数电课程设计报告 - 图文

题目名称：数字钟的设计与制作 姓 名： 高盼盼 班 级： 电气N091 学 号： 200945679602 日 期： 2011-12

嘉兴学院南湖学院

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数字钟的设计与制作

一、指标要求：

1.显示时、分、秒。.采用24小时制。

2.具有校时功能，可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位。校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟。

3.为了保证计时准确、稳定，由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。 二、设计计算 1．总体方案设计：

根据设计要求，可建立数字钟系统组成框图，如图3-1所示，数字中电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成，其中，主体电路完成数字钟的基本计数功能，扩展电路完成数字钟的定时、整点报时扩展功能。

主 体 电 路 时显示器 分显示器 秒显示器 时译码器 分译码器 秒译码器 定时控制 扩展电时计数器 分计数器 秒计数器 整点报时 路 校时电路 秒脉冲发生器 图3-1 数字钟原理框图

该系统的工作原理是：用振荡器产生的高脉冲信号作为数字钟的秒脉冲发生器，秒脉冲

接入秒计数器，秒计数器计满60后向分计数器个位进位，分计数器计满60后向小时计数器个位进位并且小时计数器按照“24翻1”的规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时与实际时间出现误差时电路可以进行校时、校分。扩展电路的整点报时和闹钟功能必须在主体电路正常运行的情况下才能实现。

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主体电路是由功能部件和单元电路组成的，在设计这些电路和选择元器件时，尽量选用同类型的元器件，考虑到CMOS集成电路的承受能力，最好选用TTL集成芯片，整个电路选用芯片应尽可能的少。下面介绍各功能部件与单元电路的设计。

2．单元电路设计： 2.1秒脉冲电路的设计

数字电路中秒脉冲发生器是由振荡器产生的，振荡器是数字钟的核心，振荡器的稳定度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度。一般电路中振荡器可由石英晶体振荡器或者555振荡器构成，下面将分别介绍这两种振荡器。

1）石英晶体振荡器

如图4-1所示，振荡器可由以下石英晶体振荡器构成，石英晶体振荡器震荡频率有石英晶体的频率决定，石英晶体振荡器具有振荡频率精确度高的特点，但由于其起振是由外界干扰产生的，仿真为理想条件，故仿真中无输出波形，得到波形后，还需再分频已得到所需频率波形。

图4-1 石英晶体振荡器 图4-2 555振荡器 2）555振荡器

如图4-2所示，振荡器由555与R、C组成的多些振荡器，由555多些振荡器振荡频率公式f?1.43(R9?Rp?2R10)C2可得将C2、R9、R10、RP取适当的值即可得到频率为1HZ的秒脉冲。

且RP具有微调电路工作频率的功能，本电路可产生比较精确的脉冲。本次设计采用555振荡

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器构成秒脉冲发生器。 2.2时分秒计数器的设计

数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和24进制计数电路实现的。数字钟的计数电路的设计可以用反馈清零法。当计数器正常计数时，反馈门不起作用，只有当进位脉冲到来时，反馈信号将计数电路清零，实现相应模的循环计数。以60进制为例，当计数器从00，01，02，……，59计数时，反馈门不起作用，只有当第60个秒脉冲到来时，反馈信号随即将计数电路清零，实现模为60的循环计数。

下面将分别介绍60进制分秒计数器和24进制小时计数器。 1）60进制计数器，电路图如图4-3所示

图4-3 60进制计数器

电路由两片74LS90和一个与门构成，分别为60进制计数器的十位和个位，十位为六进制，个位为十进制，两者级联构成60进制计数器。当计数器达到59时，在下一个秒脉冲作用下实现反馈清零，电路重新开始下一轮计数。下面对74LS90集成电路加以说明。

74LS90是二—五—十进制计数器，它有两个时钟输入端CPA和CPB。其中，CPA和Q0

组成一位二进制计数器；CPB和Q3Q2Q1组成五进制计数器；若将Q0与CPB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），且均为高电平有效，本次设计即利用清零端实现六进制。74LS90

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的管脚图如图4-4所示，其BCD码十进制计数时序如表4-5，二—五混合进制计数时序如表4-6。

图4-4 74LS90管脚图 表4-5 BCD码十进制计数时序 表4-6 二—五混合进制计数时序 2）24进制计数器

用74Ls90设计24进制电路与60进制电路原理基本相同，只是把原来60清零改为目前24清零即可，电路如图4-7所示

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图4-7 24进制电路 图4-7 24进制电路

工作原理与60进制计数部分基本相同，只是当计数器达到23时，在下一个分进位脉冲作用下实现反馈清零，重新开始下一轮计数 2.3 译码与显示电路的设计

译码与显示电路如图4-8所示

4537126BI/RBORBILTABCDabcdefg13121110915141234567abcdeefgfDPYagbcd[LEDgn] 图4-8 译码与显示电路 DPY_7-SEG74LS48电路的工作原理：译码是编码的反过程，译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输出信号以表示编码时所赋予原意的电路。常用的集成译码器有二进制译码器、二—十制译码器和BCD—7段译码器、显示模块用来显示计时模块输出的结果。

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电路中的主要元件及功能介绍：

1）译码器74LS48

译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的工作是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信号等。译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。在本电路中用的译码器是共阴极译码器74LS48，用74LS48把输入的8421BCD码ABCD译成七段输出a-g，再由七段数码管显示相应的数。 74LS48的管脚图如图4-9。在管脚图中，管脚LT、RBI、BI/RBO都是低电平是起作用，作用分别为：

LT为灯测检查，用LT可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。 BI是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。

RBI是灭零输入，可以按照需要将显示的零予以熄灭。BI/RBO是共用输出端，RBO称为灭零输出端，可以配合灭零输出端RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提高视图的清晰度。也可用共阴译码器74LS248，CD4511。

4537126BI/RBORBILTAabcd1312111091514Be74LS48CfDg 图4-9 74LS48管脚图

（2）显示器SM421050N

在此电路图中所用的显示器是共阴极形式，阴极必须接地。SM421050N的管脚功能图如图4-10所示

1234567abcdefged[LEDgn]fDPYagbc 图4-10 SM421050N管脚图

2.4校时电路的设计

校时电路的作用是：当数字钟接通电源或者出现误差时，校正时间。校时是数字钟应具

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DPY_7-SEG

有的基本功能。一般电子表都具有时、分、秒等校时功能。为了使电路简单，在此设计中只进行分和小时的校时。校时电路如图4-11所示。

校时电路工作原理：设计要求电路校时时，应不影响原电路正常工作。当单刀双掷开关SW1拨至上端时，SR触发器输出为“0”，与非门U16：A和U16：B被截止，按钮开关1和按钮开关2产生的脉冲电平被屏蔽，此时电路能正常工作，且校时功能不起作用，此功能可用来防止因错误操作而导致时钟出错。当SW1拨至下端时，SR触发器输出为“1” 与非门U16：A和U16：B打开，在无按钮开关1和按钮开关2产生的脉冲电平时，非门U16：A和U16：B输出“0”，此时电路正常工作，在按钮开关1或按钮开关2按下并松开瞬间，U16：A和U16：B输出“1”，经过异或门之后，即可产生脉冲，即实现了电路的校时功能，且不影响电路正常工作。按钮开关1和按钮开关2分别控制时校时和分校时。

图4-11 校时电路

2.5主体电路图

主体电路图如图4-12所示

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图4-12 主体电路图

2.6功能扩展电路的设计 2.6.1定时控制电路的设计

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设计要求：电路具有显示闹钟定时时间功能，当电路到达设定的时刻时发出闹钟信号，持续时间为一分钟，一分钟过后，闹钟停止，数字钟继续记时。且具有电路止闹功能，即闹钟时可以是闹钟停止，也可提前将停止闹钟功能，使电路不再闹时。

设计思路：定时电路的控制应有三部分组成，一部分由计数器在外界人工操作下设置闹钟时刻，一部分由锁存电路构成，锁存计数器设置的时刻，第三部分由比较报时电路构成，由设计要求可知，当比较器输入的闹钟的时分与数字钟基本电路的时分时刻相同时比较发出闹钟信号，驱动蜂鸣器或发光二极管发出声或光闹钟信号

1)闹钟时刻设置部分

闹钟部分电路图如图4-13所示 图4-13 闹钟时刻设置电路

工作原理说明：闹钟时刻只有时和分，其工作原理与基本电路的校时电路完全相同。在单刀双掷开关拨至下面时，按钮开关分别控制时和分的定时时刻设置。

2)锁存部分

锁存部分电路如图4-14所示

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图4-14 锁存部分电路

工作原理：锁存器74LS373为八输入锁存器当使能端OE为“0”时且LE为“1”输出Qn等于输入Dn，当OE为“1”时锁存器输出高阻态可以通过开关SW4控制锁存器的片选功能，使显示器显示闹钟定时时刻或者数字钟正常时间。图中当开关拨至上端时，显示正常时间，开关拨至下端时，显示器显示闹钟定时时刻。图4-15和4-16分别为锁存器74LS373的功能表和管脚图。

图4-154LS373功能表

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图4-16 74LS373管脚图。

3)比较报时部分

比较报时部分电路如图4-17所示

图4-17 比较报时部分电路如图4-17

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工作原理：分别把闹钟定时时刻和始终时刻输入两片比较器74LS85中当且仅当两片输入时和分相等时QA=B输出“1”，此时驱动扬声器发声，发光二极管发光。可持续一分钟，直到时钟秒进位，时钟分钟加1。闹钟到时间时，断开开关，则闹钟停止，次开关可以控制闹钟的断和开。图4-18和4-19分别为锁存器74LS373的管脚图和功能表。

图4-18 74LS373管脚图

图4-19 74LS373功能表

2.6.2整点报时电路的设计

设计要求：要求电路具有整点报时功能，当时钟电路为59分时，从50秒开始，每隔一秒钟响一次直到进位变为00分。

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设计思路：可利用一与门将时钟分59为“1”的输出端与秒十位为5时为“1”的输出端与时钟脉冲信号与在一起，当条件符合时，电路即可以报时，报时信号可以是声音报时和光报时两种。

整点报时电路如图4-20所示 图4-20 整点报时电路

工作原理：在秒脉冲作用下，电路开始正常计数。当计数达到59分50秒时，在秒脉冲作用下，与非门输入全为“1”此时与非门输出“0”，经反相器后输出为“1”，高电平驱动扬声器发出声音，同时发光二极管开始发光，发出整点报时信号。由于接入秒脉冲信号，扬声器发声和发光二极管的工作频率均为1Hz，持续10秒钟后，停止整点报时。图中所用74LS30、74LS08、74LS04管脚图分别如图4-21、4-22、4-23所示。

图4-21 74LS30管脚图

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图4-22 74LS08管脚图

图4-23 74LS04管脚图

3．总体电路：

将以上主体电路和扩展电路经过适当的排列，组合连接为整体电路图，整体电路图如图4-24所示

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图4-24 整体电路图

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三、安装并调试 3.1整体电路的仿真

用Proteus软件绘制好电路图，开始运行，经过多次调试和改装，电路终于能正常运行，并实现设计要求所有功能。图5-1为仿真运行过程中显示部分图。

图5-1 仿真运行过程中显示图

3.2电路功能测试以及常见问题解决本法 3.2.1电路功能测试

按照设计要求，逐项测试电路功能

1）数字钟计数功能测试：接通电源，在秒脉冲的作用下，电路开始计数，且时、分、秒

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分别为24、60、60进制。计数功能符合设计要求。

2）校时功能测试：在显示时钟时间时，按动时钟调时、时钟调分按钮开关时，时、分均可以调节，且不按动时，计数电路能正常工作，校时功能符合设计要求。

3）整点报时功能测试：电路基数时，当时钟到达59分50秒时，电路发出整点报时信号，频率为1Hz，持续10秒钟后，报时停止。整点报时功能符合设计要求。

4)闹钟功能测试：切换显示开关，使显示器显示闹钟时刻，通过定时开关调节定时的时和分，当时钟到达定时时刻时，扬声器响起，发光二极管发光，频率均为1Hz。闹钟时间为1分钟。断开闹钟控制开关，闹钟停止。切换显示开关至时钟部分，时钟部分能继续正常工作。闹钟功能符合设计要求。 3.2.2常见问题解决办法

由于不熟悉本设计电路构造，经常会有一些误操作导致不能得到想要结果，这里特此列举出一些常见问题及其解决办法。

1）操作时钟调校正按钮时，显示器显示数据不改变，且到60秒时分位依然不改变，解决办法：此时显示器显示的时间为闹钟时间应切换显示开关，再调节校正按钮即可。

2）显示开关已切换至时钟显示，操作时钟调校正按钮时，显示器显示数据依然不改变，分、时电路可以正常进位。解决办法：此时校时开关处于锁定状态，不能校时，切换校时开关即可解决问题。

3）定时电路可以正常定时，时钟电路也可以正常计时，但当时钟到达定时时刻时，没有闹钟信号发出，扬声器没有声音，发光二极管不发光，且此时正点报时也不起作用。解决办法：此时闹钟控制开关处于断开状态，把此开关闭合问题即得到解决。

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附件 :

原件 电阻 规格 10K 2K 电容 电位器 发光二极管 蜂鸣器 0.01uF 100uF 1K 按键开关 开关 普通开关 单刀双掷开关 74LS00 74LS04 74LS08 74LS30 集成电路 74LS373 74LS48 74LS85 74LS86 74LS90 555 数码管

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数量 10个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 4个 1个 3个 2片 1片 2片 1片 4片 6片 4片 1片 10片 1片 6块 7段共阴数码管

四、总结报告

数字钟的设计与制作就这样告一段落，它带给我们的不仅仅是收获成果的激动与喜悦，还在制作之余培养了我们的动手能力。这是一次知识与实践相结合的体验，告诉我们实践离不开平时基础知识的积累。当我遇到难题时，我深知自己掌握的知识还远远不够。当我们为此查阅相关资料时，这又是一次难得的汲取知识的机会。认清事物需要从它的本质开始，当然数字钟的设计与制作更离不开对其原理的认知。就这样在一步步的探索认知中，我们收获了很多很多。

本次课程设计由于时间紧迫，因此对于数字钟的技术要求并不高，设计与制作过程就相当简单了，可是事实上却并不如此。延续了之前课程设计的基础，电焊依旧是基本的制作工艺。由于事前已经查阅了相关资料，制作的总体方案已经完成，接下来只要按照图纸上制作即可。我们需要事先了解各个芯片的引脚，连接方式及其功能，准备好需要的元器件。依照图纸所示完成电路图上各元器件的连接。说说容易做做难，一旦连接错误，事后所需要检查花费的时间将造成制作时间的紧迫。因此制作时，不仅需要考验我们的耐心，细心还有机智灵活以及其它的一些基本技能。本次实践遇到的问题主要是数字钟的进位问题。当然在制作中也遇到了各式各样的小问题，比如，电焊的技术问题，线路的连接问题等。有些询问了老师，有些求助于同学，有些通过电脑搜索找到了答案。虽然尽了全力可是仍没有解决数字钟的进位问题。制作的最后一天，我们向老师递交了成果。有些人制作的数字钟显示部分存在着问题，好一些的进位存在问题，再好一些的进位这些都不存在问题只是制作的有些凌乱欠缺美观，最好的则是面面俱全，完美的无可挑剔。带着些许遗憾，却感到内心很充实，毕竟这个凝结着大家努力的汗水与智慧。结果有时候固然重要，但当我们能在其中学到一点其实已经足够。

本次实践由于时间紧迫，制作过程由两人共同参与，并且对于数字钟的技术要求并不是很高，若是要求制作一个完美的数字钟则对于其功能方面必须改善许多。比如说加入显示日历，显示星期，测温等功能。虽然没有经过实践验证，对于这些功能能否很好实现并不了解，但是通过网上查阅多功能数字钟的设计与制作可以初步了解到各功能实现的原理，最新多功能数字钟的发展情况及需要研究拓展的方向，这也算是一个不小的收获吧。如果要求此次课程设计的内容，方式有所改进，或许可以延长设计制作的时间同时提高设计与制作的要求。

课程设计结束了，相信我们得到的不只是一个成绩，更让我们清楚的认识到实践的重要性以及自身存在的缺点与不足，使我们在今后的学习，生活，工作，实践中鞭策自己，让自己变得更优秀。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o9yp.html