数字电路电子钟设计.doc

题目__ 数字电路电子钟设计 ____
班级 _10材物一班 ___
学号_____201010240132______________
姓名___ 黄小二 _________________
指导__ 鲁昌龙 _______________
时间____2012年6月 __ ____

景德镇陶瓷学院
电工电子技术课程设计任务书
姓名 黄小二 班级 10材物一班 指导老师 鲁昌龙
设计课题：数字电路电子钟设计

设计任务与要求

设计一个数字电路电子钟应用电路，要求电子元件超过30~50个或以上，根据应用电路的功能，确定封面上的题目，然后完成以下任务：
1、 分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；
2、 对电路的每个部分分别进行单独说明，画出对应的单元电路，分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电路的关系等等；
3、 用简单的电路图绘图软件绘出整体电路图，在电路图中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息；
4、 对整体电路原理进行完整功能描述；
5、 列出标准的元件清单；
6、 写出设计心得体会

设计步骤

1、 查阅相关资料，开始撰写设计说明书；
2、 先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；
3、 依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；
4、 列出标准的元件清单；
5、 总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；
6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。

参考文献
1、 夏路易，电路原理图与电路板设计教程，北京，北京希望电子出版社，2002
2、 康华光，数字电子技术基础，北京，高等教育出版社，2005
3、 翁飞兵，电子技术实践教程，国防科技大学出版社，2003年6月
4、 刘征宇，电子设计实战攻略，厦门，福建科学技术出版社，2001
5、 凌肇元，集成电路应用实例集锦，北京：人民邮电出版社，1983

目录
1、 总体方案与原理说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
2、 设计原理及方框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
3、 译码显示电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
4、 震荡器电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
5、 分频器的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
6、 计数器的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
7、 校时电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
8、 整点报时电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
9、 定时控制电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
10、总体电路原理相关说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .10
11、总体电路原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
12、元件清单. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
13、参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
14、设计心得体会 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……………16
1.总体方案与原理说明
随着科学技术的不断发展, 人们对时间计量的精度要求越来越高。高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器, 由于电子钟、石晶表、石英钟都采用了石英技术, 因此走时精确度高, 稳定性好, 使用方便, 不需要经常调校。数字式电子钟用集成电路计时时, 译码代替机械式传动, 用液晶显示器代替指针显示进而显示时间, 减小了计时误差。这种表具有时、分、秒、显示时间的功能, 还可以进行时、分、秒的校对。
数字钟已成为人们日常生活中不可少的必需品，给人们的生活，学习，工作带来极大的方便。本文介绍的数字钟是一种利用数字电路来显示时、分、秒的装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确，性能稳定，显示直观，无机械传动装置等特点。此外，本数字钟还具有整电报时、定时响闹功能。
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械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，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。

2.设计原理及方框图
数字钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路，由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1kHZ时间信号必须做到准确稳定。
数字钟电路主要由震荡器、分频器、校时电路、时分秒计数器、译码显示器及整点报时电路、定时控制电路构成。它们的工作原理是：由震荡器产生的高频信号作为数字钟的时间基准，再经过分频器输出标准送入秒计数器，秒计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个信号，该信号作为分计数器的脉冲信号，分计数器也采用60进制计数器，每累计60分钟发出一个信号，该信号将被送到时计数器，时计数器采用12进制计数器。译码显示电路将时、分、秒计数器的输出状态送到译码显示器，通过六位LED显示器显示出来。校时电路用来对时、分显示数字行

调整；整点报时电路则根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时；定时控制电路由指定时刻发出的信号，驱动音响电路。

3．译码显示电路
译码和数码显示电路是将数字钟和计时状态直观清晰地放映出来，被人们的视觉器官所接受，它的任务就是将计数器输出的8421BCD码译成数码器显示所需要的高低电平。这里所选用的译码器就是常用的BCD译码/驱动器74LS48，其中A1、A2、A3、A4与计数器的四个输出端按设计要求相连或接地，a、b、c、d、e、f、g则与七段数码显示器对应端相连。具体电路图见总图部分。

4．震荡器电路
震荡器电路是数字钟的核心，主要用来产生时间标准信号，数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及稳定度。一般来说，震荡器的频率越高，计时精度越高。通常采用石英晶体震荡器经过分频得到这一信号，也可采用由门电路或555定时器构成的多谐震荡器作为时间标准信号源。

本设计方案采用的是集成电路定时器555与RC组成的多谐震荡器，如下图所示：

1ms

振荡器电路

5．分频器的设计
由于震荡器输出的频率很高，所以需一定级数的分频电路。本设计方案中的分频器主要功能有两个：一是产生标准“秒”信号，二是提供整点报时电路所需要的1KHz的高音信号和500Hz的低音信号。这里选用三片中规模集成电路计数器74LS90即可满足上述功能，因三片级联则可获得所需频率信号，即第一片的输出频率为500Hz，第二片的输出频率为10Hz，第三片的输出频率为1Hz。具体电路图见总图部分。

6．计数器的设计
有了时间标准“秒”信号后，就可以根据设计要求设定时、分、秒计数器：分和秒计数器都采用60进制计数器，计数规律均为00，01，02-----58，59，00，01------，因此个位均选用十进制计数器74LS90，十位均选用十二分频计数器74LS92，再将它们级联则可组成60进制计数器。十进制计数器是一个“12翻1”的特殊计数器，即当数字钟运行到12时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲，数字钟自动显示为01时00分00秒，实现日常生活规律，所以时个位选用一片四位二进制同步可逆计数器74LS191，十位选用双上升沿D触发器74LS74，再加上适当的与非门和异或门级联则可满足要求。具体电路图见总图部分。

7．校时电路

校时电路
校时电路是在刚接通电源或钟表走时出现误差时进行时间校准，本电路只对分和秒进行校准。校时电路要求各种校准必须互不影响，即在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正是不影响小时和秒的正常计数。校时方式有“快校时”和“慢校时”两种，“快校时”是通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数，“慢校时”是手动产生单脉冲作为校时脉冲。具体电路如下图所示：其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关，校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为“0”时可进行“快校时”。如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供，则可进行“慢校时”

8、整点报时电路
整点报时电路的功能是要求每当数字钟计时到整点（或快到整点）时发出音响，通常按照四声低音一声高音的顺序发出间断声响，以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。
设四声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒、57秒，最后一声高音（约1KHz）发生在59秒，它们的持续时间为1s。
由此可见，报时时分和秒个位计数器的状态是不变的为59分，秒十位计数器的状态为:（QdQcQbQa）ds2=0101亦不变，只有秒个位计数器Qds1的状态可用来控制1KHz和500Hz的音频。
只有当分十位的Q2M2Q0M2=11,分个位的Q3M1Q0M1=11,秒十位的Q2S2Q0S2=11，秒个位的Q0S1=1时音响电路才能工作。

下表列出了秒计数器的状态：
秒个位计数器的时态
CP(秒)
Q3S1
Q2S1
Q1S1
Q0S1
功能
50
0
0
0
0

51
0
0
0
1
鸣低音
52
0
0
1
0
停
53
0
0
1
1
鸣低音
54
0
0
0
0
停
55
0
1
0
1
鸣低音
56
0
1
1
0
停
57
0
1
1
1
鸣低音
58
1
0
0
0
停
59
1
0
0
1
鸣高音
00
0
0
0
0
停

由表可得：当 Q3S1=“0”时为500Hz输入音响；
当Q3S1=“1”时1KHz输入音响。
由此可设计如下电路图：

整点报时电路

9．定时控制电路
有时需要数字钟在规定的时刻发出信号并驱动音响电路进行“闹时”，这就要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。如要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。 因为7时59分对应数字钟的时个位计数器的状态为(Q3Q2Q1Q0)H1=0111，分十位计数器的状态为(Q3Q2Q1Q0)M2=0101，分个位计数器的状态为(Q3Q2Q1Q0)M1=1001。若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路，可以使音响电路正好在7点59分响，持续1分钟后（即8点时）停响。所以闹时控制信号Z的表达式为：

式中，M为上午的信号输出，要求M=1。
如果用与非门实现上式所表示的逻辑功能，则可以将Z进行布尔代数变换，即

实现上式的逻辑电路如图所示，其中74LS20为4输入二与非门，74LS03为集电极开路（OC门）的四-2输入与非门。

定时控制电路

由图可见上午7点59分时,音响电路的晶体管导通,则扬声器发出1kHz的声音。持续1分钟到8点整晶体管因输入端为“0”而截止,电路停止闹铃。

10．总体电路原理相关说明
数字钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路，由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1kHZ时间信号必须做到准确稳定。
它们的工作原理是：由震荡器产生的高频脉冲信号作为数字钟的时间基准，再经过分频器输出标准“秒脉冲”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，该信号作为分计数器的脉冲信号，分计数器也采用60进制计数器，每累计60分钟发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到时计数器，时计数器采用12进制计数器。译码显示电路将时、分、秒计数器的输出状态送到七段译码显示器，通过六位LED七段显示器显示出来。校时电路用来对时、分显示数字进行调整；整点报时电路则根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时；定时控制电路由指定时刻发出的信号，驱动音响电路。

构成方框图如下：

11．总体电路原理图

计数显示及校时电路

定时控制电路

整点报时电路

12．元件清单
序号
元件名称
规格型号
数量
1
四-2输入与非门
74LS00
4
2
四-2输入与非门（OC）
74LS03
2
3
双四输入与非门
74LS20
2
4
BCD-七段显示译码器
74LS48
6
5
双上升沿D触发器
74LS74
1
6
十进制计数器
74LS90
5
7
十二分频计数器
74LS92
2
8
四位二进制可逆计数器
74LS191
1
9
数码显示器
BS202
6
10
集成电路定时器
555
1
11
蜂鸣器
8
1
12
定值电阻
3.3
4
13
定值电阻
2
1
14
定值电阻
5.1
1
15
定值电阻
10
1
16
定值电阻
1
1
17
电容器
22
1
18
电容器
0.1
1
19
电容器
0．01
3
20
晶体三极管
3DG130
1
21
开关
单向开关
2

13．参考文献
1. 夏路易，电路原理图与电路板设计教程，北京，北京希望电子出版社，2002
2. 康华光，数字电子技术基础，北京，高等教育出版社，2005
3. 翁飞兵，电子技术实践教程，国防科技大学出版社，2003年6月
4. 刘征宇，电子设计实战攻略，厦门，福建科学技术出版社，2001
5. 凌肇元，集成电路应用实例集锦，北京：人民邮电出版社，1983
6. 陶恒齐，电工与电子技术，武汉：华中科技大学出版社，2008年9月第1版
7. 江临伟，电工与电子技术，北京：清华大学出版社，2007
8. 袁桂慈，电工与电子技术实践教程，北京：机械工业出版社，2007
9. 曲学基，常用电子电器电路500例，电子工业出版社，1995年8月
14．设计心得体会
“电工电子课程设计”是对我学习电子技术的综合性训练。要完成一个课题的设计要涉及到许多方面的知识通过上网查询和查阅相关书籍资料，让我知道了大量关于数字钟设计的知识，同时又重新将从前学过的知识复习了一遍。从而让我更深一步掌握了时序逻辑电路的功能，学会了做课程设计的一般步骤。通过这次课程设计，我还进一步熟悉了Microsoft office word的应用，这个学期我们开设了Auto CAD这门课程，这让我更进一步了解了Auto CAD的应用，并且还学习了绘图助手的用法。知道了将相关软件结合起来应用。
首先我制定出自己的设计方案，其次详细设计每一部分的电路，最后再根据原理方框图连接电路。这不仅培养了我分析和解决实际问题的能力，在这次的课程设计中，我认识到自己在学习理论知识及实践能力的不足，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，使我受益非浅。在设计中，还有很多不明白的地方，通过学校图书馆的万方数据库以及在中国知网上查阅一些资料，我把这些问题一个一个解决了，并把它运用在了自己这次设计的电路中。
设计实验的电路图示用绘图助手画的，绘图助手软件绘画，有网格，可以很容易地将图形画好，画好后将网格取消，再截图，粘贴到文档中。

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