数字钟设计论文Word文档下载推荐.docx
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整点报时在整点时发出四低一高的报时响声，并且闹铃开启的情况下到设置的闹铃时间时发出铃声。
显示选择模块在设置闹铃时选择显示置闹时间,在平时显示时钟时间。
1Hz
2Hz
512Hz
1024Hz
图2.1总体电路设计方框图
3单元模块电路设计分析与方案论证
3.1时钟驱动脉冲产生模块
时钟驱动脉冲产生模块是构成数字式时钟的核心，它产生一个矩形波时间基准源信号，其稳定性和频率精确度决定了计时的准确度，振荡频率愈高，计时精度也就愈高。
分频器采用计数器实现，以得到1s（即频率为1Hz）的标准秒脉冲。
方案一：
该部分电路可以用555定时器构成，如图，是一个由555定时器构成的1Hz脉冲发生电路，脉冲信号从3号引脚输出，通过改变电路中的电阻和电容可以得到不同频率的脉冲。
其计算方法是：
tpl=R2Cln2；
tph=（R2+R2）Cln2。
图3.1.1秒脉冲发生器
方案二：
图，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性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确
。
图3.1.2晶体振荡电路
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。
其中C1、C2为22pF，当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。
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。
555定时器和晶体振荡器构成的脉冲发生器相比，由于电阻电容及其自身的精度的影响，其精度相对差一些，稳定度不让晶振且电路要复杂些，所以本次设计采用晶体振荡器。
分频器电路
通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到１Ｈz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。
通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。
例如，将32767Ｈz的振荡信号分频为1Hz的分频倍数为32767（215），即实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。
计数器可用多种方法构成，在下面的计时部分还会讲到。
本设计中采用CD4060来构成分频电路。
CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用起来很方便，并且可以从它的3、4、5号引脚分别得到2Hz、512Hz、1024Hz的调整信号和蜂鸣器驱动信号。
CD4060计数为最高为１４级２进制计数器，可以将32767ＨZ的信号分频为2HZ，再经过D触发器74LS74可以将它分为1HZ的信号。
如图，可以直接实现振荡和分频的功能。
（注：
11、10号引脚接晶振）
图3.1.3分频电路
3.2时间计数模块
时间计数模块有时计数、分计数和秒计数等几个部分。
时计数模块一般为24进制计数器计数器，其输出为两位8421BCD码形式；
分计数和秒计数模块为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。
可以用很多种方法构成计数器，如可预置BCD异步清除计数器74xx161、可预置四位二进制异步清除计数器74xx160等，可用清零法或者置数法来实现。
如图，本设计采用了74LS90用两块芯片进行级联来产生60进制、24进制计数器和30进制计数器。
74LS90为二-五-十进制计数器，只需将CKB与Q0相连，便可构成十进制计数器，而秒个位计数单元为10进制计数器，所以无需进制转换，只需将Ｑ0与CKB（下降沿有效）相连即可。
ＣＰ0（下降没效）与１Ｈz秒输入信号相连，Ｑ3在其计数为8时跳变为高电平，在9到0的瞬间跳变为低电平，产生一个下降沿，可作为向上的进位信号与十位计数单元的CKA相连，无需其他辅助逻辑门，这是选择7490的原因之一。
图3.2.1秒60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。
7490的清零端有两个，分别为，它们同时为高电平时有效，所以可将Ｑ1、Ｑ2分别接到R0
（1）、R0
（2）将１０进制计数器转换为６进制计数器，其中Ｑ2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CKA相连。
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基本同，也是分个位计数单元的Ｑ3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CKA相连。
不同的是，分个位计数单元的Ｑ3、Ｑ0和分十位计数单元的Ｑ2、Ｑ0相与后作为向上的进位信号。
这是为了在分校时时不向小时进位，在校时部分还会提到。
时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是根据任务要求，整个时计数单元应为24进制计数器，所以要在两块74LS90构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。
24进制计数功能的电路如图
图3.2.2时24进制计数器
3.3译码显示模块
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流本设计，选用74XX4511作为显示译码电路，选用七段共阴LED数码管作为显示单元电路，图，其他部分的译码显示单元与之完全相同。
其中电阻取值为300欧姆，起限流作用。
这部分电路可以用7448、7447加共阴或共阳数码管组成，电路也差不多，方案选择可以随意。
图3.3.1秒译码显示电路
3.4校时模块
当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。
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，而且在校正分钟时应截断分向时的进位信号，以免在校分的时候影响小时的状态，从而引起对小时不必要的重新校正。
图
图3.4.1校时电路
该电路采用2-3/2-2输入端双与或非门74LS51和其他辅助器件构成，用2Hz脉冲信号作为校正信号在没有按下校正按钮时，封锁2Hz校正信号，选通秒向分和分向时的进位信号，当按下时按钮，进位信号被封锁，调整信号被选通，如果一直按着按钮，可以实现连续调节。
在调分的时候，必须保证分向小时的进位信号1h为低电平，否则当点动调分按钮TMS时，小时计数部分会跟随TMS产生的脉冲下降沿加计数，所以在上面的时间计数模块里，分向时的进位信号设置为分个位计数单元的Ｑ3、Ｑ0和分十位计数单元的Ｑ2、Ｑ0的相与，这样就只有在分为59时，1h为高电平。
非门U16：
A和U16：
B保证了电路为下降沿触发。
图中的按钮开关处可加入消抖电路，消抖电路可以由RS锁存器够成，也可以用D触发器构成。
由于在本设计中校时电路要求不高，加上为尽量减小电路大小，以便能在一块面包板上做出实物，所以没有加消抖电路没有。
消抖电路模型入图
图3.4.2校时去抖电路
3.5整点报时
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。
根据要求，电路应在整点前5秒钟内开始整点报时，即当时间在59分55秒到59分59秒期间时，报时电路给报时控制信号。
报时电路选如图，选蜂鸣器为电声器件。
图3.5.1整点报时电路
整点报时电路中蜂鸣器发出声音的条件是时间在59分55秒到59分59秒期间，55到58秒每秒一次低音，59秒时为一次高音。
而在这段时间内，分不变，秒的十位也不变，因此可作为一个选通信号，在图中，U40：
A、B生产该信号，当时间在59分55秒到59分58秒期间，由U43，74LS151产生低音信号蜂鸣器以512Hz发声，当时间为59分59秒时U41：
A给出高音信号，蜂鸣器以1024Hz发声。
该电路还作为闹铃的发声部分。
该部分电路功能可完全由逻辑门构成，其原理相同，其只有整点报时部分的电路如图，由图可知，这个电路很复杂，元件繁多，在本设计中放弃不用。
图3.5.2由逻辑门构成的整点报时电路
还有一种实现整点报时功能的方案，其基本思路如下：
当时间在59分55秒时，产生一个信号时使RS触发器置"
1"
蜂鸣器开始发出低音，当时间在59分59秒时，再产生一个信号时使另一个RS触发器置"
，蜂鸣器开始发出高音，同时清零第一个RS触发器，过后关闭蜂鸣器。
这种用法在闹铃延时模块用到，这里不给出具体实现方案的电路。
3.6置闹模块
数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”；
或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。
不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定要求。
本设计中设计一个闹铃，能在指定的时刻闹响，并在无人干预的情况下持续半小时，期间可以关断。
同样采用74LS90构成置闹电路的分钟和小时的M60和M24的计数电路，其构成与时钟计时部分完全相同，在这里主要介绍其控部分电路如图
图3.6.1置闹的控制电路图
当按下闹铃设置使能按钮ASE时可以设置闹响时间，此时信号ase为高电平，作用于显示选择模块，使显示模块显示置闹时间，AHS为闹铃小时设置，AMS为闹铃分钟设置。
AON为闹铃开启/关闭开关，当AON闭合时闹铃开启，发光二极管亮，只要时钟时间和闹铃时间相等，闹铃就可以闹响，并且如果没有人手动关闭，即弹起开关AON，闹铃将连续叫30分钟。
3.7显示选择模块
LED显示器不但要显示时间，设置闹铃的时候还要显示闹铃，所以显示是选择显示，需要显示选择模块。
该模块可用二选一数据选择器74LS157、4/2线使能输入三态输出六同相线驱动器74LS367等器件构成。
采用74LS367，其构成如图，闹铃设置时为高电平，选通置闹模块的计数器信号进行显示。
平时ase为低电平，U36、37、38输出位高阻，U33、34、35被使能选通时钟计时模块的实时信号，显示模块显示实际时间。
方案二：
采用74LS157，其构成如图，平时为低电平，选通157的信号A，即时钟计时模块的时间信号。
当闹铃设置时为高电平，选通置闹模块的计数器值。
比较图，可以明显看出，用74157构成的显示选择模块要比用367构成的简单，少用器件，而功能完全相同所以在本设计中采用方案二。
图3.7.1用367构成的显示选择模块
图3.7.2用157构成的显示选择模块
3.8比较模块
闹铃要响的充要条件是时间与闹铃时间相同（只要时和分都相同就行，所以需要比较四位分别为时高低位、分高低位），要知道时间与闹铃时间是否相同，就需要一个比较模块来比较它们，所以闹响的关键是比较模块。
这部分的电路如图
图3.8.1比较电路
该电路由四片四位比较器74LS85组成，分别对闹铃和时钟的时和分的个位和十位进行比较，当它们都相等时，四块7485的QA=B输出均为高电平，这时比较相等信号ateq为高，可用来驱动闹响延时电路。
该电路中的四输入与非门如果用另一片7485代替，便可以得到时钟时间与闹铃时间的大小，但在本设计中，无需该信号，所以直接用7421就行了。
3.9闹响延时模块
在上面的比较模块中，时钟时间与闹铃时间相等的信号ateq为高电平的时间只能维持1s，如果直接用该信号驱动蜂鸣器发声，那闹铃闹响就只能维持1s，为了让闹响时间延长，设计了这个模块，这个模块中用到了在整点报时模块中提到的RS触发器的使用，具体电路如图
图3.9.1闹响延时模块
由图可知，该电路采用了两片74LS90构成了一个30进制计数器，用秒向分的进位信号作为驱动信号，即每分钟计数一次，计数到30时计数器清零。
D触发器的输入端D接Q非，构成T’触发器，输出Q在其时钟信号的上升沿发生翻转。
输入信号ateq为比较模块的输出信号，当闹铃时间与时钟时间相等时为高电平。
aon信号为置闹模块的一个输出信号，当闹铃开启时为高电平。
D触发器输出信号ab为闹响开始信号，该信号接到整点报时模块，作用于蜂鸣器，使之以512Hz发出声音。
在闹铃没有开启时，aon信号为低电平，清零计数器和D触发器，输出信号ab为低电平，蜂鸣器不鸣叫，计数器驱动信号1min0无效，计数器保持为0。
当闹铃开启后，闹铃时间与时钟时间不相等时，即ateq信号为低电平，D触发器的时钟信号没有上升沿，也就是说没有驱动信号，所以Q即ab信号保持为低电平aon信号为高电平，有因为ab信号仍为低电平，所以计数器仍为清零状态。
当闹铃时间与时钟时间相等时，D触发器的时钟信号产生一个上升沿，输出ab翻转为高电平，蜂鸣器开始鸣叫，计数器驱动脉冲开启，一分钟过后，闹铃时间与时钟时间不再相等，D触发器的触发脉冲变为低电平，产生一个下降沿，不过不影响其输出信号ab，每分钟加1，如果有在计数器加到30以前有人关闭闹铃，即弹起按钮AON，则信号aon变为低电平，计数器清零，D触发器也清零。
如果没人关闭闹铃，则计数器一直计数，直到计到30时，由与非门U17:
B产生一个低电平，也使D触发器清零，信号ab变为低电平，封锁计数器驱动脉冲从而实现闹铃在半小时后自动关闭。
4组装调试
4.1使用的主要仪器及仪表
由于条件艰苦，在整个调试过程中使用的调试工具只有一块万用表和5V电源一个。
4.2调试电路的方法和技巧
进行实验时，要达到实验目的，取得满意的实验结果，不仅取决于电路原理和测试方法的正确性，而且还与电路安装的合理性紧密相关。
本设计选择在面包板上调试，由于使用时，可将元器件简单地在插件电路板上插入或拔出，可快速地改变电路布局，元器件可长期重复使用。
安装与调试过程应按照先局部后整机的原则，根据信号的流向逐块调试，使各功能块都要达到各自技术指标的要求，然后把它们连接起来进行统调和系统测试。
调试包括调整与测试两部分，调整主要是调节电路中可变元器件或更换器件，使之达到性能的改善。
测试是采用电子仪器测量相关点的数据与波形，以便准确判断设计电路的性能。
在装配前必须对元器件进行性能参数测试，测试完后再在面包板上安装。
要熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。
在没有示波器的情况下可用法光二极管粗略测试管脚输出脉冲，从而根据理论判断电路是否正常工作。
通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。
如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。
注意器件管脚的连接，“悬空端”、“清零端”、“置1端”要正确处理。
下面有几种故障排除法：
1）信号寻迹法 寻找电路故障时，一般可以按信号的流程逐级进行。
在电路的输入端加入适当的信号，用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内各部分传输的情况，根据电路的工作原理分析电路的功能是否正常，如果有问题，应及时处理。
调试电路时也可以从输出级向输入级倒推进行，信号从电路最后一级的输入端加入，观察输出端是否正常，然后逐级将适当信号加入前面一级电路输入端，继续进行检查。
这里所指的“适当信号”是指频率、电压幅值等参数应满足电路要求，这样才能使调试顺利进行。
2）对分法 把有故障的电路分为两部分，先检查这两部分中究竟是哪部分有故障，然后再对有故障的部分对分检测，一直到找出故障为止。
采用“对分法”可减少调试工作量。
3）对比法 将有问题的电路状态、参数与相同的正常电路进行逐项对比。
此方法可以较快从异常的参数中分析出故障。
4）替代法 把已调试好的相同的单元电路代替有故障或有疑问的单元电路（注意共地）。
这样可以很快判断故障部位。
有时元器件的故障不很明显，如电容漏电、电阻变质、晶体管和集成电路性能下降等。
这时用相同规格的优质元器件逐一替代实验，就可以具体地判断故障点，加快查找故障点的速度，提高调试效率。
5）静态测试法 故障部位找到后，要确定是哪一个或哪几个元件有问题，最常用的是静态测试法和动态测试法。
静态测试法是用万用表测试电阻值、电容漏电、电路是否断路或短路，晶体管和集成电路各引脚电压是否正常等。
这种测试是在电路不加信号时进行的，所以叫静态测试。
通过这种测试可发现元器件的故障。
6）动态测试法 当静态测试法还不能发现故障原因时，可以采用动态测试法。
测试时在电路的输入端加上适当的信号再测试元器件的工作情况，观察电路的工作状况，分析、判断故障原因。
4.3调试中出现的故障、原因及排除方法
经过两天的认真设计与仿真调试，一个完整的数字钟方案顺利产生，为了验证自己的方案是否可行，开始了电路的安装于调试。
拿到元器件后，对各元器件进行测试，发现有一个数码管有两段式坏的，换成另外一个，其余的符合要求。
1）起初数码管未接限流电阻，其他组的同学有出现烧毁数码管的情况，于是在在制作过程中又补接限流电阻，但由于面包板空间有限，因此便用锡焊将限流电阻与导线直接焊在一起，于是焊接点便裸漏在外面，导致焊点会互相接触，使数码管经常不能正常显示。
因此在上电后要注意不能使焊点相互触碰。
2）在制作完成后，发现整板电路都不能正常工作，上电后电源很快就会发烫，电源指示灯变暗，马上断开电源，用万用表测得正负极电源输入端电阻为零，判断为短路，经检查发现是因为面包板上有几排插孔是相通的，导致在接线时直接把电源和接地的线连在一起，造成了短路。
迅速改正了这个低级错误。
3）改正2）中的错误后，发现秒不能向分进位，直接用1Hz的脉冲信号接入分计数器的驱动脉冲输入端，计数器正常工作，判定为校时电路出了问题，经仔细检查后发现74ls51接错了一根导线，立即更正。
4）电路工作时数码管显示会以很快的速度乱跳，估计为某几条导线连接不牢，经用触碰不同地方的方法仔细检查后，的确发现有几条导线连接不牢，换上新的导线后问题得以解决。
经过不断调试后，电路运行的很好，达到了预期。
只是由于面包板太小，闹铃部分不能接上去，算是一个小遗憾5设计总结及改进展望
经过为期两周的日夜奋战，我们成功的完成了老师布置的任务。
我们的数字钟能完成以下功能：
走时准确；
采用数码管显示，能显示范围0时0分00秒——23时59分59秒；
具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；
电路具有整点报时功能，报时在59分55秒开始，声响为四低一高，最后一响正好为整点；
电路还具有设计要求以外的闹铃功能，可以方便地设置闹铃时间，闹响后可以手动关闭，在没人关闭的情况下，最多闹30分钟，30分钟后自动停止。
其实在开始的时候，我是准备在完成以上功能后，再增加以下功能;
闹铃的“打盹”功能，也就是在设置为“打盹”模式下，闹铃会在闹一定时间后停一段时间，然后再闹一段时间，让主人有一段打盹的时间。
时钟的秒表功能，在按下某个键后可以当秒表使用，用完后恢复时钟功能，并且不需要重新校时。
由于在课程设计期间还有考试等，时间有限，不能将上述功能实现，总的来说，这次课程设计是非常成功的，我们也从中学到了不少东西。
6元器件清单
工具器件：
万用表一块
镊子一把
面包板一块
导线若干
电源一个
元件清单：
Category,Reference,Value
Resistors,"
R1"
1k
R2"
R3"
R4"
R5"
R6"
R7"
510
R14"
300
R15"
R16"
R17"
R18"
R19"
R20"
R21"
R22"
R23"
R24"
R25"
R26"
R27"
R28"
R29"
R30"
R31"
R32"
R33"
R34"
R35"
R36"
R37"
R38"
R39"
R40"
R41"
R42"
R43"
R44"
R45"
R46"
R47"
R48"
R49"
R50"
R51"
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