数字时钟实验报告

嘉应学院 电子信息工程学院

数电综合实验报告之 数字时钟课程设计报告

专 业 电子信息工程

班 级

102班 本人姓名、座号

谢灵敏 30号

任课教师 龚昌来 实验教师

龚昌来

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目录

一、 课题背景及意义 ..................................................................................................................... 3

1.1 课题研究背景 ................................................................................................................... 3 1.2 课题研究意义 ................................................................................................................... 3 二、 课题研究内容 ......................................................................................................................... 4

2.1 主要设计内容 ................................................................................................................... 4 2.2 多功能数字钟原理分析 ................................................................................................... 4 2.3 常用元件功能介绍及EWB仿真测试 ............................................................................... 4 2.4 多功能数字钟的EWB仿真设计 ....................................................................................... 4 2.5 多功能电子钟的总体框图 ............................................................................................... 4 三、元件介绍 ................................................................................................................................... 5

3.1 555定时器的介绍 ............................................................................................................ 5

555定时器的构成及原理 .............................................................................................. 5 555定时器的功能 .......................................................................................................... 6 555定时器基本功能测试 .............................................................................................. 7 555定时器1HZ脉冲输出的计算 ................................................................................ 9 3.2 4LS90计数器的介绍 ..................................................................................................... 10 3.3 CD4511译码器的介绍 .................................................................................................... 12 四、 电路的仿真 ........................................................................................................................... 14

4.1 EWB仿真 .......................................................................................................................... 14 五、 数字时钟原理电路实物图 ................................................................................................... 16

5.1 数字时钟原理图： ......................................................................................................... 17 5.2 数字时钟电路图 ............................................................................................................. 17 5.3 实物图 ............................................................................................................................. 18 六、 课程设计的体会 ................................................................................................................... 19

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一、 课题背景及意义

1.1 课题研究背景

随着计算机在国内的逐渐普及，计算机已经深入到每一个行业，计算机与每个工作领域紧密地联系在了一起。使用计算机可以大大提高工作效率。电子技术作为信息化社会的重要技术基石，已经成为20世纪下半叶乃至21世纪发展最迅速、最活跃、最具有渗透力的技术。实现信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机还是通讯电子设备，它们的基础都是集成电路。集成电路技术发展至今，全世界数以万亿美元计的设备和科技投入，已使电子技术形成非常强大的产业能力。电子技术水平发展如此迅速，在于它具有极大的市场应用需求。科学技术发展到今天，衡量许多电子产品技术含量高低在很大程度上取决于电子技术的引入水平。然而，孤立地发展电子技术是没有出路的，它必须同各种生产实践相结合，以社会需求为动力。

中国是世界上最早发明计时仪器的国家。有史料记载，汉武帝太初年间（纪元前104-101年）由落下闳创造了我国最早的表示天体运行的仪器——浑天仪。东汉时期（公元130年）张衡创造了水运浑天仪，为世界上最早的以水为动力的观测天象的机械计时器，是世界机械天文钟的先驱。盛唐时代，公元725年张遂（又称一行）和梁令瓒等人创制了水运浑天铜仪，它不但能演示天球和日、月的运动，而且立了两个木人，按时击鼓，按时打钟。第一个机械钟的灵魂——擒纵器用于计时器，这是中国科学家对人类计时科学的伟大贡献。它比十四世纪欧洲出现的机械钟先行了六个世纪。

钟表作为一种定时工具被广泛的使用在生产生活的各方面。人类最初依靠太阳的角度来进行定时，所以受天气的影响比较大，为了克服依靠自然现象定时的缺点人们发明的机器钟表，电子钟表一系列的定时工具。自改革开放以来我国科技得以高速发展，尤其是电子技术的飞速发展。各种各样的电器器材凭空而出。

下面我们就以数字钟为例简单介绍一下。数字钟我们听到这几个字，第一反应就是我们所说的数字，不错数字钟就是以数字显示取代模拟表盘的钟表，数字电子钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，电子钟表具有价格便宜，质量轻，定时误差小等优点，被广泛的应用在生产，生活的各个方面。由于电子钟能提供精确又被广泛的运用在各种测量之中。

1.2 课题研究意义

多功能数字钟具有时间显示、闹钟设置、报时功能、校正作用。走时准确、

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显示直观、精度、稳定等优点。电路装置十分小巧，安装使用也方便。同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱。数字钟广泛用于个人家庭，车站， 码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度，远远超过老式钟表， 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

数字钟已成为我们生活中不可缺少的必须品，广泛的应用于家庭以及办公室等公共场所。给我们生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。

二、 课题研究内容

2.1 主要设计内容

本次毕业设计主要是采用555定时器提供定时脉冲，74LS90集成块作为计时模块，8段数码显示管作为显示工具。应用EWB（电子工作平台）软件来设计和仿真多功能数字钟设计，并通过硬件实验的调试来相互验证实际结果。

2.2 多功能数字钟原理分析

数字电子钟主干电路系统由秒信号发生器、“分、秒”计数器、译码器及显示器电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。通过四个LED显示器显示出来，计数出现误差可用校时电路进行校分、校秒。

2.3 常用元件功能介绍及EWB仿真测试

本次所设计的多功能数字钟用到了555定时器、EWB软件。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，EWB软件是以SPICE3F5为主系统，在20世纪90年代推出的电路仿真软件。

2.4 多功能数字钟的EWB仿真设计

通过EWB软件把整理出的多功能数字钟的标准秒脉冲、秒计时电路、分计时电路、时计时电路的电路原理图进行EWB的仿真，从而得到该多功能数字钟的仿真电路图。

2.5 多功能电子钟的总体框图

多功能数字钟原理框架如图1-1所示，电路包括以下几个部分：标准秒信号

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发生器、显示电路、分秒计数器、校时电路。

显 示 电 路 分计数器 秒计数器 校时电路 脉冲发生

三、元件介绍

3.1 555定时器的介绍

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器的构成及原理

555定时器的集成电路引脚如2-1图所示1脚为接地端（GND）、2脚为低触发端（TR ）、3脚为输出端 （OUT）、4脚为复

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图2-1 555定时器电路引脚图

位端（R）、5脚为控制电压端（CO）、6脚为高触发端（TH）、7脚为放电端（D）、8脚为电源端（VCC）。

555定时器由分压器、比较器、基本RS触发器和放电三极管等部分组成，其内部电路图如图2-2所示。分压器由三个5K?的等值电阻串联而成。分压器为比较器A1、A2提供参考电压，比较器A1的参考电压为23Vcc，加在同相输入端，比较器A2的参考电压为13Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放A1、A2组成。高电平触发信号加在A1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器RD端的输入信号；低电平触发信号加在A2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器SD端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器A1、A2的输出端控制。

__R是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。

ACO是控制电压端（5脚），平时输出23Vcc作为比较器1的参考电平，当5脚

外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

VT为放电管，当VT导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

图2-2 555定时器的内部电路图 555定时器的功能

当复位控制端（TH）的电压大于23Vcc时，写为VTH=1,当复位控制端（TH）

1的电压小于23Vcc时，写为VTH=0。当置位控制端（TR）的电压大于3Vcc时，写

为VTR=1,当置位控制端（TR）的电压小于13Vcc时，写为VTR=0。

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555定时器有“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态。

2（1）当低触发端输入电压小于1VTR=0，3Vcc且高触发端输入电压小于3Vcc时，

A1输出为高电平，VTH=0，比较器A2输出为低电平，基本RS触发器的输入端S=0、

R=0，使Q=1，Q=0，经输出反相缓冲期后，OUT=1，T截止。这时称555定时器“低触发”。

2（2）若低触发端输入电压大于13Vcc且高触发端输入电压小于3Vcc，则

VTR=1，VTH=0，S=R=1，基本RS触发器保持，OUT和T状态不变，这时称555定时器“保持”。

A（3）若高触发端输入电压大于23Vcc则VTH=1，比较器1输出为低电平，无

论A2输出何种电平，基本RS触发器因R=0，使Q=1，经输出反相缓冲器后OUT=0、T导通。这时称555定时器“高触发”。

CO为控制电压端，在OUT端加入电压，可改变两比较器A1、A2的参考电压。正常工作时，要在CO和地之间接0.01 uF (电容量标记为103)电容。放电管T的输出端为集电极开路输出。以上原理综合分析见下表2-1。

表2-1 555定时器的功能表

输入 高触发端低触发端直接复位中间状态 输出 Q 放电管状态 R S UTH × >23Vcc <23Vcc <23Ucc UTR × >13Vcc >13Vcc <13Vcc RD 0 1 1 1 × 0 1 1 × 1 1 0 0 0 保持 1 导通 导通 保持不变 截止

555定时器基本功能测试

按图2-3所示连接实验电路，测试555定时器的输入、输出关系。根据以下的测试电路说明，按照步骤进行操作，将得出的数据再填入所绘制的表中，从而可分析出555定时器的输入、输出关系。

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图2-3 555定时器输入、输出关系测试图 测试电路说明： (1) 开关1打到2端时，4脚复位端R接电源，也就是接高电平；开关1打到1端时，4脚复位端R接地，也就是接低电平。

(2) 开关2打到2端时，5脚控制电压端CO接电源2，也就是接高电平；开关2打到1端时，5脚控制电压端CO悬空。

(3) 调整可调电阻RP1，控制2脚低触发端VTR的电压，其值可有电压表1读取；调整可调电阻RP2，控制6脚高触发端VTH的电压，其值可有电压表2读取。

(4) 发光二极管LED1亮说明输出端3脚OUT输出高电平用OUT表示；发光二极管LED1灭说明输出端3脚OUT输出低电平用UOL表示。

(5) 发光二极管LED2亮说明555定时器内部三极管T饱和，放电端7脚对地近视短路。用导通表示；发光二极管LED2灭说明555定时器内部三极管T截止，放电端7脚对地近视断路。用截止表示。

经过测试，我们可以得出555定时器的输入、输出关系，如表2—2所示。

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表2—2 555定时器的输入、输出关系

复位端控制电压端CO 0 高出发端VTH * 低触发端VTR * 输出端OUT UOL UOL 不变 UOH UOL UOL 不变 T的状态 导通 导通 不变 截止 导通 不变 截止 R 0 0 2VCC 32?VCC 3?* 1 >VCO 1

555定时器1HZ脉冲输出的计算

由NE555的特性参数可知，当电源电压去5V时，在100mA的输出电流下输出电压的典型值为3.3V，所以取Vcc=5V可以满足对输出脉冲幅度的要求。若采用如下图所示的电路，则：

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q?

故得R1=R2. 又由公式可知：

T=（R1+2R2）Cln2=1 若去C=10uf，则代入上式得到： 3R1Cln2=1

R1?R22?R1?2R23

R1?

=48k

因R1=R2，所以取两只47k的电阻与一个2k的电位器串联，即得到1HZ的输出脉冲。

1Cln2

3.2 74LS90计数器的介绍

十进制计数器 74LS90

74LS90是二—五—十进制计数器，它有两个时钟输入端CKA和CKB。其中，CKA和Q0组成一位二进制计数器；CKB和Q3Q2Q1组成五进制计数器；若将Q0与CKB相连接，时钟脉冲从CPA输入，则构成了8421BCD码十进制计数器。74LS90有两个清零端R0（1）、R0（2），两个置9端R9（1）和R9（2），其BCD码十进制计数时序如表1，二—五混合进制计数时序如表2，74LS90的管脚图如图9。

2 3 6 7 14 1 R0(1) R0(2) R9(1) QA R9(2) QB QC CKA QD CKB 74LS90

图9

12 9 8 11

表1 BCD码十进制计数时序 表2 二—五混合进制计数时序

CK 0 1 2

QD QC QB QA 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 10

3 4 5 6 7 8 9

0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 CK 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 QA QB QC QD 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 集成十进制异步计数器74LS90的功能：

(1)异步清零功能。当R0=R0(2),R0(1)=0时，若R9=R9(1),R9(2)=0时，则计数器清零，并与CK无关。

(2)异步置9功能。当R0=R0(2),R0(1)=1时，计数器置9，即被置成1001的状态，置9功能也于CK无关。

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(3)计数功能，当R0=0,R9=0时计数器计数。根据不同接法，还可实现二进制、五进制。

3.3 CD4511译码器的介绍

CD4511是一个用于驱

动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点如下：

具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。

用CD4511实现LED与接口方法如下图：

其功能介绍如下：

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

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LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 1. CD4511的引脚 CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。其引脚图如3-2所示。

各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。 2. CD4511的工作原理

1. CD4511的工作真值表如表3-2 2. 锁存功能

译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。

当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。如图3-3 （3）译码

CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合，得出、、、四项，然后将输入的数据A、D一起用或

非门译码。 （4）消隐

BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路如图3-4所示。 消隐输出J的电平为 J=

=（C+B）D+BI

如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D

据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。

输 入 LE BI LI D C B X X 0 X X X 输 出 c d e f 1 1 1 1 A X a 1 b 1 g 1 显示 8 13

X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 X X 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 X X 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 X X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 X 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 锁 存 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 锁存 表3-2 CD 4511的真值表

四、电路的仿真

4.1 EWB仿真

秒电路仿真：

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分电路仿真：

脉冲发生器仿真：

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校对电路仿：

数字时钟电路仿真：

五、数字时钟原理电路实物图

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5.1 数字时钟原理图：

5.2 数字时钟电路图

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5.3 实物图

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六、课程设计的体会

通过此次的数字时钟课程设计，无疑的一点：我学到了很多。早在大一的时候我就在问自己我学电路分析究竟拿来干什么，学数字电子技术基础拿来干什么，媒体啊摹都埋头苦干在书本上，一点兴趣都没有，一点趣味都没有，以至于花了时间在课本上，却没让自己得到更多的收获。可这次不一样了，我对专业的兴趣来了，我对专业的热情燃烧了，此次的数字时钟课程设计就是我对专业热情燃烧的导火线。通过此次的数字时钟课程设计，不仅让我对专业重新了解，也让我在其中学到了很多，从理论学习到实践学习，其理论、实践的完美结合更让我知道了电子信息工程的本质。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4uzp.html