电子数字时钟设计.docx
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电子数字时钟设计
河南工业职业技术学院
毕
业
设
计
（数字钟电路设计）
学生姓名:
牛伟军
专业:
机电一体化
班级：
07325班
指导教师:
高功臣
河南·南阳
前言
数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们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。
因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
本设计主要讲述数字钟的设计过程，主要介绍数字钟电路的基础知识和基本功能电路，其中内容主要包括电路设计思想、电路设计基本单元以及电路设计过程。
电路设计过程包括六部分的设计，振荡电路设计、分频电路设计、“时、分、秒”计数器电路设计、译码器显示电路设计、校时电路设计、整点报时电路的设计。
本设计在内容上突出基本理论、基本概念和基本分析方法，回避了烦琐的内容分析和数学推导。
由于数字钟在各行各业得到极为高度的关注和越来越广泛的应用，使我对它也产生了浓厚的兴趣，刚好借助于毕业课程设计我想动手去做一做，去揭开它那神秘的面纱。
虽然，电子是我所学的专业，但我对其一些集成电路还是不了解的，我对它的认识还需要从零开始，但是我不会害怕，我相信经过我的努力我会很亲近的认识它、了解它、熟悉它。
当然个人水平有限，认识上不免有所欠缺和片面，恳请老师和读者给予指正。
Introductive
Adigitalclockisrealizedusingdigitalcircuit,minutesandsecondsdigitaldisplaytimer,widelyusedinindividualfamily,station,wharfandpublicplacessuchasoffice,aspeopledailylifenecessities,duetothedevelopmentofdigitalICquartzcrystaloscillatorandextensiveapplicationofthedigitalclock,precision,farmorethanoldclocksandwatchesforproductionofdigitallifebroughtgreatconvenience,andgreatlyexpandedtheclockchimeoftheoriginalfunction.Automaticalarm,suchastimingonautomaticrung,automaticcontrol,regularradioprogram,beclosed-circuitlamp,timerswitchoven,higepowerequipment,evenalltheelectricalautomatictimingetc,allthese,openingisbasedondigitalwatches.Therefore,thedigitalclockandexpandtheirapplication..
Thisdesignismainlyaboutdigitalclock,mainlyintroducethedesignprocessofthedigitalclockcircuitbasicknowledgeandbasicfunctioncircuit,whichmainlyincludesthecircuitdesignthoughts,thecircuitdesignisthebasicunitandcircuitdesignprocess.Circuitdesignprocess,includingsixpartsoftheoscillatingcircuitdesign,thedesignoffrequencycircuitdesign,"when,minutesandseconds"counterdecodercircuitdesign,displaycircuitdesign,theschoolwhenthecircuitdesign,workingonthedesignofthecircuit.Thisdesigninthecontentonthebasictheories,basicconceptandbasicanalysismethod,avoidtroublesomecontentanalysis.
Duetothedigitalclockinindustrieshaveextremelyhighattentionandmoreandmoreextensiveapplicationinit,Ialsohaveastronginterestingraduatecoursedesign,justbydoingIwantedtodo,touncoveritsmysteries.
Although,electronicismymajor,butsomeofitsintegratedcircuitforme,Istilldon'tunderstandtheknowledgeofitstillneedsfromscratch,butIwon'tbeafraid,IbelievethatthroughmyeffortIknowitisverythick,understandit,familiarwithit.
Ofcoursetheindividual,understandingandone-sidedscoreunavoidable,pleasegiveteachersandreaders.
第一章概论……………………………………………………4
第一节数字钟电路设计的意义、现状及要求…………4
第二节设计思想与方案论证……………………………5
第三节系统工作原理说明………………………………6
第二章选用硬件单元介绍………………………………………7
第一节集成电路CD4060简介……………………………7
第二节LLT集成电路74LS74简介………………………8
第三节集成电路CD4518简介……………………………13
第四节LED发光二级管显示器简介……………………15
第五节集成电路CD4511简介……………………………17
第三章组成电路设计介绍………………………………………21
第一节振荡电路设计………………………………………21
第二节分频电路设计………………………………………22
第三节时、分、秒计数电路设计…………………………23
第四节译码显示电路设计…………………………………25
第五节校时电路计…………………………………………25
第六节整点报时电路设计…………………………………27
第四章系统原理说明与调试………………………………………28
第一节原理图及原理介绍…………………………………28
第二节安装与调试…………………………………………31
附录
电路器材选用列表………………………………………………32
结论与结束语……………………………………………………33
第一章概论
本篇概述数字钟有关的一些基本知识，为对数字钟电路的设计作一个基础。
首先简要说明数字钟设计的意义、要求及本设计的设计思想等，然后简述数字钟的硬件功能；接着讲述数字钟组成电路设计以及基本组成单元器件的选择与参数设置要求，最后讲述系统的安装与维护要求及注意事项。
第一节数字钟电路设计的意义、现状及要求
1．1：
课题背景及目的
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。
但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。
例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。
尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。
注射后，一般等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。
手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。
所以，要制作一个定时系统。
随时提醒这些容易忘记时间的人。
钟表的数字化给人们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、定时启闭电路、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。
因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
1.2：
国内外发展情况:
在数字钟方面,西方发达国家的产品一开始比国内的品种要早，其性能也较国内良好。
所谓每样东西都有其发展的原因及发展过程,过去人们没有钟表人们根据太阳的位置来判断时间。
伴随着工业革命开始与发展，人们需要更精确的时间来规范自己的日常生活，随后人们发明了机械表，机械表给人们了精确的时间观念，但伴随着电子的发展，第一部电子表诞生以及日本对电子表研究使其在人们的生活中变的越来越来普及，越来越受到人们欢迎与喜爱，因为它更加的美观给人们带来更多的方便。
国内的电子产品发展相对晚些，但伴随着改革开放的发展，我们国家的电子产品也有了比较快的发展，在数字钟方面发展就非常的快，很快就以价格便宜外表美观占据了国内市场并出口到很多国家。
现在钟表的数字化给人们的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。
1.3：
论文构成及实现功能:
数字钟一般有六部分组成包括秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器、及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。
秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器实现。
将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用六十进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号作为“分计数器”的时钟脉冲。
“分计数器”也采用六十进制计数器，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24进制计数器，可以实现一天对24小时的累计。
译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的状态经七段显示译码器译码，通过六位LED七段显示器显示出来。
整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。
校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”现实数字进行校对调整的。
从而实现，具有“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示、具有手动校时、校分的功能、具有自动报时信号的数字电路。
第二节设计思想与方案论证
要想构成数字钟，首先应选择一个脉冲源——能自动地产生稳定的标准时间脉冲信号。
而脉冲源产生的脉冲信号的频率较高，因此，需要进行分频，使高频脉冲信号变成适合于计时的低频信号，即“秒脉冲信号”（频率为1Hz）。
经过分频器输出的秒脉冲信号到计数器中进行计数。
由于计时的频率是：
60秒=1分，60分=1小时，24小时=1天，这就需要分别设计60进制，24进制计数器，并发出驱动AM，PM标志信号。
各计数器输出信号经译码器到数字显示器，使“时”，“分”、“秒”得以数字显示出来。
值得注意的是：
任何计时装置都有误差，因此应考虑校准时间电路。
校时电路一般采用自动快速调整和手动调整，“自动快速调整”可利有分频器输出的不同频率的脉冲使显示时间自动快速调整时间。
“手动调整”可利有手动的节拍调准显示时间。
数字钟一般有六部分组成，其中振荡器和分频器组成标准的秒信号发生器，由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。
秒信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示出来。
“时”显示由24进制计数器、译码器和显示器构成，“分”、“秒”显示分别由60进制计数器、译码器和显示器构成。
整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。
校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”现实数字进行校对调整的。
其原理框图如图1-1所示。
第三节系统工作原理说明
该电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器、及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。
秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器实现。
将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用六十进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号作为“分计数器”的时钟脉冲。
“分计数器”也采用六十进制计数器，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24进制计数器，可以实现一天对24小时的累计。
译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的状态经七段显示译码器译码，通过六位LED七段显示器显示出来。
整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。
校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”现实数字进行校对调整的。
数字钟的原理框图1
第二章选用硬件单元介绍
第一节集成电路CD4060简介
1、14位二进制计数器/分频器CMOS集成电路CD4060可以得到14分频信号简介。
CD4060是14位二进制串行计数器/分频器，采有DIP—16封装，工作电压+5V。
其引脚如图2所示。
它的内部有14级二分频器，但外部只有十个输出端，即Q4~Q10，Q12~Q14，其它四脚没有引出，因此CD4060只能得到十种分频系数，最小值为24，最大为214。
CP1，＿CP0外接晶振，CP0是晶体振荡输出端，Cr=1时晶体停振。
其引脚如图2所示
2、CD4060真值表如图所示：
输入
输出功能
Cr
＿CP1
1
×
清除
0
↓
计数
第二节LLT集成电路74LS74简介
1、74LS74型D触发器内部组成及功能简介
74LS74型D触发器的逻辑图及其逻辑符号如图所示
74LS74触发器内部是有6个与非门构成的，G2门、G1门组成基本RS触发器，G3、G4、G5、G6门作触发信号引导门使用。
Q和＿Q为两个输出端，D为数据输入端，CP为时钟脉冲输入端。
＿RD为直接置0端，＿SD为直接置1端，在完成置0或置1后，＿RD，＿SD端应接高电平或悬空。
若令＿RD=＿SD=1，则各与非门的输出表达式为
Qn=＿Qnc
＿Qn=＿＿Qng
C=＿＿CP·e
g=＿＿＿CP·C·f
e=＿c·f
f=＿＿D·g
（1）设D=1
CP=0时，c=1、g=1即、G4门关闭，其输出为高电平。
G1门、G2门输出保持原状态不变。
此时其它门的输出状态为f=0，e=1。
CP=1（CP上升沿来到）时，由于c=＿＿CP•e=0，它分三路输出：
其一是送入G2门，使Q=1，＿Q=0，触发器置1；其二是送入G3门，使g=1，G3门关闭，阻塞了触发器置0的可能性；第三路反馈到G6门，是e=1以维持置1信号持续下去。
此时G5门输出为f=＿＿D•g=＿1•1=0，若同时D端信号有变化，G5门输出随之变化，但触发器状态不变，仍为1状态。
（2）设D=0
CP=0时，CP=0使c=1、g=1，G4门、G3门关闭，G1门、G2门输出均保持原状态不变。
此时其它门的输出状态为f=1，e=0。
CP=1（CP上升沿来到）时，G=0，G3门分两路输出：
一路送入G1门使＿Q=1，Q=0触发器置0；另一路反馈到G5门，使f=1，g=0以维持触发器置0状态。
同时，G6门输出为e=0，它使G4门关闭，c=1阻塞了产生置1信号的可能性。
当g=0送到G5门输入端，D无论怎样变化都不会再起作用。
可见，D触发器的基本功能是：
当D=1时，在CP脉冲的上升沿来到时触发器反转为1；当D=0时，在CP脉冲的上升沿来到时触发器翻转为0；而在CP=0时，无论D的状态如何变化，触发器均维持原状态不变，从而有效的避免秒了空翻现象。
由以上分析可得D触发器方程为
Qn+1=D（CP上升沿来到时有效）
双D触发器特性表
D
Qn+1
0
0
1
1
2、74LS74集成电路引脚功能及工作原理
74LS74集成电路的引脚如图5所示。
其功能见表
脚号
脚号代码
引脚功能
1
Rd1
复位信号
2
D1
触发信号
3
CP1
时钟信号
4
Sd1
控制
5
Q1
同相位输出
6
＿Q1
反相位输出
7
GND
地
8
＿Q2
反相位输出
9
Q2
同相位输出
10
Sd2
控制
11
CP2
时钟信号
12
D2
触发信号
13
Dd2
复位信号
14
VCC
电源
备注：
1：
该集成块为14脚封装
2、电源：
14脚为+5.00
3、复位：
1脚、13脚
4、主要用途：
双D触发器
74LS74的真值表如图所示
＿RD
＿SD
D
CP
Qn+1
0
1
×
×
0
1
0
×
×
1
1
1
0
↑
0
1
1
1
↑
1
0
0
×
×
1
功能真值表中的“↑”表示CP的上升沿时刻，从功能真值表中可以看出，当＿RD=0＿SD=1触发器被置“0”。
当＿RD=1＿SD=0时触发器被置“1”，＿RD、＿SD同时为“1”时，触发器在P上升沿时刻根据输入信号D来确定状态。
第三节集成电路CD4518简介
CD4518是双BCD码计数器其引脚6如图所示：
CD4518是双BCD码计数器，其功能见表
输入
输出
CP
R
EN
Q0
Q1
Q2
Q3
X
1
X
0
0
0
0
↑
0
1
加计数
0
0
↓
加计数
1
0
X
保持
X
0
0
保持
从表中可以看出CD4518中的每个计数器包含两个时钟输入端：
CP和EN。
CP用于上升沿触发，要求EN=1；EN用于下降沿触发，要求CP=0。
R是复位端，且异步复位，高电平有效。
CD4518，该IC是一种同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～15。
该计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；{11}脚～{14}脚）。
从表中看出，CD4518有两个时钟输入端CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端应接高电平“1”，若用时钟下降沿触发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0”，不仅如此，清零（又称复位）端R也应保持低电平“0”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。
第四节LED发光二级管显示器简介
1、LED是发光二极管显示器，它是由七段LED笔画所组成，每段笔画实际上就是一个用半导体材料做成的发光二极管（LED）。
这种显示电路通常有两种接法：
一种是将发光二极管的负极全部一起接地，如图7所示：
即所谓的“共阴极”显示器，另一种是将发光二极管的全部正极接地即所谓的“共阳极”显示器，如图8所示。
对于共阴极显示器，只要在某个二极管正极加上逻辑1电平，相应的笔画就发亮；对于共阴极显示器，只要在某个二极管正极加上逻辑0电平，相应的笔画就发亮。
该电路采用共阴极接法。
2、共阴极七段LED显示字型段码表如图
显示字符
段码
abcdefg
0
1111110
1
0110000
2
1101101
3
1111001
4
0110011
5
1011011
6
0011111
7
1110000
8
1111111
9
1110011
［
0001101
］
0011001
Π
0100011
E
1001011
0001111
灭
0000000
一般数字系统中处理和运算结果都是用二进制编码、BCD码或其他编码表示的要将最终结果通过LED显示器用十进制数显示出来，就需要先用译码器将运算结果转换成段码，当然，要使发光二极管发亮，还需要提供一定的驱动电流。
第五节集成电路CD4511简介
1、CD4511简介：
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511引脚图9
其功能介绍如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，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，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
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。
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。
CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
图10
1.CD4511的引脚
CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。
其引脚图如10所示。
各引脚的名称：
其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。
左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
2.CD4511的工作原理
1.CD4511的工作真值表如图所示
2.锁存功能
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态决定。
当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。
（3）译码
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数
据B、C进行组合，得出
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