河北工程大学数字钟设计.docx
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河北工程大学数字钟设计
信电学院
电子信息工程专业CDIO二级项目
项目设计说明书
（2012/2013学年第二学期）
项目名称：
电子技术设计及仿真
专业班级：
信息1102
学生姓名：
学号：
指导教师：
设计周数：
1周
设计成绩：
2013年7月12日
目录
1项目设计目的及任务3
1.1设计目的3
1.2设计要求3
1.3主要任务3
2方案比较与选择3
2.1时钟驱动脉冲阶段3
2.2计数阶段5
2.3显示阶段6
2.3.1数码管方案选择6
2.3.2译码方案选择7
2.3.3显示电路方案设计7
3电路仿真与分析7
3.1电路仿真7
3.1.1multisim仿真软件7
3.1.2仿真过程分析9
3.2电路分析9
3.2.1电路工作原理9
3.2.2信号产生电路部分10
3.2.3计数器部分15
3.2.4显示电路部分19
4项目设计心得20
5元器件选择21
6参考文献22
附录：
数字钟总体电路图
图1数字钟仿真图
1项目设计目的及任务
1.1设计目的
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。
因此，我们此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法.
通过项目设计让学生初步掌握电子线路的设计、组装及调试方法。
即学生根据设计要求，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能要求；该设计为后续的毕业设计打好基础。
让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际方面，运用已学过的分析和设计电路的理论知识，逐步掌握工程设计的步骤和方法，同时，课程设计报告的书写，为今后从事技术工作撰写科技报告和技术资料打下基础。
1.2设计要求
⑴设计一个数字钟。
要求用六位数码管显示时间，格式为00:
00:
0；
⑵具有60进制和24进制计数功能，秒，分为60进制计数，时为24进制计数；
⑶有译码，七段数码显示功能，能显示时，分，秒计时的结果；设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器；
⑷确定设计方案，按功能模块的划分选择元器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理；
1.3主要任务
⑴根据技术要求和现有开发环境，分析项目题目；
⑵设计系统实现方案；
⑶设计绘制电路原理图并选择元器件，并用multisim仿真；
⑷记录结果，修改并完善设计；
⑸编写项目报告
2方案比较与选择
2.1时钟驱动脉冲阶段
方案一：
由555定时振荡器构成1Hz脉冲发生电路，通过改变电路中的电阻电容可以得到不同频率的脉冲。
如图2-1所示
图2-1555定时振荡器
方案二：
图2-2所示电路通过CMOS非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。
输出反馈电 阻R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。
电容C1、C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。
由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。
晶体XTAL的频率选为32768HZ。
该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。
C1、C2 为22pF。
由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为20MΩ。
较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
晶体振荡器电路如图2-2。
图2-2晶体振荡器
2.2计数模块
方案一:
秒、分、时计数器U1到U6六个74160构成数字钟的秒、分、时计数器。
U1、U2共同构成秒计数器，它由两个74160构成六--十进制的计数器，如图2-3。
U1作为秒个位十进制计数器，它的复位输入RD、和置位输入LD都接低电平，秒信号脉冲作为计数脉冲输入到CP1端，输出端C控制U2秒十位计数器的计数脉冲输入。
Q1、Q2、Q3、Q4作为秒个位的计时值送至秒个位七段显示译码/驱动器。
U2作为秒十位六进制计数器，它的计数脉冲输入受到秒个位U1的控制，其计数器使能端EP、ET与U1的输出端C相连接。
当U2计数器计到0011，即清零信号到复位输入端时，Q1、Q2、Q3、Q4输出的都是零。
Q1、Q2、Q3、Q4作为秒十位的计时值送至秒十位七段显示译码/驱动器。
U3、U4分别构成分个位十进制和分十位六进制计数器。
U3、U4与U1、U2的连接方法相似。
当计数器输出为01011001状态，U3（U1）、U4（U2）的LD端同时为“0”，使计数器立即返回到00000000状态。
这样就构成了六十进制计数器。
U5、U6共同构成时计数器，它由两个74LS161构成六十进制的计数器如图五。
U5作为时十位计数器，它的复位输入RD、和置位输入LD都接低电平，时信号脉冲作为计数脉冲输入到CP1端，输出端C控制U6秒十位计数器的计数脉冲输入。
Q1、Q2、Q3、Q4作为秒个位的计时值送至秒个位七段显示译码/驱动器。
当计数器输出为00100100状态，U5、U6的LD端同时为“0”，使计数器立即返回到00000000状态。
这样就构成了二十四进制计数器。
方案二：
‘秒分’计时器可以选用一片双重BCD码加法计数器CC4518,反馈清零实现六十进制；‘时’计数器也可以选用一片双重BCD码加法计数器CC4518，反馈清零实现二十四进制计数器。
综上，以及未了此次设计有条理，选用方案一更容易分析。
图2-374160原理图
2.3显示阶段
2.3.1数码管方案选择
数字显示部分选用的是传统的七段数码管，每段数码管都是由一个小的LED构成，七段数码管分为共阴极和共阳极两种显示方式。
（1）共阳数码管的公共极是内部发光二极管的阳极；共阴数码管的公共极是内部发光二极管的阴极；
（2）当某一发光二极管公共极加上相应电平而输入端接入前方信号输入时，相应的发光二极管导通，这一段就会发光。
（3）无论是共阴极还是共阳极都需要加限流电阻，否则通电之后就会把七段数码管烧坏。
对于大功率七段译码器可根据实际情况来选取限流电阻及电阻瓦数。
2.3.2译码器方案选择
本次设计选用的了一个集成译码器，常见的译码器有数字电路课本中的TTL系列器件中的74LS译码器。
（1）常见的译码器有74LS47系列和74LS48系列，其基本功能相同。
（2）对于74LS47系列其输出端是高电平有效，输出的端头接共阳极的数码管。
（3）74LS48和74LS47系列正好相反，其输出是低电平有效。
接共阴极数码管，本次设计采用的是共阴极的数码管。
（4）译码器和数码管之间接入了限流电阻防止数码管烧坏，保护数码管。
2.3.3显示电路方案设计
（1）静态显示法：
静态显示法，就是每一个计数器后面，连接一个74LS247显示译码器，此后再连接一个LED显示译码管。
是最基本的连接方式，有连接方式简单延长器件使用时间的优点。
（2）动态显示法：
动态显示法，其实是一种利用人的视觉暂留效果，进行轮流显示的一种显示方法。
在整个电路中，虽然有六个计数器以及分别与之对应的六个LED显示管，但是只使用一个74LS247显示译码器进行译码。
其基本思想就是用一个数据选择器轮流选择相应的计数器结果送入译码器译码，然后再将译码结果送入相应的LED显示管显示，不停地循环。
当循环次数足够快时，由于人眼的视觉暂留效果，就能使得六位结果清晰地显示出来。
综合来看，采用静态显示电路比较符合实际应用，本次设计采用的也是静态显示电路。
3电路仿真与分析
3.1电路仿真
3.1.1Multisim仿真软件
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
图3-1multisim图形界面
软件以图形界面为主（如图3-1），采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。
界面由多个区域构成：
菜单栏（如图3-2），各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。
通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。
用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。
不难看出菜单中有一些与大多数Windows平台上的应用软件一致的功能选项，如File，Edit，View，Options，Help。
此外，还有一些EDA软件专用的选项，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器设计，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
图3-2综合设计部分图
3.1.2仿真过程分析
单击运行按钮，可观测仿真结果。
电路能完成显示计时、校时等功能。
⑴计时功能:
当开始仿真电路时，数字时钟工作于计时状态。
此时，电路中的秒计时电路、分计时电路以及小时计时电路分别对秒脉冲、分脉冲和小时脉冲进行计数。
计数结果经数码管显示计时时间值。
⑵校时功能:
当开始仿真时，数字时钟工作于校时状态。
按瞬态按钮K键，可以选择对“小时”、“分钟”和“秒钟”进行校时。
校时时通过开关S1（手动输入校时时间）。
3.2电路分析
3.2.1电路工作原理
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）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1HZ时间信号必须做到准确稳定。
通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
数字电子钟的总体图（如图3-3）所示。
由图可见，数字电子钟由以下几部分组成：
石英晶体振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器；校对电路；六十进制秒、分计数器、二十四进制时计数器及七十进制日计数器；以及秒、分、时的译码显示部分等。
图3-4数字钟电路系统的组成框图
3.2.2信号产生电路部分
3.2.2.1振荡器部分
一般说来，振荡器的频率越高，计时精度越高。
本设计中采用由集成定时器555与RC组成的多谐振荡器，经过调整输出1000Hz脉冲。
电路图如下图所示：
图3-5555定时器振荡电路
图3-6仿真图
振荡器参数确定
555定时器的脉冲时间是由于RC充放电确定的。
根据三要素公式：
充电过程的方程式：
充电时间为：
放电过程的方程式：
放电时间为：
总时间为：
频率为：
首先确定C1=0.1uf，R2=5.1KΩ，需要输出频率f=1KHZ，将充放电时间算出，确定电阻R1。
通过确定R1=4.1KΩ。
3.2.2.2分频器电路设计
分频器功能主要有两个，一是产生标准秒脉冲信号，一是提供功能扩展电路所需要的信号，选用三片74LS90进行级联，74LS90是二—五—十进制计数器。
因为555定时器产生1KHZ的信号，第一片的Q3输出100HZ，第二片的Q3输出10HZ，第三片输出1HZ。
经过3次1/10分频后正好是1HZ，为标准的秒输入脉冲。
电路图如下图所示：
图3-7分频电路图
图3-8仿真图
由图3-8可知，所加信号源为1kHz、+5V的脉冲方波，这与由震荡电路产生的信号相吻合，所以可以用来代替输入信号。
由图3-9可知，在点B处经过一个74160N的1/10的分频，所得到的信号为100Hz。
又经过了一次分频，使得信号频率变为10Hz。
当到达D点时，信号的频率已经为1Hz，所产生方波的周期为1s，可以输出标准秒脉冲。
3.2.2.3校时电路设计
当数字钟出现计时或者计分错误时，需要校正时间，校时是数字钟的基本功能。
校时电路是数字钟不可缺少的部分，每当数字钟与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。
当数字钟接通电源或者计时出现错误是，需要校正时间，校时是数字钟应具备的基本功能。
为了电路简单，只对时和分进行校时。
校时电路要求在小时校正时不影响分和秒的正常计数，在分校时时不影响秒和小时的计数。
时校时电路和分校时电路都是一致的，校时脉冲信号为10HZ脉冲，这样速度正好适中，适合校时。
方法是控制六十进制的时钟输入端CP，使用两个三态门或者把秒进位信号（V2信号源仿真）加入，或者把校分的按键信号J1加入，J2用来控制校分和计分切换，由于两个三态门U10A和U11A的使能端有效电平刚好相反，J2接地时为校分功能，J2不接地时为计分功能。
校时电路要求在校时时不会影响分和秒的走动，在校分时，不会影响时和分的走动。
以下为校时电路开关功能：
表3-1校时电路功能表
S2
S1
功能
0
0
计数
0
1
校分
1
0
校时
图3-9校时电路图
图3-10信号产生部分电路图
3.2.3计数器部分
计时电路是产生数码管显示信息的核心，其含有时间计时电路。
时间计时电路有秒、分钟、小时三部分组成，此部分电路采用1Hz脉冲同步时序电路控制方法，同步时序电路可以避免由于仪器工作过程而产生的时序不同步而导致数字钟不精确的缺陷。
时间计时电路输入端全部为零。
秒计时电路为60进制计时器工作电路，采用74160LS和74161LS进行制作，当秒显示59时，产生一个进位脉冲，用来控制秒计时器的置数端和分各位计时电路的使能端，则当下一个脉冲触发计时器时，秒计时器被置数为零，则分计数器计数一次，分计数器个位使能端接秒部分的进位脉冲，十位部分计数器使能端接个位的进位端，两部分的置数端接分钟为59时，分钟个位进位产生的脉冲信号，和秒计时电路一样，当下一个脉冲来到时，两计数器均被置为零。
小时部分电路个位和十位使能端分别由分钟进位脉冲和小时个位进位脉冲控制，置数端接高，清零端接小时输出为24时的状态，则当数字钟由23进位为24时，小时计时器瞬间被清零，从而显示出小时由23变为00的状态。
显示“时”、“分”、“秒”需要6片中规模计数器；其中“秒”、“分”各为60进制计数，“时”为24进制计数。
在本设计中均用74160N来实现“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是六十进制，它由一级十进制计数器和一级六进制计数器连接构成，如图5所示，是采用两片中规模集成电路74160N串接起来构成的“秒”，“分”计数器。
图3-1160进制计数器
由图可知，U2是十进制计数器，U1的QD作为十进制的进位信号，74160N计数器是十进制异步计数器，用反馈清零法来实现十进制计数，U1和与非门组成六进制计数。
U1选择QB与QC做反馈端，经与非门输出控制清零端CLR,接成六进制计数形式（计数置0110清零）。
个位和十位之间采取同步级联复位方式，将U1的进位输出端RCO接至U2的时钟信号输入端CLK,完成个位对U2的进位控制。
将U2的反馈清零信号经非门输出，作为“分（时）”计数器的输出脉冲信号，即当计数器计数置60时，反馈清零的低电平信号输入CLR端，同时经非门变为高电平，在同步级联方式下，控制高位计数器的计数。
图3-1260进制仿真图
“时”计数为24进制的，在本设计中24进制的计数电路也是由两个74160N组成的二十四进制计数电路。
图3-1324进制电路图
图3-1424进制仿真图
时计数器需要的是一个二十四进制转换的递增计数电路。
个位和十位计数器均用十进制计数形式，采用同步级联复位方式。
将U2的进位输出端RCO接至U1的时钟信号输入端CLK，完成个位对十位计数器的进位控制。
U2输出端QB和U2输出端QC通过与非门控制两片计数器的清零端CLR，当计数器的状态为00100100时，立即反馈清零，从而实现二十四进制递增计数。
将U2的进位输出端RCO接至U1的时钟信号输入端CLK，完成个位对十位计数器的进位控制。
若选择十二进制，U2输出端QA和U2输出端QB通过与非门控制两片计数器的清零端CLR，当计数器的状态为00010010时，立即反馈清零，从而实现十二进制递增计数。
两个与非门通过一个双向开关接至两片计数器清零端CLR，单击开关可选择与非门的输出，实现十二/二十四进制计数器。
图3-15计数器电路图
3.2.4显示电路部分
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为七段数码管的正常工作提供足够的工作电流。
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。
用于驱动LED七段数码显示常用的有74LS48。
译码电路的功能是将秒、分、时计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。
用与驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。
74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。
若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段译吗管的输入端，便可以进行不同数字的显示。
在译码管输出与数码管之间串联电阻R作为限流电阻。
74LS48芯片是一个十进制译码器，可以用来驱动共阴极的发光二极管显示器。
74LS48的内部有升压电阻，因此无需外接电阻，可直接与显示器相连。
图3-1674LS48的管脚图
表3-274LS48BCD七段译码驱动器功能表
74LS48引脚功能-----七段译码驱动器功能表
十进
制数
输入
BT/RB0
输出
LT
RBI
A
B
C
D
a
b
c
d
e
f
g
0
H
/
0
0
0
0
H
1
1
1
1
1
1
1
1
H
/
0
0
0
1
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
/
0
0
1
0
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
/
0
0
1
1
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
/
0
1
0
0
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
/
0
1
0
1
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
/
0
1
1
0
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
/
0
1
1
1
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
/
1
0
0
0
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
/
1
0
0
1
H
1
1
1
0
0
1
1
图3-18显示电路
4项目设计心得
通过这次对数字钟的设计与制作，让我们了解了设计电路的程序，也让我们了解了数字钟的原理和设计理念。
本设计分成3部分完成：
信号产生部分，计数器部分，显示部分。
主要应用555定时器1个74160N9块74LS04N2块74LS00N6块7400N4个74LS48N6块设计出来。
把学到的东西与实践相结合。
从中对我们学的知识有了更进一步的理解，而且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。
也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。
虽然这只是一次简单的设计，但通过这次设计我们了解了设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。
设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。
各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。
同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。
另外，我还渐渐熟悉了mutisim这个仿真软件的各个功能，让我体会到了期中的乐趣，还在电脑制作文档的过程中，使我对办公软件有了更进一步的了解和掌握。
要设计一个电路总要对着一个参考电路图才可以连接，但是最后的成品却不一定与想象的完全一样，因为在事迹接线中有着各种各样的条件制约，所以要合理布局这样连出来的成品才比较美观。
设计过程中，在一次又一次的失败面前，我们没有退缩，而是勇敢的去面对，积极的去解决，充分运用所学知识和他人的帮助，最终取得了成功。
通过亲自动手连线，试验，遇到问题，解决问题，我们巩固了书本的知识，同时也学到了新的学问，明白了实践的可贵性。
动手能力的提高，细心与耐心的培养，品尝自己劳动成果的喜悦，是我们在这次课程设计中最大的收获。
在实验中，我也遇到了很多挫折，不过我都和同伴一一克服了，大家齐心协力解决了问题，使我明白了和他人共同合作的重要性。
在以后的道路上我们也必须深刻认识到团队合作的精神，投入今后的发展之中。
成功就是在不断摸索中前进实现的，遇到问题我们不能灰心、烦躁，甚至放弃，而要静下心来仔细思考，分部检查，找出最终的原因进行改正，这样才会有进步，才会一步步向自己的目标靠近，才会取得自己所要追求的成功。
5元器件选择
表5-1元件清单
型号
功能
备注
7400
四个2输入与非门
四片
74LS04
六反向器
两片
74LS48
译码器
六片
74LS04
2输入与非门
六片
NOT
非门
两片
74LS160
十进制计数器
九片
555定时器
产生时间延迟和多种脉冲信号
一片
电阻
5.1kΩ一个3.3Ω两个
330Ω42个4.1kΩ可调一个
LED显示器
六块
电键
两个
电容
0.01uF三个0.1uF一个
6参考文献
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高等教育出版社，2005.
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电子工业出版社，2008
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人民邮电出版社，2008.
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