1、引言鐘表的數字化給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大大的擴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、定時啟閉路燈、定時開關烘箱、通斷動力設備，甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些都是以鐘表數字化為基礎的。因此研究數字鐘及擴大應用，有著非常現實的意義。1 指標要求 要想構成數字鐘，首先應有一個能自動產生穩定的標準時間脈沖信號的信號源。還需要有一個使高頻脈沖信號變成適合于計時的低頻脈沖信號的分頻器電路，即頻率為1HZ的“秒脈沖”信號。經過分頻器輸出的秒脈沖信號到計數器中進行計數。由于計時的規律是：60秒=1分，60分=1小時，24小時=1天，這就需要分

2、別設計60進制，24進制，（或12進制的計時器，并發出驅動AM；PM的標志信號）。各計數器輸出的信號經譯碼器/驅動器送到數字顯示器對應的筆劃段，使得 “時”、“分”、“秒”得以數字顯示。值得注意的是：任何數字計時器都有誤，因此應考慮校準時間電路，校時電路一般采用自動快調和手動調整，“自動快調”是利用分頻器輸出的不同頻率脈沖使得顯示時間自動迅速的得到調整。 “手動調整” 是利用手動的節拍調整顯示時間。1.1 主要技術指標和要求（1）顯示時、分、秒，采用24小時制。（2）具有校時功能，可以對小時和分單獨校時，對分校時的時候，停止分向小時進位。校時時鐘源可以手動輸入或借用電路中的時鐘。（3）為了保證

3、計時準確、穩定，由晶體振蕩器提供標準時間的基準信號。 （4）24小時誤差不高于60秒。2 設計與計算2.1 設計方案介紹數字時鐘是用數字集成電路構成，用數碼顯示的一種現代化計數器，由振蕩器、分頻器、校時電路、計數器、譯碼器和顯示器6個部分組成。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、譯碼器組成和顯示器組成計時系統，通過校時電路實現對時、分的校準。由于采用純數字硬件設計制作，與傳統機械表相比，具有走時準確、顯示直觀、無機械傳動裝置等特點。基本原理的邏輯框圖如圖所示，由圖知：石英晶體振蕩器產生的信號經過分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計數器計數，計數結果通過“時”、“分”、“秒”譯碼器顯

4、示時間。其中，石英晶體振蕩器和分頻器組成標準秒信號發生器，由不同進制的計數器、譯碼器和顯示器組成計時系統。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計數器、譯碼器、顯示器構成。 圖2.1 數字電子鐘的邏輯圖2.2 數字計時器單元電路的設計石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器的特點是振蕩頻率準確、電路結構簡單、頻率易調整。它還具有壓電效應，在晶體某一方向加一電場，則在與此垂直的方向產生機械振動，有了機械振動就會在相應的垂直面上產生電場，從而使機械振動和電場互為因果，這種循環過程一直持續到

5、晶體的機械強度限制時，才達到最后的穩定，這種壓電諧振的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率。如圖所示：R1為反饋電阻，取10-100兆歐，其作用是為CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大狀態，C1為頻率微調電容，取5-30pF，C2為溫度特性校正電容，一般取20-50pF，石英晶體采用32768HZ晶振，要得到1HZ的脈沖，則需要經過15級二分頻器完成。 圖石英晶體振蕩電路分頻器由于石英振蕩器產生的頻率很高，要得到秒脈沖，需要用分頻器電路。石英晶體振蕩分頻電路如圖所示： 圖 石英晶體振蕩分頻電路 CD4060是14位二進制計數器，它內部有14級二分頻器，CIN(11腳)為輸入引腳，Q14（3腳）為輸出

6、引腳，由于CD4060只能實現14級分頻，所以在其后面再加上一級二分頻的雙D觸發器CD4013，從而得到1HZ的秒脈沖。校時電路當數字時鐘與實際時間不符時，需要根據標準時間校正。校時電路如圖所示：該電路能對時、分、秒分別校準。原理如下：其中CP0為秒計時脈沖，CP1為分計時脈沖，CP2為時計時脈沖。當校“秒”時，將開關S1閉合，此時門電路A9被封鎖，1HZ信號的脈沖不能進入到“秒計數器”中，此時暫停秒計時，如果數字鐘與標準時間一致，斷開S1，數字鐘秒顯示與標準時間秒計時同步進行，“秒”位校時完。當校“分”時，將開關S2閉合，由于A7、A8輸出為高電平，秒十位的進位就不能通過A6、A7向分計時器

7、CP1進位，此時1HZ脈沖信號按秒節奏計數，如果分計數器的顯示與標準時間一致，斷開S1，與非門A5被封鎖，此時秒十位的進位信號通過A6、A7向CP1進位，“分”位校時完。校“時”與校“分”同理。圖 校時電路圖計數器顯示“時”、“分”、“秒”需要6片中規模計數器。其中，“秒”、“分”計時各為六十進制計數器，“時”計時為二十四進制計數器，六十進制和二十四進制計數器都選用74LS90集成塊來實現。（1） 六十進制計數器 “秒”計數器電路與“分”計數器電路都是六十進制，它由一級十進制計數器和一級六進制計數器連接構成。原理圖如圖所示：采用兩片中規模集成電路74LS90串接起來構成“秒”、“分”計數器。U

8、2是十進制計數器，U2的Q4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，U1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，U1的Q0和Q3與0101的下降沿，作為“分（時）”計數器的輸入信號，U1的輸出0110高電平1分別送到計數器的MR1、MR2端清零，74LS90內部的MR1和MR2與非后清零而使計數器歸零，完成六進制計數。由此可見，U1和U2串聯實現了六十進制計數。圖.1 六十進制計數器電路（2） 二十四進制計數器 時計數電路是由U4和U3組成的二十四進制計數電路。原理圖如圖所示：當“時”個位U4計數輸入端到第10個觸發信

9、號時，U4計數器復位零，進位端Q4向U3“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，U4計數器的狀態為“0100”，U3計數器的狀態為“0010”，此時“時”個位計數器的Q3和“時”十位計數器的Q2輸出為“1”。把它們分別送到U2和U1計數器的清零端MR1和MR1，通過74LS90內部的MR1和MR2與非后清零，計數器復零，完成二十四進制計數。圖.2 二十四進制計數器電路譯碼器譯碼是將給定的代碼進行翻譯。計數器采用的碼制不同，譯碼電路也不同。74LS48驅動器是與8421BCD編碼計數器配合用的七段譯碼驅動器。74LS48配有燈測試LT、動態滅燈

10、輸入RBI、滅燈輸入/動態滅燈輸出BI/RBO，當LT=“0”時，74LS48輸出全為“1”。74LS48的使用方法參照TTL手冊。74LS48的輸入端和計數器對應的輸出端相連，74LS48的輸出端與七段顯示器對應的輸入相連。 表 譯碼器74LS48的功能表顯示器本系統用七段發光二極管來顯示譯碼器輸出的數字，顯示器有兩種：共陽極或共陰極顯示器。74LS48譯碼器對應的顯示器是共陰極（接地）顯示器。在本設計中采用的是解碼七段排列顯示器。 LED數碼管是目前最常用的數字顯示器，圖(a)、(b)為共陰管和共陽管的電路，(c)為兩種不同出線形式的引出腳功能圖。一個LED數碼管可用來顯示一位09十進制數

11、和一個小數點。小型數碼管（0.5寸和0.36寸）每段發光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為22.5V，每個發光二極管的點亮電流在510mA。LED數碼管要顯示BCD碼所表示的十進制數字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當的驅動能力。 (a) 共陰連接（“1”電平驅動） (b) 共陽連接（“0”電平驅動）(c) 符號及引腳功能圖 LED數碼管3 元件的安裝與調試安裝過程中，剛開始階段，由于對圖紙以及個元件的不了解。秒的個位及十位在調試過程中出現了數字顯示不全的現象，不過在同組同學配合以及仔細檢查后，克服了困難找到了問題的所

12、在，在連接六進制的過程中，發現電路只能4、5的跳動，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。在連接六進制、十進制、六十進制的進位及十二進制的接法中，要熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯時便能準確地找出錯誤所在并及時糾正了。本次實驗中還發現一塊壞的LED數碼管，經更換后均能正常顯示。通過安裝以及調試過程，最后連接出了可正常顯示“秒”、“分”、“時”的電子鐘。4 軟件仿真4.1 仿真軟件環境：Multisim10軟件 學習使用Multisim10軟件，學會從該軟件上找到所需的芯片及元器件，由秒向時部分依次進行設計并逐步仿真，從而發現問題能及時解決。4.2 校時

13、電路仿真 仿真只對時校時電路進行了仿真，其它一樣，仿真如圖所示： 圖4.2 校時電路仿真4.3 計數器電路仿真六十進制計數器電路仿真 圖 六十進制計數器電路仿真二十四進制計數器電路仿真 圖 二十四進制計數器電路仿真 4.4 數字時鐘系統電路仿真 現在對數字計數器總電路仿真 圖4.4 數字計時器總電路仿真4.5 元件內部結構圖及引腳圖74LS00是一種典型的與非門器件，內含有4個2輸入與非門，共14個引腳，引腳排列圖如下：1A4A，1B4B 輸入端1Y4Y 輸出端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。其引腳排列圖和功

14、能表如下所示：74LS90的引腳排列圖 ABYLLHLHHHLHHHL74HC00的引角圖：1A-4A,1B-4B輸入；1Y-4Y輸出 引角圖：A1-A6輸入，Y1-Y6輸出 5 結論學貴以致用，我們剛學完模電和數點的知識，對兩種電路有了一定的理論認識，但是還欠缺實踐操作能力的培養，通過幾天的數字鐘設計過程，將從書本上學到的知識應用于實踐，學會了初步的電子電路仿真設計，雖然過程中遇到了一些困難，但是在解決這些問題的過程無疑也是對自己自身專業素質的一種提高。當最終調試成功的時候也是對自己的一種肯定。在此次的數字鐘設計過程中，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

15、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。雖然設計過程中出現了很多的問題的，但是通過請教同學、老師并且查找網上相關資料都得到了解決，這也是對自己處理問題能力的鍛煉。設計本身并不是有很重要的意義，而是我們對待問題時的態度和處理事情的能力。至于設計的成績無須看的太過于重要，而是設計的過程，設計的思想和設計電路中的每一個環節，電路中各個部分的功能是如何實現的。各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應該注意那些要點。同一個電路可以用那些芯片實現，各個芯片實現同一個功能的區別。另外

16、，我們設計要從市場需求出發，既要有強大的功能，又要在價格方面比同等檔次的便宜。雖然我們現在作的不可能到市場上去銷售，但我們要為以后作設計培養出好的習慣。 在這次設計過程中，進一步提高了我對Protel, Multisim10的操作能力，而且使自己在查找資料方面能力有了提高。參考文獻1 黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析M.北京： 電子工業出版社， 2008：2682722 彭介華.電子技術課程設計指導M.北京： 高等教育出版社，19973 .（備注：査找集成芯片的網站）4 康華光.電子技術基礎數字部分M.北京： 高等教育出版社，2005:1271925 畢滿清. 電子技術實驗與課程設計M. 北京：機械工業出版社，19956 陳明義. 電工電子技術課程設計指導M. 長沙：中南大學出版社，20027 康華光.電子技術基礎模擬部分M.北京： 高等教育出版社，20058 呂思忠、施齊云，數字電路實驗與課程設計M.哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社，20019 盧結成、高世忻、陳力生等，電子電路實驗與應用課題設計M.北京： 中國科學技術大學出 版社，2002 10