1、數(shù)字鐘設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、前言數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、分、秒數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置，以其顯示的直觀性、走時(shí)準(zhǔn)確穩(wěn)定而受到人們的歡迎，廣泛用于個(gè)人家庭、車站、碼頭、辦公室等公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)帶來(lái)了極大的方便，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?，由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體與555振蕩器的廣泛應(yīng)用，使得數(shù)字鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)老式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極人的方便，而目大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、通斷動(dòng)力設(shè)備、以及各種定時(shí)電氣的自動(dòng)啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)

2、用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。二、設(shè)計(jì)目的1.掌握數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法。2熟悉集成電路的使用方法。3通過(guò)實(shí)訓(xùn)學(xué)會(huì)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；4通過(guò)實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)元器件的選擇及集成電路手冊(cè)查詢方法；5通過(guò)實(shí)訓(xùn)掌握電子電路調(diào)試及故障排除方法；6熟悉數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱的使用方法。三、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)可以顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字鐘。要求：1、24小時(shí)為一個(gè)計(jì)數(shù)周期；2、具有校時(shí)功能；3、具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能；4、主要采用中小規(guī)模集成電路完成設(shè)計(jì)；5、電源電壓+5V。四、設(shè)計(jì)方案一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時(shí)”，“分”，“秒”計(jì)數(shù)器和定時(shí)器組成。干電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒、”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、電路組成。首先構(gòu)成一

3、個(gè)由32768Hz的石英晶體振蕩器和由CD4060構(gòu)成的分頻器構(gòu)成的產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，由74LS161采用清零法分別組成六十進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器、六十進(jìn)制分計(jì)數(shù)器、二十四進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器和七進(jìn)制的周計(jì)數(shù)器。使用由32768Hz的石英晶體振蕩器和由CD4060構(gòu)成的分頻器構(gòu)成的產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，把秒計(jì)數(shù)器地進(jìn)位輸出作為分計(jì)數(shù)器的CP脈沖，分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為時(shí)計(jì)數(shù)器的CP脈沖，時(shí)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為周計(jì)數(shù)器的CP脈沖。使用74LS48為驅(qū)動(dòng)器，BS201A數(shù)碼管作為顯示器。五、數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)原理（一）設(shè)計(jì)步驟1、設(shè)計(jì)一個(gè)精準(zhǔn)的秒脈沖產(chǎn)生電路；2、設(shè)計(jì)60進(jìn)制、24進(jìn)制計(jì)數(shù)器；

4、3、設(shè)計(jì)譯碼顯示電路；4、設(shè)計(jì)校時(shí)電路；5、設(shè)計(jì)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。（二）數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)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(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)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。下圖為數(shù)字鐘的構(gòu)成框圖。1.石英晶體振蕩器石英晶體本身并非振蕩器，它只有借助于有源激勵(lì)和無(wú)源電抗網(wǎng)絡(luò)方可產(chǎn)生振蕩。晶體的頻率（基頻或n次諧波頻率）及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向。振蕩器是數(shù)字鐘的核心，石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩的頻率準(zhǔn)確，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率易于調(diào)整。石英晶體振蕩器電路給數(shù)

5、字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768z的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)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。2.分頻器在數(shù)字電路中，分頻器是一種可以進(jìn)行頻率變換的電路，其輸入、輸出信號(hào)是頻率不同的脈沖序列。輸入、輸出信號(hào)頻率的比值稱為分頻比。例如，2分頻器的輸出信號(hào)頻率是輸入信號(hào)頻率的，8分頻器的輸出信號(hào)頻率是輸入信號(hào)頻率的。分頻器電路將32768z的高頻方波信號(hào)經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號(hào)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。3.計(jì)數(shù)器在數(shù)字鐘電路中，時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路

6、構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，周計(jì)數(shù)器為7進(jìn)制計(jì)數(shù)器。有了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)“秒”信號(hào)后，就可以根據(jù)“60秒為1分”、“60分為1小時(shí)”、“24小時(shí)為1天”、“7天為1周”的計(jì)數(shù)周期，分別組成。將這些計(jì)數(shù)器適當(dāng)連接，就可以實(shí)現(xiàn)“秒”、“分”、“時(shí)”、“周”的計(jì)時(shí)功能。4.譯碼器要將“秒”、“分”、“時(shí)”、“周”的狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號(hào)，就需要將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)經(jīng)譯碼器進(jìn)行譯碼，并通過(guò)顯示器將其顯示出來(lái)。譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流

7、。5.數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)提供的為數(shù)碼管。（三）數(shù)字鐘的工作原理1.本次課程設(shè)計(jì)中采用CD4060來(lái)構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)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(jì)數(shù)器為級(jí)進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將Z的信號(hào)分頻為Z，其內(nèi)部框圖如圖所示，從圖中可以看出，CD4060的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。要得到1Hz的秒信號(hào)，可以將2Hz的信號(hào)輸入到2分頻電路中，本次課程設(shè)計(jì)采用74LS74D觸發(fā)器作為2分頻電路，從輸出端可得到1Hz的秒脈沖。秒脈沖電路如上圖

8、所示。如上圖所示，電路由14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器CC4060和晶體、電阻及電容構(gòu)成。CC4060內(nèi)部所含的門電路和外接元件構(gòu)成振蕩頻率為32768Hz的振蕩器。經(jīng)計(jì)數(shù)器作14級(jí)分頻后得到頻率為1Hz（周期為1s）的脈沖。2.計(jì)數(shù)器電路a.六十進(jìn)制計(jì)數(shù)。秒計(jì)數(shù)器的電路形式很多，一般都是由一級(jí)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級(jí)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。下圖所示是用兩塊中規(guī)模集成電路74LS161按反饋置零法串接而成。秒計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，輸出脈沖除用作自身清零外，同時(shí)還作為“分”計(jì)數(shù)器的輸入信號(hào)。分計(jì)數(shù)器電路與秒計(jì)數(shù)器相同。b.二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)。下圖所示為二十四進(jìn)制小時(shí)計(jì)數(shù)器，是用兩片74LS161組成的。3.譯碼和顯示電路

9、計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用74LS247作為顯示譯碼電路，選用LED七段數(shù)碼管作為顯示單元電路。4.校準(zhǔn)電路數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。即為用COMS與或非門實(shí)現(xiàn)的時(shí)或分校時(shí)電路，In1端與低位的進(jìn)位信號(hào)相連；In2端與校正信號(hào)相連，校正信號(hào)可直接取自分頻器產(chǎn)生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信號(hào)；輸出端則與分或時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)輸入端相連。當(dāng)開(kāi)關(guān)打向下時(shí)，因?yàn)樾Ｕ盘?hào)和0相與的輸出為0，

10、而開(kāi)關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號(hào)可以順利通過(guò)與或門，故校時(shí)電路處于正常計(jì)時(shí)狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)打向上時(shí)，情況正好與上述相反，這時(shí)校時(shí)電路處于校時(shí)狀態(tài)。實(shí)際使用時(shí)，因?yàn)殡娐烽_(kāi)關(guān)存在抖動(dòng)問(wèn)題，所以一般會(huì)接一個(gè)RS觸發(fā)器構(gòu)成開(kāi)關(guān)消抖動(dòng)電路，所以整個(gè)較時(shí)電路就如圖5.報(bào)時(shí)電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開(kāi)始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計(jì)數(shù)器十位的Q和Q、個(gè)位的Q和Q及秒計(jì)數(shù)器十位的Q和Q相與，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。報(bào)時(shí)電路可選74HC30來(lái)構(gòu)成。

11、74HC30為8輸入與非門。六、總結(jié)（一）遇到的問(wèn)題及解決在連接六十進(jìn)制的進(jìn)位及二十四進(jìn)制的接法中,要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能,那么在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了.在設(shè)計(jì)電路中,輸出不一定是從Vo端口輸出,例如六十進(jìn)制的輸出就不是從Vo輸出,而是從與非門的輸出接反向器74LS00輸出來(lái)作為下一個(gè)計(jì)數(shù)的輸入脈沖。再就是注意有極性電容器其“”與“”極不能接錯(cuò)，例如電容器上的標(biāo)記方向要易看可見(jiàn)。（二）設(shè)計(jì)體會(huì)通過(guò)這次對(duì)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字鐘的原理與設(shè)計(jì)理念，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和

12、最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)也是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)，一起工作可以讓我們有說(shuō)有笑，相互幫助，配合默契，大學(xué)里一年的相處還趕不上這十來(lái)天的合作，我感覺(jué)我和同學(xué)們之間的距離更加近了。團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。團(tuán)結(jié)協(xié)作是成功的一項(xiàng)非常重要的保證。對(duì)我們而言，知識(shí)上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一份擁有。通過(guò)這次課程設(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(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際運(yùn)用能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多專業(yè)知識(shí)問(wèn)題，最后在老師的辛勤指導(dǎo)下，終于迎刃而解。同時(shí)，在老師的身上我們也學(xué)到很多實(shí)用的知識(shí)，在此表示感謝！同時(shí)，對(duì)給過(guò)我?guī)椭乃欣蠋熀屯瑢W(xué)表示衷心的感謝！七、附錄（一）用到的元器件1.14分頻器CD4060一個(gè)