数字时钟

摘要：本文利用数字电路知识设计数字钟，该数字钟可实现24小时计时、整点报时、校时功能。系统分为4个模块，即计数模块、较时模块、报时模块以及显示模块。利用555芯片构成振荡电路产生脉冲信号经分频器分频获得时基脉冲和报时脉冲。再经计数器和译码器构成系统的主体电路，在主体电路的基础上增加相应逻辑结构构成报时电路和校时电路。

关键词：脉冲；计数器；分频器；报时；校时

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 06-0095-01

一、电路设计原理与实验电路

数字电子钟由555组成的多谐振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。

（一）设计任务及要求

1.设计一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示且有校时功能的电子钟。2.功能扩展：（1）整点报时。（2）在计时出现误差时能通过校时电路进行校正。

（二）计时器的特点及其应用

本数字钟能清晰地显示时、分、秒之间的相互变化，并具有整点报时和手动校时的功能，电路结构相对简单，模块化明显。

（三）设计方案

数字钟电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中，主体电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字钟的扩展功能。该系统的工作原理是：振荡器产生的稳定高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数计满60后向小时计数器进位，小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器输出经译码器送显示器。计时出现误差时可以用校时电路进行较时、校分、校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。

数字钟的逻辑框图它由５５５振荡器、分频器计数器、译码器显示器和校时电路组成。

（三）单元模块的设计

主体电路由功能部件或单元电路组成，设计中采用了模块化的思想。

1.振荡器的设计。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。本设计采用了集成定时器５５５与Ｒ、Ｃ组成多谐振荡器。

2.分频器的设计。分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，正点报时用的是1KHZ的高音频信号和500HZ的低音频信号。选用3片中规模集成电路计数器74LS90来完成上述功能。每片为1/10分频，3片级联则可以获得所需要的频率信号，即第一片的Q0端输出频率为100HZ，第二片的Q3端输出10HZ，第三片的Q3端输出为1HZ。

3.时分秒计数器的设计。分和秒计数器都是模数M=60的计数器，选74LS92作十位计数器，74LS90作个位计数器，再将它们级联组成模数M=60的计数器.时计数器是一个“24翻1”的特殊进制计数器，即当数字钟运行到24时59分59秒，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为01时00分00秒。

4.译码电路的设计。译码电路由74LS48和八段数码显示器组。74LS90产生的时间脉冲信号经由74LS48译码后翻译二进制代码，输入给八段数码显示器显示相应的时间，本系统中采用共阴极八段数码显示器作为时间的显示。

5.较时电路的设计。当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。通过开关控制，使计数器对1HZ的校时脉冲计数。同时为了缓解开关产生的抖动，需在开关处各并接一电容。当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。通过开关控制，使计数器对1HZ的校时脉冲计数。

6.报时电路的设计。每当数字钟计时快要到正点时发出声响，前4低音声响频率为500HZ，后1高音声响频率为1000HZ。并以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。本设计中，报时电路采用TTL与非门。4声低音分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音发生在59分59秒，声响均持续1秒。

二、电路板的制作及电路焊接与调试

（一）电路板的制作

利用protel软件将已仿真成功后的数字钟逻辑框图绘制成原理图和PCB图。

（二）电路安装

电路的安装分三步进行：元件测试，元件焊接，系统检查。

1.元件测试。全部元件在安装前都要进行检查

2.元件的焊接。在焊接元器件前应先将过孔导线连接好。焊接过程按不同的元件分类进行焊接，先将小元件或易于焊接的元器件焊接到铜板上，再进行芯片的或难焊接的元件的焊接。焊料尚未凝固以前，不能改变被焊件的位置，因为焊料未凝固前，如果被焊件的相对位置发生改变，可能出现虚焊.

（三）电路的调试

接通电源查看数码管显示状况，看是否出现错误。若出现错误，则需对系统进行调试。调试步骤如下：

1.接通电源逐级调试。先检查各芯片的电源线是否接上，并保证有正常的工作电压。

2.用万用表在U23（74LS90）的第11脚处测量输出电压，如果指针左右摆动，且周期为1秒，则正常。

3.检查各级计数器的工作情况。

4.观察校时电路的功能是否满足校时要求，如果不正常，则需检查74LS92及74LS00芯片。

5.将时间调整到59min50s，观察报时电路能否准确报时。如果不正常，则需检查相应的74LS90芯片。

6.整机联调，使数字电子时钟正常工作。

三、心得与体会

在完成课程设计，我收获了很多。熟悉了WORD的一些不常用的基本操作，掌握了数字钟的设计方法，掌握了数字钟的主要性能参数及其测量方法，进一步对数字钟的设计有了更深一层的了解。通过仿真实验，进一步学习了EWB软件，加深了由电路原理图生成PCB，然后再生成实物的一般过程。

参考文献：

[1]熊幸明.电工电子实训教程[M].北京:清华大学出版社,2007

[2]谢自美.电子线路设计•实验[M].湖北:华中科技大学出版社,2008

[3]杨志忠.数字电子技术[M].北京:高等教育出版社,2006

[4]康华光.数字电子技术[M].北京:高等教育出版社,2005

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