1、所屬課程名稱 硬件電路設計 題 目 數字電子時鐘摘 要在生活中的各種場合經常要用到電子鐘，現代電子技術的飛躍發展，各類智能化產品相應而出，數字電路具有電路簡單、可靠性高、成本低等優點，本設計就以數字電路為核心設計智能電子鐘。數字鐘是采用數字電路實現對時,分,秒數字顯示的計時裝置,廣泛用于個人家庭,車站, 碼頭辦公室等公共場所,成為人們日常生活中不可少的必需品,由于數字集成電路的發展和石英晶體振蕩器的廣泛應用,使得數字鐘的精度,運運超過老式鐘表, 鐘表的數字化給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。因此，研究數字鐘及擴大其應用，有著非常現實的意義。本設計電路由計時電路

2、、動態顯示電路、控制電路、顯示電路等部分組成，在數碼管上顯示24小時計時的時刻，具有清零、保持、校時、報時的功能，并在此基礎上增加了星期顯示的功能。數字鐘計時的標準信號應該是頻率相當穩定的1HZ秒脈沖，所以要設置標準時間源。數字鐘計時周期是24小時，因此必須設置24小時計數器，應由模為60的秒計數器和分計數器及模為24的時計數器組成，秒、分、時由七段數碼管顯示。為使數字鐘走時與標準時間一致，校時電路是必不可少的。設計中采用開關控制校時直接用秒脈沖先后對“時”，“分”計數器進行校時操作。能進行整點報時，在從59分50秒開始，每隔2秒鐘發出一次“嘟”的信號，連續五次，此信號結束即達到正點。關鍵字

3、振蕩器 分頻器 譯碼器 計數器 校時電路 報時電路目 錄1 設計目的意義 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 在線編程電路和實物圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 設計方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 3.1.設計、調試要點 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2設計原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、 .124功能分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125. 課程設計的收獲、體會和建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136.參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 設計任務設計制作一個數字電子鐘。1.1課程性質數字邏輯課程設計1.2 課程目的數字鐘是一種用數字電路技術實現時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數字鐘從原理上講是一種典型的數字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。因此，我們此次設計與制作數字鐘就是為了了解數字鐘的原理，從而學會制作數字鐘，由數字鐘的制作過程進一步了解各種中小規模集成電路的引腳的安排和各芯片的邏輯功能及使用方法，再通過使用Proteus仿真技術，實際運

7、用能力，獨立完整地設計具有一定功能的電子電路。1.3 設計要求1.31設計指標(1)時間計數電路采用24進制，從00開始到23后再回到00；(2)各用2位數碼管顯示時、分、秒；(3)具有手動校時、校分功能，可以分別對時、分進行單獨校正；(4)計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器響1秒停1秒地響5次；設計相關提示（1）為了保證計時的穩定及準確，須由晶體振蕩器提供時間基準信號；（2）數字鐘由振蕩器、計數器、譯碼器和顯示器電路所組成；（3）振蕩器產生的時鐘信號經過分頻器形成1秒信號，秒信號輸入計數器進行計數，并把累計結果以“時”、“分”、“秒”的數字顯示出來。1.4方案對比方案一

8、：（1）采用晶體振蕩器晶體振蕩器電路給數字鐘提供一個頻率穩定準確的32768z的方波信號，可保證數字鐘的走時準確及穩定。（2）用CD4060計數作分頻器數字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。CD4060在數字集成電路中可實現的分頻次數最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計數為14級2進制計數器，可以將32768HZ的信號分頻為2HZ，其次CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現振蕩和分頻的功能。（3）采用74Ls90做計時器方案二：（1）采用555構成的多偕振蕩電路振蕩器電路選用555構

9、成的多偕振蕩器，設振蕩頻率f=1000HZ，其中的電位器可以微調振蕩器的輸出頻率。（2）用74LS90作分頻器 通常實現分頻器的電路是計數器電路，一般采用多級10進制計數器來實現。分頻器的功能有兩個：一是產生標準秒脈沖信號；二是提供功能擴展電路所需的信號。選用中規模集成電路74LS90可以完成以上功能。如圖所示，將3片74LS90級聯，每片為1/10分頻，三片級聯正好獲得1HZ的標準秒脈沖。（3）采用74LS90做計時器比較： 秒信號發生器是數字電子鐘的核心部分，它的精度和穩度決定了數字鐘的質量，而由于用555組成的頻率發生器電路不穩定，而相對方案一而言，電路較為復雜，所以我們采用方案一：二十

10、四進制電路和六十進制電路都是用兩個74LS90組，七進制電路同樣用一個74LS90，輸入方波信號是用晶體振蕩器提供，譯碼驅動器是用CD4511。分頻器采用一片CD4060和一片74LS90組成，分頻后輸出1Hz的方波信號。如圖1所示。2 數字電子鐘系統設計2.1 數字鐘的構成數字電子鐘由基準頻率源、分頻器、計數器、譯碼顯示驅動器、數字顯示器和校準電路等六部分組成。如圖1所示。圖1 數字鐘的組成框圖 晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數字鐘提供一個頻率穩定準確的32768Hz的方波信號，此外還有一校正電容可以對溫度進行補償，以提高頻率準確度和穩定度，使穩定度優于10-4，可保證數字鐘的走時準確及穩定

11、。不管是指針式的電子鐘還是數字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。由于晶體具有較高的頻率穩定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩定和準確。 分頻器電路分頻器電路將32768Hz的高頻方波信號經32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數器進行計數。分頻器實際上也就是計數器。時間計數器電路時間計數電路由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器、時個位和時十位計數器及星期計數器電路構成，其中秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器為60進制計數器，時個位和時十位計數器為24進制計數器，星期計數器為7進制計數器。譯碼驅動電路譯碼驅動電路將計數器輸出的8421BCD碼轉換為數碼管需要的邏輯狀態

12、，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。 數碼管數碼管通常有發光二極管（LED）數碼管和液晶（LCD）數碼管，本設計提供的為LED數碼管。2.2 數字鐘的工作原理晶體振蕩器電路由圖2所示，電路通過CMOS非門構成的輸出為方波的數字式晶體振蕩電路。這個電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構成晶體振蕩器電路，U2實現整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉換為較理想的方波。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與晶體構成一個諧振型網絡，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構成一個正反

13、饋網絡，實現了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩定和準確。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為1M10M。本設計中取10M，由于實驗室提供的器件有限的關系，該電阻可由兩個22 M的電阻并聯而成。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩定性。至于電路中的電容均采用可調電容，將其調至30pF。圖2 晶體振蕩器電路 分頻器電路因為，數字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。通常實現分頻器的電路是計數器電路，一般采用多級2進制計數器來實現。將32768Hz的振蕩信號分頻為Hz的分頻倍數為32768（2

14、15），即實現該分頻功能的計數器相當于15極2進制計數器。這里用一個14級2進制計數器和一個1級2進制計數器。本設計中采用CD4060來構成14級再通過一個74LS90來實現輸出1HZ的信號。CD4060計數為14級2進制計數器，可以將32768Hz的信號分頻為2Hz，CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現振蕩和分頻的功能。由此可知用CD4060和外加元件可構成晶體振蕩器,采用32768Hz晶體振蕩器產生的32768Hz的信號經CD4060的14級分頻從Q13送出2Hz的信號（如下圖3所示），送給74LS90的計數器中，然后從QA端即可得到1Hz的信號。圖3 CD4060構成

15、脈沖發生及分頻電路時間計數器電路時間計數單元有時計數、分計數、秒計數和星期計數等幾個部分。時計數單元一般為24進制計數器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計數和秒計數單元為60進制計數器，其輸出也為8421BCD碼；星期計數單元為7進制計數器，其輸出也為8421BCD碼形式。（1）60進制計數：“秒”計數器電路與“分”計數器電路都是60進制，它由一級10進制計數器和一級6進制計數器連接構成，如圖4所示，采用兩片中規模集成電路74LS90串接起來構成的“秒”、“分”計數器。 74LS90 R0（1） R0（2） IC2 74LS90IC1&1QD1QA2QB2QC2CP2CP11秒74LS0

16、074LS04至分(時)計數器的CP端圖4 60進制計數器IC1是十進制計數器，QD1作為十進制的進位信號，74LS90計數器是十進制異步計數器，用反饋歸零方法實現十進制計數，IC2和與非門組成六進制計數。74LS90是在CP信號的下降沿翻轉計數，QA2和QC2相與0101的下降沿，作為“分”（“時”）計數器的輸入信號。QB2和QC20110高電平1分別送到計數器的清零R0（1），R0（2），74LS90內部的R0（1）和R0（2）與非后清零而使計數器歸零，完成六進制數。由此可見IC1和IC2串聯實現了六十進制計數。（2）24進制計數器：小時計數電路是由IC5和IC6組成的24進制計數電路，如

17、圖5所示。當“時”個位IC5計數輸入端CP5來到第10個觸發信號時，IC5計數器復零，進位端QD5向IC6“時”十位計數器輸出進位信號，當第24個“時”（來自“分”計數器輸出的進位信號）脈沖到達時，IC5計數器的狀態為“0100”， IC6計數器的狀態為“0010”，此時“時”個位計數器的QC5和“時”十位計數器的QB6輸出為“1”。把它們分別送到IC5和IC6計數器的清零端R0（1）和R0（2），通過7490內部的R0（1）和R0（2）與非后清零，計數器復零，完成24進制計數。 74LS90 R0(1) R0(2) IC6 74LS90R0(1) R0(2) IC5QD5QB6CP1CP5時

18、(來自分輸出的進位信號)QC5圖5 24進制計數器（3）7進制計數器：星期計數電路是由IC7構成的7進制計數電路。圖6 7進制計數器譯碼顯示電路選擇CD4511作為顯示譯碼電路；選擇LED數碼管作為顯示單元電路。由CD4511把輸進來的二進制信號翻譯成十進制數字，再由數碼管顯示出來。計數器實現了對時間的累計并以8421BCD碼的形式輸送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD碼轉變為十進制數碼送到數碼管中顯示出來。如圖7所示。圖7 二十四進制計數電路和六十進制計數電路3 設計方案3.1設計、調試要點組裝電子鐘，注意，器件管腳的連接一定要準確，“懸空端”、“清0端”、“置1端”要正確處理，調

19、試步驟和方法如下：（1）可以先將系統劃分為振蕩器、計數器、分頻器、譯碼顯示等部分，對它們分別進行設計與調試，最后聯機統調。（2）各部件設計安裝完畢后，用示波器或頻率計觀察石英晶體振蕩器的輸出頻率，晶振輸出頻率應為4MHz。（3）將頻率為4MHz的脈沖信號送入分頻器，用示波器或頻率計觀察分頻器的輸出頻率是否達到設計要求。（4）將頻率為1Hz的標準秒脈沖信號分別送入“時“分”、“秒”計數器，檢查各級計數器的工作狀況。（5）將合適的BCD碼分別送入各級譯碼顯示器的輸入端，檢查數碼顯示是否正確。各部件調試正常后，進行組裝聯調，檢查校準電路是否可以實現快速校時，最后對系統進行微調。（6）當分頻器和計數器

20、調試正常后，觀察電子鐘是否正常地工作。3.2 設計原理4功能分析電子鐘功能1.走時：默認為走時狀態，按24小時制分別顯示“時時：分分：秒秒”，有四個秒點動態顯示，時間會按實際時間以秒為最少單位變化。2.誤差修正狀態：大家知道，即便是世界上最優良正統的石英晶振，頻率也會有偏差，需要電容微調校正頻率，不同的電容和負載會影響到頻率偏移。這種情況可能會使日誤差達到幾十秒。當然，配備優質正品元件會使走時誤差小到幾秒，如果設計微調電容的話，就可以使每天的走時誤差小到1秒以內。但是，對于業余制作來說，沒有更標準的測量設備來證明你的調試是剛剛好，不能測周期，不能測頻率（普通的測量會改變電路工作參數帶來更大的測

21、量誤差）。而我們一般都會按電視臺的時間來做對比，經過了24小時，我的電子鐘究竟是快了？還是慢了？現在不用怕了，本電子鐘設計了誤差校正程序：如果你的電子鐘走一天會快1.6秒（或者慢0.8秒），那么，通過本電子鐘的誤差校正設置，可以在一天中不知不覺的減慢1.6秒（或者加快0.8秒）。因此，本電子鐘理論上可以做到日誤差小于0.2秒，當然，具體的過程和效果還需要大家去操作和證明。誤差校正方法：在鬧時調整狀態下，再長按K1（或K2、K3）兩秒鐘以上，時位、分位會變成“一一一一”或者“三三三三”，表示變慢或者變快的意思，按K1選擇；秒位會變成00，按K2、K3會在00-80中變化，數字越大，表示校正越大，

22、00等于即不校正變快也不校正變慢，例如2+0=2-0這樣的情況。20秒以上長時間沒有任何按鍵操作時，自動按變為正常走時狀態。其它功能：1、如果是在走時狀態，正逢到在鬧鈴響（會長響20秒）中，按K1、K2、K3任意鍵停止發聲。2、在走時狀態，按K3可以讓電子鐘每秒都發出短短的“嘀”聲，這有點類似機械指針式的電子鐘（或者機械手表）的聲音，當然，聲音要大得多。這個功能很有用，例如，我們有些特殊情況時不能去看著鐘，但是可以閉上眼睛聽聲音在心中默默數數經過了多少秒再去操作某某。再按可以關掉秒發聲。3、整點報時功能：按K2可以開啟和關閉整點報時功能。開啟后每逢整點就會聽到長響兩秒“嘀”聲。4、鬧時開關功能

23、：按K1可以開啟和關閉定時鬧鈴功能。關閉鬧鈴后，以前設置的數據不會丟失。由于電路設計得極其簡單，因此豐富的功能只能由軟件完成，這里軟件設計成為了關鍵。下面介紹軟件設計中采用的一些要點。本電子鐘程序設計時只使用了一個定時數T0,其它的中斷全部關斷,定時器工作在兩個8位自動加載初始值狀態。這是保證走時精確穩定的重要方法。站長看到很多書本教材上都讓大家用定時器中斷來執行動態顯示程序和按鍵掃描程序，這是一種很不好的方法，除了浪費硬件資源以外，還會增加程序復雜性，還會影響其它程序運行。站長認為，越是中斷程序，就要越寫得簡短，最好幾條指令就立即結束，對于動態掃描顯示、按鍵功能等等可以寫在主程序中讓程序不停

24、的反復運行，如果中斷多，最大的壞處就是影響到主程序運行時間不夠，掃描顯示會出現閃爍，或者按鍵反應變慢（一般覺察不出），可是，這又有另一好處，你可以隨時改良程序并且立即看到結果。LED動態掃描顯示是分時點亮各個LED，利用人的視覺暫留特性，讓人覺得是連續點亮。當點亮的頻率高時，說明單片機有充足的時間運行主程序， 5課程設計的收獲、體會和建議5.1.設計實驗出現的問題及解決（1）在檢測CD4511驅動電路的過程中發現數碼管不能正常顯示的狀況，經檢驗發現主要是由于接觸不良的問題，其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良，在實驗過程中，數碼管有幾段二極管時隱時現，有時會消失。用5V電源對數碼管進行檢測，一

25、端接地，另一端接觸每一段二極管，發現二極管能正常顯示的，再用萬用表歐姆檔檢測每一根線是否接觸良好，在檢測過程中發現有幾根線有時能接通，有時不能接通，把接觸不好的線重新接過后發現能正常顯示了。其次是由于芯片接觸不良的問題，用萬用表歐姆檔檢測有幾個引腳本該相通的地方卻未通，而檢測的導線狀況良好，其解決方法為把CD4511的芯片拔出，根據面包板孔的的狀況重新調整其引腳，使其正對于孔，再用力均勻地將芯片插入面包板中，此后發現能正常顯示。 （2）在連接晶振的過程中，晶振無法起振。在排除線與芯片的接觸不良問題后重新對照電路圖，發現是由于12腳未接地所至。（3）在連接六進制的過程中，發現電路只能4、5的跳動

26、，后經發現是由于接到與非門的引腳接錯一根所至，經糾正后能正常顯示。（4）在連接校正電路的過程中，出現時和分都能正常校正時，但秒卻受到影響，特別時一較分鐘的時候秒亂跳，而不校時的時候，秒從40跳到59，然后又跳回40，分和秒之間無進位，電路在時、分、秒進位過程中能正常顯示，故可排除芯片和連線的接觸不良的問題。經檢查，校正電路的連線沒有錯誤，后用萬用表的直流電壓檔帶電檢測秒十位的QA、QB、QC和QD腳，發現QA腳時有電壓時而無電壓，再檢測秒到分和分到時的進位端，發現是由于秒到分的進位未拔掉所至。（5）在制作報時電路的過程中，發現蜂鳴器在57分59秒的時候就開始報時，后經檢測電路發現是由于把74H

27、C30芯片當16引腳的芯片來接，以至接線都錯位，重新接線后能正常報時。（6）連接分頻電路時，把時個位的QD和時十位的1腳斷開，然后時十位的1腳接到晶振的3腳，時十位的3腳接到秒個位的1腳，所連接的電路圖無法正常工作，時十位從0-9的跳，時個位只能顯示一個0，在這個電路中3腳的分頻用到兩次，故無法正常顯示，因此要把12進制接到74HC390的一個邏輯電路空出來用于分頻即可，因此把時十位的CD4511的12、6腳接地，7腳改為接74HC390的5腳，74HC390的3、4腳斷開，然后4腳接9腳即可，其中空出的74HC390的3腳就可用于2Hz的分頻，分頻后變為1Hz，整個電路也到此為正常的數字鐘計

28、數。5.2.設計體會 大二我們學習了數字電子電路和模擬電子電路，對電子技術有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次對數字鐘的設計與制作，讓我們了解了電路的設計程序，也對數字鐘的原理與設計理念有了一定的了解。我們知道了如何設計出1HZ的信號，也對時分秒的設計有了一定的了解，并且知道在實際電路一般步驟為由數字鐘系統組成框圖按照信號的流向分級安裝，逐級級聯，這里的每一級是指組成數字鐘的各功能電路。級聯時如果出現時序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，可以增加多級邏輯門來延時。 同時，在此次的數字鐘設計過程中，我們更進一步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法，也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關資料來解決問題的習慣。雖然這只是一次簡單的課程設計，但通過這次課程設計我們了解了課程設計的一般步驟，和設計中應注意的問題。設計本身并不是有很重要的意義，而是我們對待問題時的