十二小时电子钟.doc

十二小时电子钟

课程设计说明书

课程设计名称： 数字逻辑

课程设计题目： 十二小时电子钟

学 院 名 称： 信息工程学院

专业： 计算机科学与技术 班级： xxx

学号： xxx 姓名： xxx

评分： 教师：

20 12 年 x 月 x 日

数字逻辑 课程设计任务书
20 11 －20 12 学年 第 二 学期　第 18 周－ 19 周
题目
十二小时电子钟
内容及要求
1. 利用基本数字电路制作小时电子钟，要求显示时分秒；并能实现校时和校分的功能。
2. 整点报时(非语音报时)，定时功能。

进度安排：
1、根据任务要求，查阅相关资料，完成设计的前期工作；（两天）
2、根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算；（三天）
3、库房领取元器件，联接电路，完成电路调试；（五天）
4、检查完毕后，撰写实验报告。
学生姓名：xxx xxx
指导时间 2012-6-11 到2012-6-22
指导地点：E楼504室
任务下达
2012 年 6 月11日
任务完成
2012 年 6 月22 日
考核方式
1.评阅 □　 2.答辩 □ 3.实际操作■ 　4.其它□
指导教师
xxx
系（部）主任

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

这个设计主要以数字电路的基础理论、低频电子线路为指导，采用中、小规模的集成器件LM555、CD4060、74LS161和LS248设计而成。该电路采用模块设计、分模块安装、调试等方法设计而成，所选用的器件主要是中小规模的集成芯片，本产品由于采用多片74LS系列的集成芯片组成，生产成本低等原因，使这个产品设计既容易实现，又不会浪费太多成本。
产品由石英晶体振荡器产生频率可以调节的时钟脉冲信号,经十五分频得到秒信号脉冲作为数字钟计数器的时钟信号，当到达整点前一秒时，电路通过一个蜂鸣器准时报时。这个电路还可以通过手动，即过拨动开关来选择是否进行时间较准。
关键词：电子钟、分频，计数、驱动

目 录
前言 5
第1章 总电路初步设计 6
1.1 设计内容以及要求 6
1.2系统框图 6
1.3 设计方案 7
1.4 设计过程 7
第2章 电路详参设计 7
2.1晶体振荡器电路　 7
2.2分频器电路 8
2.3时间计数器电路 9
2.4译码驱动电路 11
2.5数码管 12
2.6整点报时电路 13
第3章 测试及调试 14
3.1晶体振荡器电路的测试和调试 14
3.2分频器电路的测试和调试 14
3.3时间计数器电路的测试和调试 15
3.4译码驱动电路的测试和调试 15
3.5整点报时电路的测试和调试 17
结 论 17
参考文献 18
附 录 18
附录Ⅰ 总电路图 19
附录 II 元件清单 20

前 言

基于十二小时电子钟在日常生活中的应用，能够了解生活中一些电子产品的工作原理以及其制作过程。以便更好地了解生活。本实验采用的是十分简易的方法：使用中、小规模的集成电子器件制作而成。

第1章 总电路初步设计
1.1 设计内容以及要求
1.1.1 设计要求

1.基本要求： 利用基本数字电路制作小时电子钟，要求显示时分秒；并能实现校时和校分的功能。
2.提高要求： 计时过程具有报时功能，当时间到达整点进行蜂鸣报时；
1.1.2 主要参考元器件
LM555，CD4060，74LS161，74LS248，74LS74
1.2 系统框图
图1.1所示为十二小时电子钟的原理框图，该电路由晶振——分频电路、74LS161芯片构成的计数单元、74LS248驱动电路、手动校时电路等主体模块构成。
时校
分校
秒校
12进制计数器
60进制计数器
60进制计数器
译码电路
译码电路
译码电路
显示电路
显示电路
显示电路
分频器
石英晶体振荡器器
单次或连续脉冲

图1.1 电路原理框图

1.3 设计方案
根据设计要求可知，设计电路的核心部分是74LS161构成的计数器，设计围绕着怎样使计数器正常工作，由于数字电子钟实验要求精度较高，因此想到的时用石英晶体振荡器产生频率稳定的信号，再经分频，得到所需的秒信号作为74LS161的CP脉冲信号。其次，电路产生的时钟秒信号也会有误差，我们要考虑的是，如何实现手动校时，经过考虑，我们选择通过双掷开关来实现CP信号的送入是手动还是自动，若开关打向手动这边，则人为送入单次脉冲到CP，若开关打向自动这边，则将电路产生的秒信号送入CP；然后，我们考虑的是如何产生上面提到的单次脉冲，我们采用的是用RS锁存器来实现稳定的输出脉冲；最后，当电路将要到达整点时，通过对174LS161的输出端进行处理，通过蜂鸣器进行整点报时。
1.4 设计过程
在接到课题之后，首先按照设计课题要求查找资料，获取设计中可能应用到的知识和数据信息。根据所查资料，进行数据的估算，画出了符合实验要求的基本原理图。对原理图各个部分电路进行仿真，并修改产生的错误，证实各部分电路的可行性；最后对整个电路进行仿真和调试，证实所设计的基本原理图的可行性。

第2章 电路设计
2.1石英晶体振荡器电路
晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。
图2.2-1所示电路通过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，并实现整形功能，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。
从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。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22MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。

图2.1 石英晶体振荡器 图2.2 CD4060内部结构图
2.2 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极2进制计数器。
本实验中采用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，使用更为方便。
CD4060计数为14级2进制计数器，可以将32768Hz的信号分频为2Hz，其内部框图如图2.2-2所示，从图中可以看出，CD4060的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。在CD4060的输出端再接一个74LS74,可再进行二分频,从而得到1S的信号.
以下为CD4060、电阻及晶振连接成一个晶振——分频电路，CD4060的输出端3脚得到的是2Hz的脉冲信号。

图2.3 晶振——分频电路
2.3 时间计数单元
时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。
时计数单元一般为12进制计数器计数器，其输出为两位8421BCD码形式；分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。我们采用16进制计数器74LS161来实现时间计数单元的功能。
74LS161管脚图与真值表如下所示

图2.4 74LS161管脚图
表2.1 74LS161 功能表
输 入
输 出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
秒个位计数单元为10进制计数器，需将74LS161的QD与QA接入与非门的输入脚，与非门的输出脚接74LS161的清零端CR`。
秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。需将QB与QC 接入与非门的输入脚，与非门的输出脚接74LS161的清零端CR` 。
将秒个位的CR`接入秒十位的CP脚，这样，当秒个位计数单元完成一个计数循环时，CR`变为低电平脉冲，使秒十位计一个数
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，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12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12进制转换。

图2.5 由74LS161构成的六十进制计数器

图2.6 由74L161构成的12进制计数器
2.4 译码驱动电路
电路分析：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，选用74LS248作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。
一个74LS248与一个LED数码管连接成一个驱动电路如下,数码管可以从0到计数器计数范围内变化.

图2.7 74LS248驱动电路
2.5 手动校时电路
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，数字钟应具有时，分，秒校正功能，因此，应截断秒个位，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2.8所示即为带有基本RS触发器的校时电路，当开关打在图示中的位置时，其右边的两个与非门的上一个输出为高电平，下一个输出为低电平，则电路的最终输出端输出的信号为正常输入信号，当要实现时间校准时，应将开关打向另一面，则其右边的两个与非门上一个输出为高电平，下一个输出为低电平，则电路的最终输出端输出的信号为手动输入信号。
图2.9所示为分单元与时单元合起来的校时电路.

图2.8 带有消抖动电路的校正电路

图2.9 校时电路
在上面的两图中,正常信号指的是晶振经分频后产生的秒信号及计数器产生的清零脉冲,校正信号指的是通过手动按键,产生所需的脉冲.然后将该校正信号加到上两图中所示的校正信号输入端口，即完成了一个完整的校时电路，单次脉冲产生电路如下。

图2.10 单次脉冲产生电路

该电路产生的波形如下。

图 2.11 单次脉冲电路输出波形
2.6整点报时电路
在时间出现整点前一数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。若要求简单，可选为电路在59分59秒时报报警，选蜂鸣器为电声器件。当秒单元与分单元的输出显示了59分59秒时，通过对输出端用与非门进行译码，再接的一个或非门的输出会为高电平，使三极管导通，蜂鸣器即刻进行报警。该电路图如下。

图2.12 整点报时电路

第3章 测试及调试
3.1 分频——晶振电路的测试与调试
电路图如图2.3所示，按图连接好电路，接通电源U=5V，发现秒个位数码管数字变化间隔太短，不是1S，在检查该模块电路时未发现有错误，然后用手碰了碰晶振，看是不是接触的问题，果然，在用手轻轻触碰了一下之后，数码管的数字变换间隔正常，为1S，然后我们断电，再重新接上电源，发现又不正常了，路转地很快，于是怀疑是否该换一个石英晶体，果然，在换了一个之后，数码管正常显示了，符合设计要求。
3.2 时间计数单元电路的测试与调试
电路图如图2.5-2.6所示，接通5V电源,秒计数单元,分计数单元的计数周期与设计好的进制一致,分别是60进制,60进制,12进制，符合设计要求.
3.3译码驱动及显示的测试与调试.
电路模块如图 2.7 所示，由于数码管数字显示及计数周期均正常，说明74LS248与数码管的连接均正常，符合设计要求。
3.4手动校时电路的测试与调试.
电路的初始设计并不是如图2.10那样用一个555芯片来稳定输出的单次脉冲，原始模块电路如下，U2A的输出端为所需单次脉冲波,当按如下原始图作为校时电路的单次脉冲产生电路时， 发现每按一次按键，数码管的数字显示并不是加1，会加很多，因此，怀疑是该电路输出电压不稳定，但是它是一个史密特触发器构成的单次脉冲触发器，本应该比较稳定，我们也不知道该如何解决，最后又去翻阅资料，发现555芯片用稳定输出电压，整形的功能，于是把以前的电路改成如图2.5.2所示电路，焊接完成后，接通电源，将拨动开关打到手动这一边，使电路的输入脉冲为手动单次脉冲，按动按键几下，结果数码管就跳动几下，这次的显示结果是按一下开关，数码管的显示就加1，显示正确，符合设计要求。

图3.1 原始单次脉冲产生电路

3.5整点报时电路的测试与调试
当电路正常计数以后，时钟走到59分59秒时，蜂鸣器发出报警，时间为1S，然后停息，与实验设计预想的一致，符合设计要求。

结 论

接到的这个课题虽然电路图看起来很繁琐,但各个模块功能很清晰,通过对各个功能模块的仔细分析和推敲，对计数器功能的灵活使用及手动单次脉冲的产生方法都有了已经比较清楚的掌握了。
本次实验的调试过程耗费了大量时间，首先是分计数单元向时进数单元的进位有问题，在仔细检查完该块电路的接线无误后，把问题的原因转向于其它的电路模块的不稳定而造成的干扰。
然后是校时电路出现问题，手动拨动开关的拨动对数码管的数字显示会有影响，在苦思冥想这个问题的原因时，发现加用74LS51芯片来完善这部分功能，果然，在改用了以后，电路就正常工作了。
另外是单次脉冲产生电路，问题是有时一按下开关，数码管又会跳很多下。经过几天的探讨和搜寻，当把一个以555芯片为核心的稳定电路代替原来的单次脉冲产生电路时，才使产生的单次脉冲为稳定的输出波形，终于结果正常了，这说明555芯片对于稳定输出波形具有很好的效果，还有，有些理论上能实现的电路实际上不一定能实现，还是与客观很多因素有关，当发现一种方案行不通时，应寻找另一种解决方案。

参考文献

【1】白中英.数字逻辑.科学出版社.2011.1

【2】郁汉琪.数字电路实验及课程设计指导书.北京高等教育出版社.1995

【3】赵珂 彭嵩.电子技术实践(三).南昌航空大学电子信息工程学院电子实验实践中心.2012.2

【4】

【5】

【6】
附录
附录Ⅰ 总电路图

附图1 投弹游戏机设计总电路图

附录II 元件清单

原件种类
原件名称
数量
芯片
NE555
1个
CD4060
1个
74LS161
6个
74LS248
6个
74LS74
1个
74LS00
3个
74LS02
1个
74LS08
1个
74LS20
1个
74LS51
2个
三极管
8050
1个
电解电容
100uf
1个
33uf
1个
瓷片电容
30pF
2个
电阻/欧姆
10K
6个
20K
2个
22M
1个
1K
2个
开关
按键
1个
拨动开关
3个
石英晶体
32768Hz,XTAL
1个
扬声器

1个
插槽
16脚
13个
8脚
1个
14脚
9个

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