数字时钟课程设计设计

课 程 设 计

题目名称： 数字时钟

专业名称： 电气工程及其自动化

班 级： ********

学 号： *******8

学生姓名： *******

任课教师： *******

《电子技术课程设计》任务书

摘要

数字时钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。并且数字时钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。报告围绕此次数字钟的设计进行介绍、总结，包含了设计的步骤，前期的准备，装配的过程。在实装时，采用了74LS90进行计数，用CD4060产生秒脉冲，CD4511进行数码管转换显示，还要考虑电路的校时、校分，每块芯片各设计为几进制等等，最后实现了数字钟设计所要求的各项功能：时钟显示功能；快速校准时间的功能。

关键字：数字时钟 校时 CD4511

目录

一. 绪论. .............................................................................................. 1

1.1引言. ........................................................................................... 1 1.2方案论证. . ................................................................................... 2

二． 原理框图： .............................................................................. 2

三．原理图编辑： ............................................................................ 2

3. 1 秒脉冲发生器.................................................................................................. 3

3. 2 计数器.............................................................................................................. 3

3. 3 校时电路.......................................................................................................... 5

3.4 数码管显示电路............................................................................................ 5

四． 电路仿真 .................................................................................. 7

五．整体原理图与PCB 设计： ...................................................... 8

5.1数码管显示电路............................................................................................... 8

5.2计数器电路....................................................................................................... 8

六． 作品展示 .................................................................................. 9

七． 总结与心得体会 .................................................................... 12

八．参考文献 .................................................................................. 12

一绪论

1.1 引言

时钟，自从它被发明的那天起，就成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在现在这个讲究效率的年代，时钟更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。然而随着时间的推移，人们不仅对于时钟精度的要求越来越高，而且对于时钟功能的要求也越来越多，时钟已不仅仅是一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。诸如闹钟功能、日历显示功能、温度测量功能、湿度测量功能、电压测量功能、频率测量功能、过欠压报警功能等。钟表的数字化给人们的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。可以说，设计多功能数字时钟的意义已不只在于数字时钟本身，更大的意义在于多功能数字时钟在许多实时控制系统中的应用。在很多实际应用中，只要对数字时钟的程序和硬件电路加以一定的修改，便可以得到实时控制的实用系统，从而应用到实际工作与生产中去。因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

1.2方案论证

方案一

采用集成电路实现的。数字钟主要由以下几个部分组成：脉冲信号发生器、分频器、十进制计数器、六进制计数器、二进制计数器、数码管显示电路组成。

这是一种纯硬件电路系统，用时序逻辑电路实现时钟功能。该电路具有抗干扰强、计算精确，使用元器件种类少，更具动手意义等优点。

方案二

利用可编程逻辑器件PLD （Programmable Logic Devices）实现。可编程逻辑器件PLD 具有集成度高、速度快、功耗小、可靠性高等优点。且EDA(Electronic Design Automation)软件的功能和时序仿真功能使得电路的调试变得十分方便。这种方案与前一种相比，可靠性增加，同时可以很好的完成时钟的功能。但是对于温度测量，其不具备对测温数据的处理功能，无法很好的完成扩展功能的要求。同时这种方案只能选用数码管显示，显示的效果不够理想。因此，系统的灵活性不够。

方案三

利用单片机内部具有的计数器实现时钟功能。以12MHz 晶振为例，通过计算可知，使定时器每50ms 产生一次中断，当产生20次中断后秒单元将加一，以此类推，从而实现时、分、秒的走时，并加以显示。虽然这种方法存在由于系统晶振误差、温漂、中断响应时间的不确定性及定时器重新装载时间常数所带来的误

差等不足。而且用这种方法实现的时钟在断电的情况下将停止走时，通电后必须再初始化，需要重新调表。

因方案一更具有实践意义，故本次课程设计选取方案一。

二. 原理框图

数字钟电路的原理框图如图1所示：

三．原理图编辑 3.1秒脉冲发生器 秒脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟质量采用晶体振荡器32768Hz ，通过15次二分频后可获得1Hz 的脉冲出。 秒脉冲发生器产生频率为1ＨＺ的时间基准信号如图3所示。数字钟大多采用32768ＨＺ的石英晶体振荡器，经过CD4060和74LS74的15级二分频后，获得1Hz 的秒脉冲。该电路主要核心元件是CD4060。CD4060是14级二进制计数器/分频器。它与外接电阻、电容、15石英晶体共同组成振荡器。石英晶体产生2=32768ＨＺ的脉冲信号，经CD4060进行14级二分频后，获得2Hz 的脉冲信号，再经过一级D 触发器（74LS74）二分频后，输出获得1Hz 的时基秒脉冲。CD4060的引脚排列如图4所示，表1为CD4060的功能表，图5所示为CD4060的内部逻辑图。R 4是反馈电阻，可使CD4060内非门电路工作在电压传输特性的过渡区，即线性放大区。R 4的阻值可在几兆欧到几十兆欧之间选择，一般取22M Ω。C 2是微调电容，可将振荡频率调整到精确值。

图3

3.2计数器

数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的，显示为00~59；时的控制由一个十进制计数器和一个三进制计数器，显示为00~23，当十位计到2，个位计到4时清零。

在这里计数器的设计主要选用74LS90（2/5 分频异步加法计数器 ）实现。

74LS90计数器是一种中规模二一五进制计数器，其引脚如图6所示，功能表如图7表所示。

CP 1

14NC 13Q A 12Q D 11GND 10Q B 9Q C 8

74LS90

1234567

CP 2R 0(1)R 0(2)NC V CC S 9(1)S 9(2)

图7

60进制计数器的设计：用2块74LS90实现60进制计数。第一块正常计数计数满十，QD 引脚输出一个计数脉冲并置第二块的CP1引脚，当第二快计数满六时Q3引脚输出一个计数脉冲并充值置输出脚为0。接线图如图：

24进制计数器设计：用2块74LS90与1快74LS08实现24进制计数。两块计数器均采用8421BCD 码计数揭发，当第二块计数到2(QdQcQbQa=0010)且第一快计数到4(QdQcQbQa=0100)同时使两块计数器异步清零。接线图如图：

3.3校时电路

当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。使开关打在需要

调整的秒分时即可按单次脉冲进行校正。电路设计如图：

3.4 数码管显示电路

本设计使用BS201和CD4511配套使用实现译码显示功能。

①数码管是数字钟的显示部分，由七段LED 和一个点构成，其引脚图如下：

②CD4511是BCD 锁存/7段译码器/驱动器，常用的显示译码器件，其引脚图如下：

CD4511引脚功能： BI ：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。 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。LT ：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。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。

电路连接如图：

四. 电路仿真

电路仿真用的是Multisim 仿真，仿真图如下：

五．整体原理图与PCB 设计

5.1数码管显示电路

5.2计数器电路

六．作品展示

七．总结与心得体会

通过此次课程设计，总体来说，收获颇丰，无论是在培养自己的实验动手能力还是培养自己的性情方面。在此次的数字钟设计过程中, 更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法. 此次课程设计原理并不难，但是使用数字芯片很多，线路连接比较复杂，特别是PCB 设计比较困难。从课程设计的开始到最后，老师很负责任，非常感谢老师。

八．参考文献

⑴《电子技术课程设计指导》 彭介华编，高等教育出版社，1997年10月 ⑵《数字电子技术》康华光编著高等教育出版社， 1998年