数字电子时钟硬件电路设计

华东交通大学理工学院所属课程名称硬件电路设计题目数字电子时钟分院电信分院专业班级电气(6)班学号20110210470学生姓名指导教师2013年6月1摘要在生活中的各种场合经常要用到电子钟，现代电子技术的飞跃发展，各类智能化产品相应而出，数字电路具有电路简单、可靠性高、成本低等优点，本设计就以数字电路为核心设计智能电子钟。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,运运超过老式钟表,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。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。本设计电路由计时电路、动态显示电路、控制电路、显示电路等部分组成，在数码管上显示24小时计时的时刻，具有清零、保持、校时、报时的功能，并在此基础上增加了星期显示的功能。数字钟计时的标准信号应该是频率相当稳定的1HZ秒脉冲，所以要设置标准时间源。数字钟计时周期是24小时，因此必须设置24小时计数器，应由模为60的秒计数器和分计数器及模为24的时计数器组成，秒、分、时由七段数码管显示。为使数字钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的。设计中采用开关控制校时直接用秒脉冲先后对“时”，“分”计数器进行校时操作。能进行整点报时，在从59分50秒开始，每隔2秒钟发出一次“嘟”的信号，连续五次，此信号结束即达到正点。关键字振荡器分频器译码器计数器校时电路报时电路2目录1设计目的意义.......................................................32在线编程电路和实物图..............................................53设计方案............................................................113.1.设计、调试要点..................................................113.2设计原理.......................................................124功能分析.........................................................125.课程设计的收获、体会和建议.........................................136.参考文献...........................................................1531设计任务设计制作一个数字电子钟。1.1课程性质数字逻辑课程设计1.2课程目的数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。因此，我们此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟，由数字钟的制作过程进一步了解各种中小规模集成电路的引脚的安排和各芯片的逻辑功能及使用方法，再通过使用Proteus仿真技术，实际运用能力，独立完整地设计具有一定功能的电子电路。1.3设计要求1.3．1设计指标(1)时间计数电路采用24进制，从00开始到23后再回到00；(2)各用2位数码管显示时、分、秒；(3)具有手动校时、校分功能，可以分别对时、分进行单独校正；(4)计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器响1秒停1秒地响5次；1.3.2设计相关提示（1）为了保证计时的稳定及准确，须由晶体振荡器提供时间基准信号；（2）数字钟由振荡器、计数器、译码器和显示器电路所组成；（3）振荡器产生的时钟信号经过分频器形成1秒信号，秒信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。1.4方案对比方案一：（1）采用晶体振荡器4晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。（2）用CD4060计数作分频器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。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，其次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。（3）采用74Ls90做计时器方案二：（1）采用555构成的多偕振荡电路振荡器电路选用555构成的多偕振荡器，设振荡频率f=1000HZ，其中的电位器可以微调振荡器的输出频率。（2）用74LS90作分频器通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级10进制计数器来实现。分频器的功能有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需的信号。选用中规模集成电路74LS90可以完成以上功能。如图所示，将3片74LS90级联，每片为1/10分频，三片级联正好获得1HZ的标准秒脉冲。（3）采用74LS90做计时器比较：秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳度决定了数字钟的质量，而由于用555组成的频率发生器电路不稳定，而相对方案一而言，电路较为复杂，所以我们采用方案一：二十四进制电路和六十进制电路都是用两个74LS90组，七进制电路同样用一个74LS90，输入方波信号是用晶体振荡器提供，译码驱动器是用CD4511。分频器采用一片CD4060和一片74LS90组成，分频后输出1Hz的方波信号。如图1所示。2数字电子钟系统设计2.1数字钟的构成数字电子钟由基准频率源、分频器、计数器、译码显示驱动器、数字显示器和校准电路等六部分组成。如图1所示。5图1数字钟的组成框图2.1.1晶体振荡器电路晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号，此外还有一校正电容可以对温度进行补偿，以提高频率准确度和稳定度，使稳定度优于10-4，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。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。2.1.2分频器电路分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768（152）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。2.1.3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、时个位和时十位计数器及星期计数器电路构成，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，时个位和时十位计数器为24进制计数器，星期计数器为7进制计数器。2.1.4译码驱动电路6译码驱动电路将计数器输出的8421BCD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。2.1.5数码管数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管。2.2数字钟的工作原理2.2.1晶体振荡器电路由图2所示，电路通过CMOS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，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定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为1MΩ~10MΩ。本设计中取10MΩ，由于实验室提供的器件有限的关系，该电阻可由两个22MΩ的电阻并联而成。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。至于电路中的电容均采用可调电容，将其调至30pF。图2晶体振荡器电路72.2.2分频器电路因为，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。将32768Hz的振荡信号分频为１Hz的分频倍数为32768（215），即实现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器。这里用一个14级2进制计数器和一个1级2进制计数器。本设计中采用CD4060来构成14级再通过一个74LS90来实现输出1HZ的信号。CD4060计数为14级2进制计数器，可以将32768Hz的信号分频为2Hz，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。由此可知用CD4060和外加元件可构成晶体振荡器,采用32768Hz晶体振荡器产生的32768Hz的信号经CD4060的14级分频从Q13送出2Hz的信号（如下图3所示），送给74LS90的计数器中，然后从QA端即可得到1Hz的信号。图3CD4060构成脉冲发生及分频电路2.2.3时间计数器电路时间计数单元有时计数、分计数、秒计数和星期计数等几个部分。时计数单元一般8为24进制计数器，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；星期计数单元为7进制计数器，其输出也为8421BCD码形式。（1）60进制计数：“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60进制，它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成，如图4所示，采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“秒”、“分”计数器。图460进制计数器IC1是十进制计数器，QD1作为十进制的进位信号，74LS90计数器是十进制异步计数器，用反馈归零方法实现十进制计数，IC2和与非门组成六进制计数。74LS90是在CP信号的下降沿翻转计数，QA2和QC2相与0101的下降沿，作为“分”（“时”）计数器的输入信号。QB2和QC20110高电平1分别送到计数器的清零R0（1），R0（2），74LS90内部的R0（1）和R0（2）与非后清零而使计数器归零，完成六进制数。由此可见IC1和IC2串联实现了六十进制计数。（2）24进制计数器：小时计数电路是由IC5和IC6组成的24进制计数电路，如图5所示。当“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发信号时，IC5计数器复零，进位端QD5向IC6“时”十位计数器输出进位信号，当第24个“时”（来自“分”计数器输出的进位信号）脉冲到达时，IC5计数器的状态为“0100”，IC6计数器的状态为“0010”，此时“时”个位计数器的QC5和“时”十位计数器的QB6输出为“1”。把它们分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0（1）和R0（2），通过7490内部的R0（1）和R0（2）与非后清零，74LS90R0（1）R0（2）IC274LS90IC1&1QD1QA2QB2QC2CP2CP11秒74LS0074LS04至分(时)计数器的CP端9计数器复零，完成24进制计数。图524进制计数器（3）7进制计数器：星期计数电路是由IC7构成的7进制计数电路。图67进制计数器2.2.4译码显示电路选择CD4511作为显示译码电路；选择LED数码管作为显示单元电路。由CD4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。计数器实现了对时间的累计并以8421BCD码的形式输送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD码转变为十进制数码送到数码管中显示出来。如图7所示。74LS90R0(1)R0(2)IC674LS90R0(1)R0(2)IC5QD5QB6CP1CP5时(来自分输出的进位信号)QC510图7二十四进制计数电路和六十进