1、電子技術課程設計數字電子時鐘學 院：計算機學院專業：電子信息科學技術 成員：姚俊 2012142219曹勤2012142216指導教師 ：陳明一、題目要求：設計一個能校準時、分的數字電子時鐘，要求： (1)時鐘的“時”“分”、“秒”要求各用兩位顯示；（2）顯示采用六只LED數碼管分別顯示時分秒；（3）時間的小時、分鐘可手動調整；（4）采用+5V電源供電。二、設計原理1、由石英晶體多諧振蕩器或555定時器和分頻器產生1HZ標準秒脈沖。2、“秒”、“分”電路均為0059的六十進制計數、譯碼、數碼管顯示電路； 3、“時電路”為0023的二十四進制計數、譯碼、顯示電路；4、由與非門控制電路來校正“時”

2、、“分”電路。 （圖2.1）三、設計思路 根據題目，我們可以分析出：數字電子鐘是由多塊數字集成電路構成的，其中有振蕩器，分頻器，校時電路，計數器，譯碼器和顯示器六部分組成。振蕩器和分頻器組成標準秒信號發生器，不同進制的計數器產生計數，譯碼器和顯示器進行顯示，通過校時電路實現對時，分的校準。1.秒脈沖發生信號：振蕩器又包括由集成電路555與RC組成的多諧振蕩器，用石英晶體構成的振蕩器，兩種方案如下圖所示：（1）由555定時器與RC構成的多諧振蕩器， 由頻率計算公式可知： （公式1）R3為可調電位器，調節R3可使輸出的頻率為1khz。電路如下圖所示： （圖3.1）產生的波形如下圖所示： （圖3.2

3、）（圖3.3）綜上所述，一般來說，振蕩器的頻率越高，計時的精度就越高。因為本電路對精度沒有較高的要求，因此，我們選用由集成電路555與RC組成的多諧振蕩器。2、分頻電路（1）利用來實現分頻，74LS90為中規模TTL集成計數器，可實現二分頻、五分頻和十分頻等功能，它由一個二進制計數器和一個五進制計數器構成。電路圖如下所示：（圖3.4）以上的兩個7490N構成了25分頻電路將三個74ls90級聯即可實現=1000分頻。其中脈沖發生信號從第一個74ls90的14端口進入，從最后的計數器11端口輸出的即為1hz的方波信號。（2）也可利用十進制計數74160來分頻，或者是二進制計數器74ls161來分

4、頻，原理都是把計數器利用反饋清零或反饋置數接成十進制，然后級聯即可。3、計時電路模塊：將其分為“時”，“分”，“秒”三個分模塊，然后將其級聯起來便可達到要求。電路圖如下：（1）“時”模塊：（3.5）利用74ls08與門反饋均接到兩個計數器的置零端、，74ls90為同步清零，則應74ls08接成“24”來實現二十四進制。（2）“分”模塊：（3.6）同樣利用74ls08同步清零法來實現六十進制。（3）同分鐘一樣的方法來實現“秒”模塊。5、校正電路模塊數字鐘啟動后,每當數字鐘顯示與實際時間不符時,需要根據標準時間進行校時。校“秒”時，采用等待校時。校“分”、“時”的原理比較簡單， 采用加速校時。對校

5、時電路的要求是 :1）在小時校正時不影響分鐘和秒的正常計數 。2）在分校正時不影響秒和小時的正常計數 。 工作情況為：不校正時，J1和J2都閉合，正常計時。校正時位時， J2斷開，J3往下打，輸入快速脈沖自動校時；校正分位時，J1斷開，J3上打，輸入快速脈沖自動校時。校正秒位時，J9往左打，輸入快速脈沖自動校時。6、報時模塊根據要求，報時時間為第50、52、54、56、58、00秒，因此首先將分鐘的59與秒鐘50、52、54、56、58相與（信號1），秒鐘個位連接參照卡洛圖如下：1001100100001000從卡諾圖可得出，要是輸出的0,2,4,6,8為有效信號，L=AD+BCD=(A+D)

6、+(B+C+D)連接如全圖所示。然后再讓時針的進位信號與L相或，記得到標準蜂鳴器電路輸入信號（NPN基極信號）。四總體方案 本電路是以555定時器組成多諧振蕩器作為頻率發生器，多諧振蕩器產生1000HZ的振蕩波，經過分頻器分頻，分解成1HZ的脈沖波，隨后經過秒計數器，秒計時器是60進制計數器，當計數器計數到60時產生進位脈沖，到分計數器。分計數器也是60進制計數器，當分計數器計數到60時，再次產生更高一級的進位脈沖，脈沖送到時計數器，實現了分向時的進位。當需要進行校時時，打開對應的開關，進行對應位置上的校時，此時計數進位脈沖無效。而計數器的工作是通過外接時鐘脈沖CP的作用下,秒的個位加法計數器

7、開始記數，通過譯碼器和數碼顯示管顯示數字即計數器。當經過10個脈沖信號后，秒個位計數器完成一次循環，秒十位計數器的CP與秒個位計數器的CP同步,秒十位開始計數，秒十位計數器工作1次，通過譯碼器和數碼顯示管，秒十位數字加1。當經過60個脈沖信號，秒部分電路完成一個周期，分鐘個位計數器的CP通過秒十位計數器的Q2Q1與非得到脈沖，分鐘個位計數器工作一次，通過譯碼器和數碼顯示管，分鐘的個位數字加1。分部分的工作方式與秒部分電路完全相同。當經過3600個脈沖信號，分鐘部分電路完成一個周期，小時個位計數器的CP通過分十位計數器的Q2Q1與非得到脈沖，小時個位計數器工作一次，通過譯碼器和數碼顯示管，小時的

8、個位數字加1。當小時個位部分完成一個周期，小時十位計數器的CP與小時個位計數器的CP同步,小時十位開始計數，小時十位計數器工作1次，通過譯碼器和數碼顯示管，小時的十位數字加1。當小時十位部分計數到2同時小時的個位部分計數到4，小時個位計數器的清零端和十位計數器的清零端通過小時個位計數器的Q2和小時十位計數器的Q1與非得到信號，小時部分清零，從而完成了1次24小時計時。五具體實現由圖我們可以看出，振蕩器產生的信號經過分頻器作為產生秒脈沖，秒脈沖送入計數器，計數結果經過“時”、“分”、“秒”，譯碼器，顯示器顯示時間。其中振蕩器和分頻器組成標準秒脈沖信號發生器，由不同進制的計數器，譯碼器和顯示電路組

9、成計時系統。秒信號送入計數器進行計數，把累計的結果以“時”、“分”、“秒”的數字顯示出來。“時”顯示由二十四進制計數器，譯碼器，顯示器構成；“分”、“秒”顯示分別由六十進制的計數器，譯碼器，顯示器構成；校時電路實現對時，分的校準。六各部分定性說明以及定量計算1.振蕩器秒發生電路-振蕩器是計時器的核心，振蕩器的穩定度和頻率的精確度決定了計時器的準確度。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度就越高，但耗電量將越大。所以，在設計電路時要根據需要而設計出最佳電路。在此設計中，我采用的是精度不高的，由集成電路555與RC組成的多諧振蕩器。555定時器是一個模擬與數字混合型的集成電路。555定時器是一種應用

10、極為廣泛的中規模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩、多諧和施密特觸發器。因而廣泛用于信號的產生、變換、控制與檢測。 目前生產的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。它們的結構及工作原理基本相同。通常，雙極型定時器具有較大的驅動能力，而CMOS定時器具有低功耗、輸入阻抗高等優點。555定時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為516V，最大負載電流可達200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為318V，最大負載電流在4mA以下。左面圖 是555定時器內部組成框圖。它主要由兩個高

11、精度電壓比較器C1、C2，一個RS觸發器，一個放電三極管和三個5K電阻的分壓器而構成。（圖4.1）它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo2腳： 低觸發端6腳：TH高觸發端4腳： 是直接清零端。當 端接低電平，則時基電路不工作，此時不論 、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入

12、干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準電壓分別為 的情況下，其功能如下表：輸入in輸出outVTD任意任意00導通10導通11截止1不變不變（表4.1） 由圖1可知，接通電源后，電容C1被充電，vC上升，當vC上升到大于2/3VCC時，觸發器被復位，放電管T導通，此時v0為低電平，電容C1通過R2和T放電，使vC下降。當vC下降到小于1/3VCC時，觸發器被置位，v0翻轉為高電平。電容器C1放電結束；當C1放電結束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C1充電；當vC上升到2/3VCC時，觸發器又被復位發生翻

13、轉，如此周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其周期為 ： 。 本設計中，由電路圖可知R1和C的值，然后再根據調節R2的值可使得T=1s。2.分頻器分頻器的功能主要有兩個：一個是產生標準秒脈沖信號；二是提供功能擴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。本設計中，由于振蕩器產生的信號頻率太高，要得到標準的秒信號，就需要對所得的信號進行分頻。這里所采用的分頻電路是由3個總規模計數器74LS90來構成的3級1/10分頻。74LS90的引腳圖及其功能圖如下圖所示： 74ls90引腳圖： （圖4.2） 74ls90真值表：（表4.2）輸入量輸出量R01R0

14、2R91R92Q3Q2Q1Q01101000011100000不定不定111001至少一個為0至少一個為0計數十分頻時：輸入接A，B與相連，從輸出；五分頻時：輸入接A，B與相連，從輸出；二分頻時：輸入接A，B與相連，從輸出。（注：一般芯片的NC引腳在應用中必須懸空，不允許接任何外圍。因為NC腳,可能是懸空的腳，也可能是用于測試的腳。）3、計數器本設計所采用的是十進制計數器74SL90，根據時分秒各個部分的的不同功能，設計成不同進制的計數器。秒的個位，需要10進制計數器，十位需6進制計數器（計數到59時清零并進位），秒部分設計與分鐘的設計完全相同；時部分的設計為當時鐘計數到24時，使計數器的小時

15、部分清零，從而實現整體循環計時的功能。計數部分：利用74LS90芯片和74LS08芯片組成的計數器，它們采用異步連接，利用外接標準1Hz脈沖信號進行計數。顯示部分： 將六片74LS90的Q0Q1Q2Q3腳分別接到CD4511上的輸入上，根據脈沖的個數顯示時間。秒信號經過計數器之后分別得到顯示電路，以便實現用數字顯示時、分、秒的要求，計時電路共分三部分：計秒、計分和計時。其中，計秒和計分都是60進制，而計時為24進制，可以采用兩個十進制計數器74LS90實現24進制、60進制計數器。（1）六十進制計數由分頻器來的秒脈沖信號，首先送到“秒”計數器進行累加計數，秒計數器應完成一分鐘之內秒數目的累加，

16、并達到60秒時產生一個進位信號，所以，選用2片74LS160和一片74LS00組成六十進制計數器，采用反饋歸零的方法來實現六十進制計數。其中，“秒”十位是六進制，“秒”個位是十進制。 秒的個位部分為逢十進一，十位部分為逢六進一，從而共同完成60進制計數器，當計數到59時清零并重新開始計數。個位實現10進制計數和進位功能，秒的十位在計數至0110時由與非門反饋清零實現6進制。注：分鐘電路設計與秒電路完全相同。（2）二十四進制計數器：選用2片74LS90和一片74LS08組成24進制計數器，采用反饋歸零的方法來實現24進制計數。當十位為0010且個位為0100時利用74ls08與門使兩芯片異步清零。4.顯示器本實驗采用七段顯示器5.校正時、分當數字鐘走時出現誤差時，需要校正時間。校時電路實現對“時”“分”“秒”的校準。在電路中設有正常計時和校對位置。本實驗實現“時”“分”的校對。6.電路整點報時。七實驗仿真在電子電路計算機仿真軟件Multisim10.0中進行調試和仿真數字電子鐘，得到的仿真電路圖如附二圖所示。由仿真電路實驗知道了當高頻信號經過分頻器后得到標準的秒脈沖信號，進入60進制的“秒”計時，“秒”的分位進入60進制的“分”計時，最后，由分的“時”進位進入24進制的“時”計時。再加上由門電路和開關構成的校時電路對電路的“時”，“分”進行校時，從而得