数字钟课程设计.docx
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数字钟课程设计
目录
一、设计任务1
二、功能要求1
三、设计方案1
1系统原理框图1
2方案设计与论证3
2.1时间脉冲产生电路3
2.2分频器电路5
2.3时间脉冲产生电路5
2.4时间计数器电路6
2.5译码驱动及显示单元电路8
2.6校时电路9
2.7报时电路11
3系统调试12
四、注意事项12
五、心得与体会13
5.1小组成员13
5.2小组成员14
5.3小组成员15
六、参考文献16
七、附件17
附件1：
实验电路图17
附件2：
PCB图18
附件3：
元件清单19
附件4：
部分芯片引脚图及功能表19
一、设计任务
设计一种多功能数字钟，该数字钟具有基本功能和扩展功能两部分。
其中，基本功能部分的有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。
扩展功能部分则具有：
定时控制、仿广播电台正点报时、自动报整点时数和触摸报正点的功能。
数字钟的电路也是由主体电路和扩展电路两部分构成，在电路中，基本功能部分由主体电路实现，而扩展功能部分则由扩展电路实现。
这两部分都有一个共同特点就是它们都要用到振荡电路提供的1Hz脉冲信号。
在计时出现误差时电路还可以进行校时和校分，为了使电路简单所设计的电路不具备校秒的功能。
并且要用数码管显示时、分、秒，各位均为两为显示，扩展部分要有相应的响应电路。
二、功能要求
基本功能
（1）时的计时要求为“24翻1”，分和秒的计时要求为60进制
（2）准确计时，以数字形式显示时，分，秒的时间
（3）校正时间
扩展功能
（1）定时控制；
（2）仿广播电台报时功能；
（3）自动报整点时数；
三、设计方案
1系统原理框图
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一致，故需要在电路上加一个校时电路。
同时必需以标准的1HZ时间信号作为时钟驱动。
通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
图1所示为数字钟的一般构成框图。
谐振电路
分频电路
图1系统原理框图
⑴振荡器电路：
振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。
⑵分频器电路：
分频器电路将高频方波信号经
次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。
分频器实际上也就是计数器。
⑶时间计数器电路：
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。
⑷译码驱动电路：
译码驱动电路将计数器输出的BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
⑸整点报时电路：
一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波,较复杂的也可以是实时语音提示。
2方案设计与论证
2.1时间脉冲产生电路
方案一：
由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。
如图2.
图2555与RC组成的多谐振荡器
方案二:
振荡器是数字钟的核心。
振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。
石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。
因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号。
如图3：
图3石英晶体振荡器图
方案三：
由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器。
图4门电路组成的多谐振荡器图
用555组成的脉冲产生电路:
R1=15*100000，R2=68*100000，C=10pF ，则555所产生的脉冲的为:
f=1.43/[（R1+2*R2）*100*10*106=0.947Hz,而设计要求为1Hz,因此其误差为5.3%,在精度要求不是很高的时候可以使用。
石英晶体振荡电路:
采用的32768晶体振荡电路,其频率为32768Hz,然后再经过15分频电路可得到标准的1Hz的脉冲输出.R的阻值,对于TTL门电路通常在0.7～2KΩ之间;对于CMOS门则常在10～100MΩ之间。
由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阈值电压VTH，由于VTH容易受到温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能用于对频率稳定性要求不高的场合。
综上分析，方案二，石英晶体振荡电路能够作为最稳定的信号源，但是本实验选取方案一。
2.2分频器电路
通常，数字钟的振荡电路输出频率较高，为了得到1Hz的秒信号输入，需要对振荡电路的输出信号进行分频。
通常实现分频的电路是计数器电路，一般采用多级二进制计数器来实现。
例如，将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768（
），即实现该分频功能的计数器相当于15级二进制计数器。
从尽量减少元器件数量的角度来考虑，本实验采用两级2分频，即可得1HZ。
2.3时间脉冲产生电路
图5产生1Hz时间脉冲的电路图
NE555N同时构成振荡电路和分频电路。
如图5，利用NE555N即可得到1HZ信号。
2.4时间计数器电路
一般采用10进制计数器来实现时间计数单元的计数功能。
为减少器件使用数量，可选74ls160，其内部逻辑框图如图6所示。
该器件为双2-5-10异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。
图674ls160内部逻辑框图
秒个位计数单元为10进制计数器，秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。
电路连接方法如图7所示。
图710进制-6进制计数器电路
分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，就不重复。
时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行24进制转换，电路如图8所示。
图824进制计数器电路
2.5译码驱动及显示单元电路
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。
用于驱动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，其输出是OC门输出且低电平有效，专用于驱动LED七段共阳极显示数码管。
如图9所示。
若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。
图9译码及驱动显示电路图
2.6校时电路
方案一：
。
通常，校正时间的方法是：
首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。
根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。
图10所示为所设计的校时电路。
图10方案一校正电路图
方案二：
校准电路由基本RS触发器和“与”门组成，基本RS触发器的功能是产生单脉冲，主要作用是起防抖动作用。
未拨动开关K时，“与非”门G2的一个输入端接地，基本RS触发器处于“1”状态，这是数字钟正常工作，“分”进位脉冲能进入“分”计数器。
拨动开关K时，“与非”门G1的一个输入端接地，于是基本RS触发器转为“0”状态。
秒状态可以直接进入“分”计数器，而“分”进位脉冲被阻止进入，因而能较快地校准分计数器的计数值。
校准后，将校正开关恢复原位，数字钟继续进行正常计时工作。
图11方案二校正电路
通过比较可知，两方案均有防抖动的措施，稳定性较好，方案一和方案二相比，方案二防抖动措施更好，更完备，但电路也更为复杂，成本也更高，通过比较选择方案一，既能实现防抖动功能，做出事物也更经济一些。
2.7报时电路
采用仿广播台整点报时的功能：
每当数字钟计时快要到正点时候发出响声，通常按照四低音，一高音的顺序发出间断声，以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。
4低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、发生在59分53秒、发生在59分55秒、发生在59分57秒、，最后一声高音（约1KHz）发生在59分59秒，他们的持续时间均为一秒。
图12报时电路
3系统调试
（1）在调试前一定要检查电路板上有没有出现短路，最好先用万用表检查一下整个电路的总电阻。
正常情况下，电阻不为零或接近零，或者无穷大。
如果出现这两种情况，就必须要对电路的焊接点或明线进行检查。
（2）对系统接电源时，一定要做到眼看耳听手摸。
如果电路出现明显的元件冒烟或有发烫时，就必须马上断开电源。
再利用万用表测试下该处元件的性能或看下有没有短路。
（3）如果发现电路不能正常工作时（没有短路或断路的情况下），利用万能表先对集成块的供电系统进行检查，再对其它小元件检查。
（4）焊接完成后，必须对整个电路板与原理图或pcb图进行检查，以防止有线没有连上，特别是跳线。
四、注意事项
（1）连接导线时，一定要使用电线连接，否则，在打印时无法打印。
（2）尽可能减少跳线，集成块底部的走线不能过于靠近集成块的焊脚，一面在焊接时发生短路。
（3）对于较复杂的连线可以利用做标号的方法，以减少电路图的复杂性，更容易检查电路图。
（4）需要跳线的地方一定要做好标号。
（5）地与电源一定要区分开，做好符号的选取。
（6）电路图连完后注意检查，看看元件间有没有出现绿色（如果出现绿色，就说明该处元件间距过少），有没有没连上或连错的。
五、心得与体会
5.1小组成员
总结：
设计过程遇到的困难及解决方法：
（1）在连接共阴极七端数码管时，我们刚开始时是每个发光二极管接上一个200小电阻。
但由于电路板的面积大小有限，没法都接上电阻。
采用公共电阻的方法，在每个数码管得接地端连上一个1k大电阻。
（2）在画pcb板图时，为了减少跳线，我们尽可能在集成元件底部走线，但有时因为走线过多没法走完，但又不想跳线。
解决方案：
原来在刚开始时我们设计线大小为1mm，最小为0.6mm，因此我们采用该处线大小为0.8mm，问题就解决了。
体会：
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。
这学期数电实验课的考试就是做的数字钟，所以在计数模块上面有以前的经验，设计技术模块很快就得出了正确的结果，虽然跟实验室用得芯片不一样，但原理一样，同时我还理解到，同样功能可以由不同的芯片实现，需遵行简单，经济的原则，从而最大程度符合目标设计。
这次课程设计，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。
我相信是对我的一个很好的提高，补足平日理论学习后实践方面的空白。
通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。
这次的设计电路我用到了计数器、译码器等，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能。
模电课程设计学到得方法在这里可以继续使用，比如MULTISIM等学习软件，给设计提供了很大的便利。
还让我了解了基本原理到成品的基本步骤（包括原理图设计、pcb电路布线、电路板的腐蚀、钻孔、焊接和调试等）。
课程设计机会不多，但课程设计临近期末才给出来，做得很匆忙。
虽然自己很努力的做了，且把任务要求都做了设计，但是在实际操作中还是有些功能未能实现。
觉得做得不够好，难免有点遗憾。
这学期本来课不多，自己认真做了，觉得还是小有收获。
更重要的是，在我们小组的共同努力下，我们比较顺利地完成了任务。
这次课设还让我明白，困难是成功的台阶，只有一级级走上去才能有所收获。
工科院校的学生应当这样多参与实践，运用所学，为将来工作打下基础。
5.2小组成员
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。
这学期数电实验课的课程设计就是做的数字钟，所以在计数模块上面有以前的经验，设计技术模块很快就得出了正确的结果，虽然跟实验室用得芯片不一样，但原理是类似的，我也得出结论，不同的电路可以实现同样的功能，我们应该设计最简单，最经济，最实用的电路。
当然这个不一定所有条件都符合，找到一个最大限度满足各种条件的方案是我们设计的目标。
在设计电路的过程中碰到的最大的问题就是ＰＣＢ版要自己一个管脚一个管脚的连，还有就是线宽啊，焊盘啊等都要注意的问题，这次的ＰＣＢ版并没有设计的很完美，飞线比较多，对后来焊接有些影响，设计相当的耗时间不过这也给以后的课程设计打下了基础。
再有就是在真正开始制版的时候，在热转印的过程中我遇到了困难，过了好几遍，可是最后取出来是时候还是有一些碳粉没有转移到铜板上，因此就只能自己拿油墨笔补上去，另外就是腐蚀板子我花了比较长的时间，因为天冷腐蚀比较慢，溶液还不小心粘在衣服上，都洗不掉。
以后再做课程设计的时候就有经验了。
钻孔是个细活，不过在组员的合作下我们很快就做完了。
焊接由于有之前焊收音机的经验，所以并不是很难。
每次课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。
我相信是对我的一个很好的提高。
平时在学习理论知识的时候，我们应该更注重实践，应付考试有考试的方法。
这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多数字钟电路，这些都是我们自己可以实现的。
通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。
这次的设计电路我用到了计数器、译码器等，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比书上说的多很多，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。
还有比如MULTISIM等学习软件，给设计提供了很大的便利。
课程设计机会不多，这学期因为数电课程设计临近期末才给出来，做得很匆忙，觉得不是敷衍老师，而是敷衍自己。
虽然自己很努力的做了，但觉得做得不够好，难免有点遗憾。
碰到的问题越让人绝望，解决问题之后的喜悦程度就越高。
作为工科类的学生，以后工作了难免要碰到许许多多的问题，不要绝望，坚持，直到看到胜利的曙光。
5.3小组成员
起初听说要做数字钟时，感到十分的不可思议，认为这是根本不可能造成的任务。
在我的脑海里，始终认为那种“高端”产品不是我们这些大学生能在学校完成的。
但同时我内心又充满期待，真心希望自己能够做出一台像样的数字钟，这样也不枉我学了一个学期的数逻。
当我听过老师的讲解后，发现数字钟其实也没有我想象中的那样高不可攀，它所涉及的一些知识都是我们课堂上学过的，于是我对这次实验充满了激情与斗志。
我开始认真的钻研各种基本原理，学习怎样让时分秒正确的显示，以及校正和报时。
但当我认真钻研时才发现，一切并不是那么简单，有好多以前实验没出现的问题要考虑。
特别是老师要求用软件画图，我以前从没用过软件画图，所以对这方面还是一片空白，于是我花了一个上午去熟悉这款软件。
终于能将常用的功能学会了，但怎样使原理图生成pcb版还是不会。
于是我只能找班上的人教我，最后终于学会了。
实验开始进入正轨，我们组的组员总共画了3个原理图和相应的pcb图，我们选了其中一个比较稳妥的方案。
但在排线时我们遇到了较大的困难，我首先是采用的手动排线，但我排了一个上午才完成了一小部分，于是只好采用自动布线，但自动布线的结果不太理想，于是便只能一根一根的重排。
等到差不多排完时，才发现我们用的是双面板，而制版只能用单面版，于是我们又只能重新生成pcb版，重新排线，这浪费了我们很多时间。
终于，到了制版与焊接了，由于我主要负责焊接，所以制版过程基本没怎么参与。
最终版制出来了，但制的版不太美观，应该是温度没控制好导致的。
接下来就是打孔了，打孔的人太多了，我们组的组员排了好久才轮到。
孔打完后，就是我的工作-焊接了。
这次发给我们的焊接工具比较差，电烙铁根本比不了我们电工实习时发的，焊锡质量也不怎么好，里面的松香太多了。
所以我焊的时候根本没有电工实习时那样顺手。
最糟糕的是我们版上还有一个孔没钻，这让我感到无从下手。
终于我将所有的元器件焊完后，紧接着开始了飞线的焊接，我们组的飞线是比较多的，大概有二十来根，我对着pcb图一根一根的焊接，往往是焊到一半就不知道下一根线该焊到哪了，pcb版上的线看得我的头都大了。
终于，在花费了我一整个下午和晚上的时间后，我完成了这一项“宏伟”的工程。
看着自己的作品，感觉特别有成就感。
虽然焊得没有电工实习时好，但也还能凑合。
总之，这次的实验让我学到了很多，极大提高了我的动手能力，也让我认识到了一切高端产品都是一个个小的知识点与原理组成的，所以我们现在学习的知识是最基础也是最重要的，我们要努力学好基础知识，为以后进一步研究打下坚实的基础。
六、参考文献
1《数字电子技术基础》康华光主编高等教育出版社
2《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版
3《电子线路综合设计实验教程》刘鸣主编天津大学出版
七、附件
附件1：
实验电路图
附件2：
PCB图
附件3：
元件清单
数码管共阳
6个
译码器
74LS48N
6个
74ls160
10个
74ls00
4个
74ls20
2个
双刀按钮
2个
按钮
4个
电阻
470欧
40个
电阻
100千欧
5个
电阻
1千欧
10个
电容
0.01μF
5个
电容
100pF
8个
发光二极管
8个
二极管
4个
三极管
NPN
1个
蜂鸣器
1个
555
1个
圆孔插座
1个
16脚基座
20个
14脚基座
8个
电阻
4.7千欧
5个
电阻
47千欧
5个
电容
1μF
3个
电容
10μF
3个
附件4：
部分芯片引脚图及功能表
74ls48n引脚图及功能表
74ls160引脚图及功能表
74ls20引脚管脚图及功能表
74ls00引脚管脚图及功能表
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