǒng)的工作原理是：振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準(zhǔn)，再經(jīng)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)計(jì)滿60后向小時計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時計(jì)數(shù)器按照“12翻1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計(jì)時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進(jìn)行較時、校分、校秒。擴(kuò)展電路必須在主體電路正常運(yùn)行的情況下才能進(jìn)行功能擴(kuò)展。

本次設(shè)計(jì)的是一個多功能數(shù)字鐘，以數(shù)字形式顯示時，分，秒的時間，具有有手動校時和較分的基本功能，此外在主體電路運(yùn)行正常的情況下我還對電路進(jìn)行了功能擴(kuò)展，使其具有了仿電臺正點(diǎn)報時功能。

仿廣播電臺正點(diǎn)報時電路在每小時的最后50秒開始報時（奇數(shù)秒時）直至下一小時開始，其中前4響為低音，最后一響為高音。分別為51秒，53秒，55秒，57秒發(fā)低音，第59秒發(fā)高音，高音低音均持續(xù)1秒。

1.3數(shù)字鐘主體電路圖

精度越高。如果精度要求不高則可以采用由集成邏輯門與R、C組成的時鐘源振蕩器或集成電路計(jì)時器555與R、C組成的多諧振蕩器,電路參數(shù)如圖2所示.接通電源后，電容C1被充電，當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時，使vo為低電平，同時放電三極管T導(dǎo)通，此時電容C1通過R2和T放電，Vc下降。當(dāng)Vc下降到Vcc/3時，vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容C1放電所需時間為tpL=R2ln2≈0.7R2C1

當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R1、R2向電容器C1充電，一；Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的時間為

tpH=(R1+R2)C1ln2≈0.7(R1+R2)C當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，是在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為

f=1/(tpL+tpH)≈1.43/[(R1+2R2)C]

振蕩周期：T=T1+T2=(R1+2R2)C1In2得R1+2R2=T/C1In2=14.2k

圖2.1555振蕩器

故選定R1=2K,R2=5.1K

由于555定時器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用在差分電路形式，用555定時器組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。由信號發(fā)生器輸出1Hz的脈沖信號，即秒信號。秒信號輸入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)結(jié)果以時分秒的數(shù)字顯示出來。振蕩器是整個數(shù)字鐘的核心，它產(chǎn)生一個頻率標(biāo)準(zhǔn)，其精度和穩(wěn)定度基本決定了數(shù)字鐘的計(jì)時準(zhǔn)確性，是影響數(shù)字鐘志良的決定性因素之一。

2.2分頻器的設(shè)計(jì)

分頻器電路將1KＨz的高頻方波信號經(jīng)1000次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器，為秒電路輸送一秒脈沖。這里用3片十分頻計(jì)數(shù)器74LS90進(jìn)行分頻,每經(jīng)過一片74LS90,輸出頻率變?yōu)檩斎胄盘朇P頻率的1/10。

分頻器的功能主要有兩個Ａ.產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號B.提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號，如仿電臺報時用的1kHz的高音頻信號和500Hz的低音頻信號等。分頻器首先采用三片集成74LS90芯片把555振蕩管輸出的1kHz高頻脈沖將其轉(zhuǎn)換成1Hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號穩(wěn)定輸出，使計(jì)數(shù)器開始從秒個位計(jì)數(shù)。因每片為1／10分頻，3三片級聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號，即第一片的Q0端輸出頻率為500Hz,第二片的Q3端輸出為10Hz，第三片的Q3端

輸出為1Hz。

圖2.2分頻器邏輯圖2.3時分秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

QBbQaENDPQcGNQDd12345678161514131211109VCCACPRCPM/MLOAD00X表2.174LS191的功能表SˉLOˉ1101M01XXCP↑↑XX工作狀態(tài)加法計(jì)數(shù)減法計(jì)數(shù)預(yù)置數(shù)保持圖2.374LS191引腳圖計(jì)數(shù)器的設(shè)置包括"12翻1"時計(jì)數(shù)器和分、秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)。2.3.1"12翻1"時計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)時計(jì)數(shù)器是一個“12翻1”的特殊進(jìn)制計(jì)數(shù)器即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到12時59分59秒時，秒的個位計(jì)數(shù)器再輸入一個秒脈沖時，數(shù)字鐘應(yīng)自動顯示為01時00分00秒，實(shí)現(xiàn)日常生活中習(xí)慣用的計(jì)時規(guī)律,選用74LS191和74LS74。

-8-

74LS191CDCP01234567表2.2“12翻1”小時計(jì)數(shù)時序十位Q1000000000Q0300000000個位Q02Q010000111100110011CPQ000101010189十位Q100001110Q031110000個位Q02Q0100000000010010Q000100101暫態(tài)10111213計(jì)數(shù)器的狀態(tài)要發(fā)生兩次跳躍：一是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到9，即個位計(jì)數(shù)器狀態(tài)為Q03Q02Q01Q00=1001后，在下一步計(jì)數(shù)脈沖作用下計(jì)數(shù)器進(jìn)入暫態(tài)1010，利用暫態(tài)的兩個1即Q03Q01使個位異步置0，同時向十位計(jì)數(shù)器進(jìn)位使Q10=1；二是計(jì)數(shù)器計(jì)到12后，在第13個計(jì)數(shù)器脈沖作用下個位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)應(yīng)為Q03Q02Q01Q00=0001，十位計(jì)數(shù)器的Q10=0，第二次跳躍的十位清“0”和個位置“1”信號可由暫態(tài)為“1”的輸出端Q10，Q01，Q00來產(chǎn)生由上述分析得74LS191的控制方程式來完成計(jì)數(shù)器第一次置“0”，計(jì)數(shù)器計(jì)到1時改變74LS191的加減控制模式，使其原來的加法計(jì)數(shù)器變?yōu)闇p法計(jì)數(shù)器在第13個計(jì)數(shù)器脈沖來到時，個位計(jì)數(shù)器減1，使十位計(jì)數(shù)器清“0”，使計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為Q10=0，Q03Q02Q01Q00=0001用置位法將74LS191接成N進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的步驟：1．S￣和M接成“0”電平；2．把初狀態(tài)接到D3D0；CdDCPSdQQD"3．把輸出端的末狀態(tài)的下一狀態(tài)的“1”GN信號通過與非門接到LD￣端。雙D觸發(fā)器74LS741234567141312111098VCCCdDCPSdQQ"圖2.474LS74引腳圖74LS74是一個邊沿觸發(fā)器數(shù)字電路器件，每個器件中包含兩個相同的、相互獨(dú)立的邊沿觸發(fā)D觸發(fā)器電路模塊。74LS74表2.374LS74引腳功能

2.3.2分、秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

分和秒計(jì)數(shù)器都是模M=60的計(jì)數(shù)器,其計(jì)數(shù)規(guī)律為0001…585900…

選74LS92作十位計(jì)數(shù)器，74LS90作個位計(jì)數(shù)器，再將它們級聯(lián)組成模數(shù)M=60的計(jì)數(shù)器。

時間計(jì)數(shù)單元有分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個部分。要實(shí)現(xiàn)秒計(jì)數(shù)，須設(shè)計(jì)一個60進(jìn)制計(jì)數(shù)器；要實(shí)現(xiàn)分計(jì)數(shù)，須設(shè)計(jì)一個10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，這里選用74LS90實(shí)現(xiàn)。

74LS90是二--五十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以設(shè)計(jì)一個60進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器要用兩個74LS90，當(dāng)計(jì)數(shù)狀態(tài)一到01100000立即清零。但是用90實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制時須將QC,QA分別接R0(1)、R0(2)，這樣由啟動停止電路輸出的啟動停止秒表工作的信號就無法接到R0(1)、R0(2)處控制。所以本設(shè)計(jì)中改用74LS92實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制計(jì)數(shù)。

圖圖2.674LS90構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器2.574LS90引腳圖

表2.474LS90功能表

輸入清0置9時鐘R0(1)、R0(2)S9(1)、S9(2)CP1CP20×11×××00×11×××0↓11↓0×0×↓QA×0×0QD↓11輸出QDQCQBQA0000功能清01001置9二進(jìn)制計(jì)數(shù)五進(jìn)制計(jì)數(shù)十進(jìn)制計(jì)數(shù)十進(jìn)制計(jì)數(shù)保持QA輸出QDQCQB輸出QDQCQBQA輸出8421BCD碼QAQDQCQB輸出5421BCD碼不變NBCCRON(1)CRVONCC(2)1234567141312111098ANCQaQbDGNQcQd圖2.774LS92引腳圖74LS92內(nèi)部是由4個主從觸發(fā)器和用作除2計(jì)數(shù)器及計(jì)數(shù)周期長度為除6的3位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器所用的附加選通所組成。為了利用本計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)長度（十二進(jìn)制），可將QB輸入同QA輸出連接，輸入計(jì)數(shù)脈沖可加到輸入A上，此時輸出如功能表（2）所示。表2.574LS92計(jì)數(shù)功能表所以六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路圖如下圖2.974LS92及74LS90構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器2.4校時電路的設(shè)計(jì)

對校時電路的要求是，在小時校正時不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計(jì)數(shù)。校時方式有兩種“快校時”和“慢校時”，“快校時”是，通過開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對1Hz的校時脈沖計(jì)數(shù)�！奥�校時”是用手動產(chǎn)生單脈沖做校時脈沖。圖（）所示的為校時、校分電路。其中S1為校“分”用的控制開關(guān)，S2為�！皶r”用的控制開關(guān)，它們的控制功能如表1.1所示。校時脈沖采用分頻器輸出的1HZ脈沖。同時為了緩解開關(guān)S1或S2為“0”或“1”時產(chǎn)生的抖動，需在開關(guān)處各并接一電容。校對電路原理

-12-

74LS92圖2.874LS92復(fù)位計(jì)數(shù)功能表當(dāng)數(shù)字鐘出現(xiàn)誤差時，需校準(zhǔn)。校對時間總是在標(biāo)準(zhǔn)時間到來之前進(jìn)行，一般分四個步驟：首先把小時計(jì)數(shù)器置到所需的數(shù)字；然后再將分計(jì)數(shù)器置到所需數(shù)字；在此同時或之后，應(yīng)將秒計(jì)數(shù)器清零，時鐘暫停計(jì)數(shù)，處于圖2.10校時電路邏輯圖等待啟動；當(dāng)選定的標(biāo)準(zhǔn)時刻到達(dá)的瞬間，按起動按鈕，電路則從所預(yù)置時間開始計(jì)數(shù)。

當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或或者計(jì)時出現(xiàn)誤差時,需要校正時間(或稱校時)。校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。一般電子手表都具有時、分等校時功能。為使電路簡

單，這里只進(jìn)行分和小時的校時。對校時電路的功能是，在小時校正時不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計(jì)數(shù)。校時方式有“快校時”和“慢校時”兩種，“快校時”是通過開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對1Hz的校時脈沖計(jì)數(shù)�！奥�校時”是手動產(chǎn)生單脈沖作校時脈沖。

2.5譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)

共陰數(shù)碼管：把發(fā)光二極管的陰極連在一

起構(gòu)成公共陰極。使用時公共陰極com接地，陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管導(dǎo)通點(diǎn)亮，輸入低電平的則不點(diǎn)亮。

圖2.1174LS48引腳圖

通過74LS48可以把時分秒計(jì)數(shù)器的值譯為十進(jìn)制數(shù)并且通過LED顯示出來。

LTˉ為試燈輸入：當(dāng)LT￣=0時，IBˉ/YBRˉ=1時，若七段均完好，顯示字形是“8”，該輸入端常用于檢查74LS48顯示器的好壞；當(dāng)LTˉ=1時，譯碼器方可進(jìn)行譯碼顯示。IBRˉ用來動態(tài)滅零，當(dāng)LTˉ=1時，且IBRˉ=0，輸入7，A3A2A1A0=0000時，則IBˉ/YBRˉ=0使數(shù)字符的各段熄滅；IBˉ/YBRˉ為滅燈輸入/滅燈輸出，當(dāng)IBˉ=0時不管輸入如何,數(shù)碼管不顯示數(shù)字；IBRˉ為控制低位滅零信號,當(dāng)YBRˉ=1時,說明本位處于顯示狀態(tài)；若YBRˉ=0,且低位為零,則低位零被熄滅。詳見功能表

表2.674LS48功能表

輸入輸出十進(jìn)數(shù)BI/RBO或功能LTRBIDCBAabcdefg0123456789101112131415BIRBILTHHHHHHHHHHHHHHHHxHLHxxxxxxxxxxxxxxxxLx0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111xxxx0000xxxxHHHHHHHHHHHHHHHHLLH11111100110000110110111110010110011101101100111111110000111111111100110001101001100101000111001011000111100000000000000000000011111112341備注譯碼是把給定的代碼進(jìn)行翻譯，本設(shè)計(jì)即是將時、分、秒計(jì)數(shù)器輸出的四位二進(jìn)制數(shù)代碼翻譯為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，并通過顯示器顯示，通常顯示器與譯碼器是配套使用的。我們選用的七段譯碼驅(qū)動器（74LS48）和數(shù)碼管（LED）是共陰極接法（需要輸出高電平有效的譯碼器驅(qū)動）。譯碼顯示電路如圖7所示。將計(jì)數(shù)器的輸出端Q3Q2Q1Q0直接連接到譯碼器的相應(yīng)輸入端A3A2A1A，可顯示數(shù)字09，即可顯示時間。

2.6主體電路的裝調(diào)

根據(jù)圖1所示的數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖，按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)，這里的每級時組成數(shù)字鐘的各功能電路。級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，則可以增加多級邏輯門來延時。如果顯示字符變化很快，模糊不清，這可能是電源電流的跳變引起的，則可在集成電路器件的電源端Vcc加退耦濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01uF的小電容相并聯(lián)來作為退耦濾波電容。

經(jīng)過聯(lián)調(diào)并糾正設(shè)計(jì)方案中的錯誤和不足之后，再測試電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計(jì)要求。最后畫出滿足設(shè)計(jì)要求的總體邏輯電路圖，如圖1所示。

3.功能擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)

3.1仿電臺正點(diǎn)報時電路

仿廣播電臺正點(diǎn)報時電路的功能要求時：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時快要到正點(diǎn)時發(fā)出聲響，通常按照4低音1高音的順序發(fā)出間斷聲響，以最后一聲高音結(jié)束的時刻

為正點(diǎn)時刻。

圖2.12校時電路邏輯圖

每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時快要到正點(diǎn)時發(fā)出聲響，按照4低音1高音的頻率發(fā)出間斷聲響，前4低音聲響頻率為500HZ，后1高音聲響頻率為1000HZ。并以最后一聲高音結(jié)束的時刻為正點(diǎn)時刻。本設(shè)計(jì)中，報時電路采用TTL與非門。報時電路如圖1.5所示。4聲低音分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一聲高音發(fā)生在59分59秒，聲響均持續(xù)1秒。如表1.2所示。由表可得式1.1。只有當(dāng)分十位的Q2M2Q0M2=11，分個位的Q3M1Q0M1=11，秒個位的Q2S2Q0S=11及秒個位的Q0S1=1時，音響電路才能工作。

3.2報時電路的安裝與調(diào)試

按照原理圖及實(shí)物連線圖接線。報時音響電路采用三極管3DG130來推動喇叭。報時所需的500Hz和1000Hz音頻信號，分別取分頻器的500Hz輸出端和1000Hz輸出端。

4.電路的Proteus仿真（可不寫）

4.1數(shù)字鐘電路軟件仿真

Proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計(jì)自動化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個元件庫。Proteus軟件提供多種現(xiàn)實(shí)存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實(shí)時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結(jié)果的影響，Proteus軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。提供SchematicDrawing、SPICE仿真與PCB設(shè)計(jì)功能，同時可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。一臺計(jì)算機(jī)、一套電子仿真軟件，在加上一本虛擬實(shí)驗(yàn)教程，就可相當(dāng)于一個設(shè)備先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室。以虛代實(shí)、以軟代硬，就建立一個完善的虛擬實(shí)驗(yàn)室。在計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)電工基礎(chǔ)，模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等課程，并進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試等。

本次設(shè)計(jì)借助了

Proteus(電路仿真軟件)，很大程度上提高了設(shè)計(jì)效率，在構(gòu)建硬件之前我們就對電路進(jìn)行了仿真，所以在我們小組成員的共同努力之下數(shù)字鐘很快就順利完成了。

4.2軟件仿真電路原理圖如圖所示。

5.結(jié)果分析(1).信號源測試

在整個數(shù)字鐘的制作過程中，信號源以外的部分，只要器件無損壞，則都能正常工作，而信號源的信號頻率卻在各個器件無損壞的情況下有較大的偏差，要對信號源進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整是通過控制555的分壓電阻實(shí)現(xiàn)的，具體數(shù)學(xué)公式如下：

T0.69(R1Rp2R2)C1(sec)

"若信號源頻率偏低，則通過減小電阻/電容值來加快頻率，反之通過增加電阻/電容來降低頻率。計(jì)算得出R1=100KΩ，R2=200KΩ(2).數(shù)碼管的檢測

測量數(shù)碼管3.8腳之間是否短路，之后檢測其他各腳與3.8腳之間是否短路，通常正常情況的阻值是500KΩ~1000KΩ(3).主體電路的裝調(diào)

根據(jù)圖1所示的數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖，按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)，這里的每級時組成數(shù)字鐘的各功能電路。級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，則可以增加多級邏輯門來延時。如果顯示字符變化很快，模糊不清，這可能是電源電流的跳變引起的，則可在集成電路器件的電源端Vcc加退耦濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01uF的小電容相并聯(lián)來作為退耦濾波電容。(4).電路問題與調(diào)試

接通電源后，七段數(shù)碼管顯示不亮，經(jīng)檢測電路線路無誤，于是將其中不能顯示的數(shù)碼管換掉后，數(shù)字鐘便可以正常計(jì)時了。經(jīng)過聯(lián)調(diào)并糾正設(shè)計(jì)方案中的錯誤和不足之后，再測試電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

6.設(shè)計(jì)小結(jié)

通過本次課程設(shè)計(jì)，我很大程度上提高了自己的實(shí)踐動手能力。我好好的錘煉了自己的耐性。通過努力，在四個小組成員的分工合作下我們終于完成了這次數(shù)字鐘的課程設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中我們遇到了很多棘手的問題，但最終都被我們一一排除，從中所獲得的經(jīng)驗(yàn)是非常寶貴的。

在完成課程設(shè)計(jì)，我收獲了很多。熟悉了WORD的一些不常用的基本操作，掌握了數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法，掌握了數(shù)字鐘的主要性能參數(shù)及其測量方法，進(jìn)一步對數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)有了更深一層的了解。通過仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了protel,multisim,proteus軟件，熟悉了一般電子軟件的應(yīng)用。

在實(shí)際的操作過程中，能把理論中所學(xué)的知識靈活地運(yùn)用起來，并在調(diào)試中會遇到各種各樣的問題，電路的調(diào)試提高了我們解決問題的能力，學(xué)會了在設(shè)計(jì)

中獨(dú)立解決問題，也包括怎樣去查找問題。似乎所有的事都得自己新手去操作才會在腦海中留下深刻的印象，這個小小的課程設(shè)計(jì)讓我可以熟練的操作protel軟件和Multisim、Proteus仿真軟件，也了解了不少器件的功能的應(yīng)用，也加深了對數(shù)字電路認(rèn)識和理解。

整個過程基本上都是我們小組成員協(xié)助完成的，雖簡單，但收獲不小，發(fā)現(xiàn)調(diào)試的過程并不是想象中的那樣簡單，需要耐心、仔細(xì)地分析和解決問題，可以讓我的性格更加沉穩(wěn)。這樣的課程設(shè)計(jì)很能培養(yǎng)我們的能力，讓我們不再局限于書本上的知識。本次課程設(shè)計(jì)首次用到了proteus軟件仿真，很大程度上提高了我們的設(shè)計(jì)效率，幫助我們分析電路中出現(xiàn)的各種問題。

回顧起這一周的設(shè)計(jì)，我們可以說有著艱辛與興奮的結(jié)合，艱辛的是在設(shè)計(jì)中遇到一些困難時大家長久的冥思苦想，興奮的是在弄明白一個一個的問題時，隊(duì)友們那種協(xié)作精神的充分體現(xiàn)。

通過設(shè)計(jì)，我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楹芏鄬?shí)際的東西光靠理論知識是無法完成的，還需要我們通過實(shí)際的去操作。在設(shè)計(jì)中遇到各種各樣的問題也是再所難免的，但是只要我們的小組成員有著過硬的基礎(chǔ)知識以及相互之間彼此的默契，不管是什么困難都是可以被我們戰(zhàn)勝的，通過設(shè)計(jì)我們也可以真正的去了解我們所學(xué)知識不足的地方，使我們的理論知識更加扎實(shí)。

參考文獻(xiàn)

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10.何書森、何華斌，《實(shí)用數(shù)字電路與設(shè)計(jì)速成》，福建科學(xué)出版社，201*

附錄一：元器件的詳細(xì)清單

多功能數(shù)字鐘主體電路元器件清單

元件型元件數(shù)

元件名稱號量元件封裝元件說明電路板通用板122CM*14CM3孔連在一起的通用板無極性電0.1uF1無極性電容

容0.01uF3無極性電容

2K1AXIAL0.4電阻

電阻3.3K3AXIAL0.4電阻

5.1K1AXIAL0.4電阻

電位器10K1電位器

74LS003DIP-142輸入四與非門74LS041DIP-14六非門/六反相器74LS486DIP-16BCD-七段譯碼器74LS741DIP-14雙D觸發(fā)器

集成芯片

74LS905DIP-14十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS922DIP-1412分頻計(jì)數(shù)器74LS1911DIP-16二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器NE5551DIP-8定時器/8腳時基集成電路8孔18孔芯片插槽

芯片插槽14孔1214孔芯片插槽

16孔716孔芯片插槽

顯示管共陰6七段共陰數(shù)碼管

按鈕開

開關(guān)

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