多功能數(shù)字鐘設計與制作

一、引言

中國是世界上最早創(chuàng)造計時儀器的國家。有史料記載，漢武帝太初年間（紀

元前104Toi年）由落下閔創(chuàng)造了我國最早的表示天體運行的儀器一一渾天儀。

東漢時期（公元130年）張衡創(chuàng)造了水運渾天儀，為世界上最早的以水為動力的

觀測天象的機械計時器，是世界機械天文鐘的先驅(qū)。盛唐時代，公元725年張遂

（又稱一行）和梁令瓚等人創(chuàng)制了水運渾天銅儀，它不但能演示天球和日、月的

運動，而且立了兩個木人，按時擊鼓，按時打鐘。第一個機械鐘的靈魂一一擒縱

器用于計時器，這是中國科學家對人類計時科學的偉大奉獻。它比十四世紀歐洲

出現(xiàn)的機械鐘先行了六個世紀。

第一只石英鐘出現(xiàn)在二十世紀二十年代，從三十年代開始得到了推廣，從六

十年代開始，由于應用半導體技術，成功地解決了制造日用石英鐘問題，石英電

子技術在計時領域得到了廣泛的應用。并取代機械鐘做了更精確的時間標準。早

在1880年，法國人皮埃爾?居里和保羅?雅克?居里就發(fā)現(xiàn)了石英晶體有壓電的

特性，這是制造鐘表“心臟〃的良好材料?？茖W家以石英晶體制成的振蕩計時器

和電子鐘組合制成了石英鐘。經(jīng)過測試，一只高精度的石英鐘表，每年的誤差僅

為3~5秒。1942年，著名的英國格林尼治天文臺也開始采用了石英鐘作為計時工

具。在許多場合，它還經(jīng)常被列為頻率的根本標準，用于日常測量與檢測。人約

在1970年前后，石英鐘表開始進入市場，風行全球。隨著科學的進步，精密的

電子元件不斷涌現(xiàn)，石英鐘表也開始變得小巧精致，它既是實用品，也是裝飾品。

它為人們的生活提供方便，更為人們的生活增添了新的色彩。在現(xiàn)行情況下根

據(jù)簡單實用強的、走時準確進行設計。而實驗證明，鐘表的振蕩局部采用石英晶

體作為時基信號源時，走時更精確、調(diào)整更方便。鐘是一種計時的器具，它的出

現(xiàn)開拓/時間計量的新里程。提起時鐘大家都很熟悉，它是給我們指明時間的一

種計時器，并且我們每天都要用到它。二十世紀八十年代中國的鐘表業(yè)經(jīng)歷了一

場翻天覆地的大轉(zhuǎn)折。其表現(xiàn)在三個方面：

1）從生產(chǎn)機械表轉(zhuǎn)為石英電子表；

2）曾占據(jù)中國消費市場四十多年的大型國有企業(yè)突然被剛剛冒起的“組業(yè)〃

所取代，鐘表生產(chǎn)中心轉(zhuǎn)向中國南方沿海一帶；

3）中國鐘表業(yè)開展從以機芯為龍頭改為以手表外觀件為龍頭。

這場轉(zhuǎn)折以迅雷不及掩耳的速度，沖擊著傳統(tǒng)的中國鐘表工業(yè)。中國的鐘表業(yè)

從技術簡單、零件少的石英鐘機芯制造入手。最初石英鐘機芯全靠從日本、德國

進口，1989年開始完全自己生產(chǎn)，包括模具的制造加工。近十余年，逐漸提高

機芯質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時轉(zhuǎn)向?qū)κ直頇C芯研制與開發(fā)。目前石英鐘表機芯生產(chǎn)主

要在福建省福州、廣東東莞、番禺；機械鐘表機芯在上海、山東等地。

現(xiàn)在我國的電子業(yè)開展非常快速，電子業(yè)的開展有利于鐘表業(yè)的開展。在中

國鐘表開展史上，國產(chǎn)機芯研制的失敗已經(jīng)成為過去，”組裝業(yè)〃作為新興鐘表

工業(yè)的起步階段也已成為過去。一支新的充滿智慧的鐘表精英在成長。

我們相信在科技高速開展的今天，鐘表業(yè)運用當今材料工業(yè)、電子工業(yè)和其

他領域的最新技術，一定會生產(chǎn)出代表中國科學水平的產(chǎn)品。我們希望鐘表業(yè)的

精英們在提高制造技術水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的品牌.這正

是中國鐘表業(yè)開展的希望。

數(shù)字鐘被廣泛用于個人家庭,車站，碼頭、辦公室等公共場所,成為人們?nèi)粘?/p>

生活中的必需品。由于數(shù)字集成電路的開展和石英晶體振蕩器的廣泛應用，使得

數(shù)字鐘的精度,運用超寸老式鐘表，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、定時播送、自動起閉路燈、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(shù)字化為根底的。

因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。

普通數(shù)字鐘在我們的生活中依然扮演著重要的痢色，但隨著社會的開展和人

民生活水平的提高，普通功能的數(shù)字鐘已經(jīng)遠遠不能滿足消費者和使用者的需求

了。所以一種攜帶方便而且功能多樣的數(shù)字鐘就迫切出現(xiàn)在我們生活中。所以我

進一步研究數(shù)字鐘的其他功能，希望此次設計為我們的生活帶來更多方便。

1、設計任務

設計一種多功能數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘具有根本功能和擴展功能兩局部。其中，

根本功能局部的有準確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間和校時功能。擴

展功能局部那么具有：定時控制、仿播送電臺正點報時、自動報整點時數(shù)和觸摸

報正點的功能。數(shù)字鐘的電路也是由主體電路和擴展電路兩局部構(gòu)成，在電路中，

根本功能局部由主體電路實現(xiàn)，而擴展功能局部那么由擴展電路實現(xiàn)。這兩局部

都有一個共同特點就是它們都要用到振蕩電路提供的1Hz脈沖信號。在”時出現(xiàn)

誤差時電路還可以進行校時和校分，為了使電路簡單所設計的電路不具備校秒的

功能。并且要用數(shù)碼管顯示時、分、秒，各位均為兩為顯示，擴展局部要有相應

的響應電路。

2、設計要求

①設計一個數(shù)字鐘。要求用六位數(shù)碼管顯示時間，格式為0()：()0：00。

②具有60進制和24進制(或12進制)計數(shù)功能，秒、分為60進制計數(shù),

時為24進制(或12進制)計數(shù)。

③有譯碼、七段數(shù)碼顯示功能，能顯示時、分、秒計時的結(jié)果。

④設計提供連續(xù)觸發(fā)脈沖的脈沖信號發(fā)生器，

⑤具有校時單元、鬧鐘單元和整點報時單元。

⑥確定設計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設

計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述根本原理。

3、Multisim軟件介紹

Multisim是美國國家儀器(NI)推出的以Windows為根底的仿真工具，適

用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電

路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖,并對電路進行仿真。

Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技

術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。

通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成

從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。

二、設計原理與方案

1、設計方案

該設計主要由以下幾局部組成:震蕩器、分頻器、秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時

計數(shù)器、BCD-七段顯示譯碼/驅(qū)動器、LED七段顯示數(shù)碼管、時間校準電路、整

點報時電路還有鬧鐘電路。

數(shù)字鐘數(shù)字顯示局部，采用譯碼與二極管串聯(lián)電路，將譯碼器、七段數(shù)碼管

連接起來,組成十進制數(shù)碼顯示電路，即時鐘顯示，要完成顯示需要6個數(shù)碼管，

七段的數(shù)碼管需要譯碼器才能正常顯示，然后要實現(xiàn)時、分、秒的計時需要60

進制計數(shù)器和24進制計數(shù)器，在在仿真軟件中發(fā)生信號可以用函數(shù)發(fā)生器仿真,

頻率可以隨意調(diào)整。60進制可能由10進制和6進制的計數(shù)器串聯(lián)而成，頻率振

蕩器可以由晶體振蕩器分頻來提供，也可以由555定時來產(chǎn)生脈沖并分頻為1Hz。

計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送倒顯示器顯示。計時出現(xiàn)誤差時,可以用校時電路

校時、校分。

整點報時電路利用邏輯門，使當各譯碼器輸出滿足整點時，蜂鳴器導通。

鬧鐘電路通過比擬器比擬當前時間與設計的鬧鐘時間，相等時同樣蜂鳴器導

通。

圖1.設計原理框圖

圖2.總體設計電路圖

2、各模塊電路設計

(1)1Hz標準脈沖發(fā)生器

振蕩器可由晶振組成，也可以由555與RC組成的多諧振蕩器。由555定時

器得到1kHz的脈沖，功能主要是產(chǎn)生標準秒脈沖信號和提供功能擴展電路所需

要的信號。

多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時無需外加觸發(fā)脈沖，

就能輸出一定頻率的矩形脈沖(自激振蕩)。用555集成電路實現(xiàn)多諧振蕩，需

要外接電阻Ri、R2和電容C,并外接+5V的直流電源。

脈沖頻率為：

下列圖為標準脈沖發(fā)生器電路圖：

圖3.標準脈沖發(fā)生器電路

(2)譯碼顯示電路

數(shù)字鐘的譯碼顯示電路由譯碼器4511BP和共陰極LED七段顯示數(shù)碼管組

成，為防止譯碼器輸出的電壓過高，在譯碼器的輸出和數(shù)碼管的輸入之間串軼一

個100C的電阻。

譯碼驅(qū)動電路將計數(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。451IBP是一個用于驅(qū)動共陰

極LED(數(shù)碼管)顯示器的BCD碼一七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD

轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電

流?？芍苯域?qū)動LED顯示器。

下面是4511BP的邏輯功能表:

表1.451IBP的邏輯功能表

要使譯碼器能正常工作，LT和BI腳要接高電平，EL要接低電平，譯碼器

的輸入接計數(shù)器的輸出端，而譯碼器的輸出端那么接對應數(shù)碼管的輸入端。

在數(shù)字鐘的設計中，一共需要6塊譯碼顯示器，分別是小時顯示的2塊，分

鐘顯示的2塊，秒鐘顯示的2塊，它們在設置上根本相同，只不過譯碼器的輸入

接不同的計數(shù)器。

由計數(shù)器得到的4位二進制碼的必須通過譯碼后轉(zhuǎn)為人們習慣的數(shù)字顯示,

如12：54：30的二進制碼為00010010：01010100：00110000o譯碼之后再驅(qū)

動LED七段數(shù)碼管顯示時、分、秒。

下列圖為其中一塊譯碼顯示電路的連接圖：

圖4.譯碼顯示電路

(3)計數(shù)器電路

在數(shù)字鐘的控制電路中，分和秒的控制都是一樣的，都是由一個十進制計數(shù)

濟和一個六進制計數(shù)器串聯(lián)而成的。在此次電路的設計中采用的是統(tǒng)一的器件

74LS161N的反響置數(shù)法來實現(xiàn)十進制功能和六進制功能，根據(jù)74LS161的結(jié)構(gòu)

把輸出端的0101(十進制為5)用一個與非門74LS00引到Load端便可置0,這

樣就實現(xiàn)了六進制計數(shù)。同樣，在輸出端的1001(十進制為9)用一個與非門

74LS00引到Load端便可置0,這樣就實現(xiàn)了十進制計數(shù)。在分和秒的進位時,

用秒計數(shù)器的Load端接分計數(shù)器的CLK控制時鐘脈沖，脈沖在上升沿來時計數(shù)

器開始計數(shù)。

時計數(shù)器可由兩個十進制計數(shù)器串接并通過反響接成二十四制計數(shù)器。

下列圖為分和秒的計數(shù)器電路：

圖5.分秒計數(shù)電路

下列圖為時的計數(shù)器電路：

圖6.時計數(shù)電路

(4)校時電路

時鐘出現(xiàn)誤差時，需校準。當數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)誤差時，需要校

正時間。校時是數(shù)字鐘應具備的根本功能。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數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù)。校時方式有

快校時和慢校時兩種，快校時是，通過開關控制，使計數(shù)器對1Hz的校時脈沖

計數(shù)。慢校時是用手動產(chǎn)生單脈沖作校時脈沖下列圖所示為校時電路和校分電路。

其中5是校分用的控制開關，S2為校時用的控制開關，它們的控制功能下表所

示。校時脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖，當Si或S2分別為()時可進行快校時。

如果校時脈沖由單脈沖產(chǎn)生相提供，那么可以進行慢校時。

Multisim仿真軟件校時的具體設計方法是：用一個單刀雙擲開關切換計數(shù)功

能與校時功能，另一端接計數(shù)器的脈沖輸入端，開美置于函數(shù)發(fā)生器這一端便可

以校時，置于計數(shù)器的進位端便是計時。

下列圖為校時電路局部電路圖：

圖7.校時電路

(4)鬧鐘電路

在指定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時〃；或?qū)δ逞b置的電源進行

接通或斷開“控制〃。不管時鬧時還是控制，都要求時間準確，即信號的開始時

刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。

在本數(shù)字鐘設計中，選用了四片74LS85三位比擬器實現(xiàn)。

下表是74LS85的邏輯功能表：

表2.74LS85的邏輯功能表

74LS85比擬器的一對輸入接小時和分鐘時計數(shù)器的輸出，另外一對接四位

撥碼開關，當小時和分鐘計數(shù)器的輸出與撥碼開關的值完全相等時，四片比擬器

輸出都為高電平，經(jīng)四位與非門后輸出到蜂鳴器，在一分鐘內(nèi)蜂鳴器導通,例如，

撥碼開關依次為0000,0111,0011,1001,此時表示為7點59分,當計數(shù)器的輸出也

為7點59分時，OAEQB輸出都為高電平。

下列圖是鬧鐘電路圖：

圖8.鬧鐘電路

(5)整點報時電路

整點報時的功能要求是，每當數(shù)字鐘計時快到整點時發(fā)出聲響。當時鐘還有

十秒到整點時，蜂鳴器開始響，持續(xù)時間為十秒。

此電路是通過五個與門和一個蜂鳴器來實現(xiàn)的，每當分鐘的十位為5,個位

為9,并且秒鐘的十位為5時，蜂鳴器接高電平，開始工作，直到到達整點停止。

下列圖為整點報時電路圖：

圖9.整點報時電路

三、仿真調(diào)試

1、總體仿真圖

開始仿真后，秒鐘局部開始以1S為周期開始遞增，并能向分鐘和時鐘局部

進位，完成數(shù)字鐘的根本功能。

圖10.總仿真電路

2、各模塊仿真調(diào)試

(1)校時電路仿真調(diào)試

當數(shù)字鐘時間不準確時，那么需要手動調(diào)整時間。

如下列圖所示，單刀雙擲開關J2、J1分別對應著時鐘與分鐘局部。當開關

擲向上方時，數(shù)字鐘正常工作；當J1擲向下方時，那么分鐘局部開始以1s為周

期開始遞增，當J2擲向下方時，時鐘局部那么開始以1s為周期開始遞增。秒鐘

局部那么由J7控制，當開關閉合時秒鐘以1s為周期遞增；當開關閉合時，秒鐘

那么停止走動。

調(diào)整時撥動開關，當調(diào)整到正確時間后將開關撥回即可。

圖11.校時電路仿真

(2)鬧鐘電路仿真調(diào)試

將撥碼開關調(diào)至如圖狀態(tài)，即將鬧鐘定為16：25,那么開始仿真。

圖12.鬧鐘電路仿真

當數(shù)字鐘還未運行到16：25時，探針不亮，即鬧鐘不會響起，狀態(tài)如下列

圖所示：