1、 课程设计说明书 第 页数字电子钟设计摘 要数字钟被广泛用于个人家庭,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,运用超过老式钟表, 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。数字电子钟一般由秒信号发生器、 “时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路等组成。秒信号是整个系统的时基信号，它直接决定计时
2、系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将秒信号送入秒计数器，它是六十进制计数器。每累计六十秒发出一个“分脉冲”信号，这个信号作为“分计数器”的时钟脉冲。 “分计数器”也是六十进制计数器，它每累计六十分钟，发出一个“时脉冲”信号，此信号将被送到“时计数器” 。 “时计数器”采用二十四进制计数器，可以实现一天二十四小时的累计。译码显示电路将“时” 、 “分” 、 “秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位 LED 显示器显示出来。校时电路是用来对“时” 、 “分” 、 “秒”显示数字进行校对调整的。本文通过对CD4060、CD4013、74LS160、74LS48 和晶体振荡器
3、的基本原理和基本功能的介绍，结合数字电子钟的设计过程让我们对电子钟的设计有了清楚的认识。 关键词：数字钟，晶体振荡器，计数器，CD4060,74LS160课程设计说明书 第 I 页目 录1 绪论 .11.1. 课题描述 11.2. 基本工作原理与框图 12 各部分电路原理及器件简介 .22.1 秒信号产生电路 22.2 进制计数器电路 42.2.1 74LS160 功能简介 42.2.2 60 进制计数器 .42.2.3 24 进制计数器 .52.3 译码显示电路 62.3.1 CC4511 62.3.2 译码显示电路图 72.4 校时电路 82.4.1 校时电路功能简介 83 方案的选择 .
4、103.1 时钟信号源 103.2 分频器的实现 103.3 译码显示器 10总 结 11致 谢 12参考文献 13课程设计说明书 第 0 页1 绪论1.1. 课题描述在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新，培育出拥有自主知识产权的品牌。这正是中国钟表业发展的希望。数字钟被广泛用于个人家庭,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,运用超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大
5、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。本课题所设计的电子时钟是一个最基本的数字钟。1.2. 基本工作原理与框图数字电子钟要想最终设计成功必须要有精确而稳定的秒信号产生，通常先用石英晶体振荡器产生 32768Hz 的脉冲，经过整形、分频产生 1Hz 的秒脉冲。分频用 CD4060 分出 2Hz 的脉冲，再用 CD4013 分出 1Hz 的脉冲。然后 1Hz 脉冲经过校时电路送到秒计数器的个位，秒计数器是由两块 74LS160
6、 组成的六十进制计数器，其十位 TC 接校时电路。校时电路的 CP1 接分计数器个位的 CLK 端，分计数器也是由两块 74LS160 组成的六十进制计数器，分计数器的十位的 TC 端接入校时电路。校时电路的 CP2 接时计数器的 CLK 端，分计数器是由两块74LS160 组成的二十四进制计数器。校时电路的 S1、S2、S3 控制“校时” 、 “校分”和“校秒” 。各个计数器分别接译码器，各个译码器分别接显示器。电路的基本原理就是这样，下面我将介绍各个模块的具体功能及原理。以下是我在下面整合的全电路原理图。课程设计说明书 第 1 页图表 12 各部分电路原理及器件简介2.1 秒信号产生电路这
7、部分电路现有石英晶体振荡器产生 32768Hz 的脉冲，经过 CD4060 经过十四次分频后产生 2Hz 的脉冲。再经过 CD4013 产生 1Hz 的脉冲。原理比较简单。CD4060 是十四位二进制计数器。它内部有十四级二分频器，有两个反相器。RST 为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。在 CIN 下降沿，计数器以二进制计数。CIN、 分别为时钟输入、输出端。电源电压范围为 3V15V，COUT输入电压范围为 0VVDD。它有十六个引脚，Q4Q10、Q12Q14 为计数器输出端。VDD 接正电源，Vss 接地。其引脚图如下所示： 课程设计说明书 第 2 页图表 2CD4013A 为双 D
8、 触发器，在 CLK 上升沿有效。其特性表如下：输 入 输 出CP D RD SD Qn+1注XXX01XXXX00001100010101Qn10不用同步置 0同步置 1保持异步置 1异步置 0不允许课程设计说明书 第 3 页2.2 进制计数器电路 2.2.1 74LS160 功能简介图表 3CP 是脉冲输入端；CT（CO）是进位信号输出端；CEP 和 CET 是计数器工作状态端； ( )是异步清零端； 是置数端； VCC 接正电源，GND 接地；MRCPEP0P4 是数据输入端，Q1Q4 是计数器状态输出端。电源电压 7V，输入电压7V。其状态表如下所示：输 入 输 出CRLD CET C
9、EP CP P0 P1 P2 P3 Q0n+1 Q1n+1 Q2n+1 Q3n+1 CO 注01111x0111xx10xxx1x0xxxxaxxxxbxxxxcxxxxdxxx0 0 0 0a b c d计 数保 持保 持00清零置数2.2.2 60 进制计数器 60 进制计数器是由两个 74LS160 十进制计数器经过一定的方式连接组成的。课程设计说明书 第 4 页具体连接是这样的，一片 74LS160 用低位，另一片设计成六进制计数器做为高位。将高位片的 Q2 和 Q1 接入与非门，出来接入高位片的 ( ),当高位片MRC为 0110 时， ( )为低电平，此时清零，实现了六十进制。其连
10、线图如下MRC所示：图表 32.2.3 24 进制计数器 24 进制计数器也是由两片 74LS160 组成的，当各位计数状态为Q3Q2Q1Q0=0100,十位计数状态为 Q3Q3Q1Q0=0010 时，计数器归零。通过把个位Q2、十位 Q1 接入与非门，然后接入个位、十位的 MR 端。令计数器清零，从而实现二十四进制计数器的功能。其连线图如下所示：课程设计说明书 第 5 页图表 42.3 译码显示电路 2.3.1 CC4511 本实验采用 CC4511 BCD 锁存器/七段译码/驱动器。其中 A,B,C,DBCD 码输入端；a,b,c,d,e,f,g译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极
11、LED数码管；LT测试输入端，LT=“0”时，译码输出全为“1” ；BI（RL）消隐输入端；LE锁定端，LE=“1”时译码器处于锁定状态，LE=0 为正常译码。其引脚图如下：课程设计说明书 第 6 页图表 5下表为 CC4511 功能表。输入 输出LE BI LT D C B A a b c d e f g 显示字形x x 0 x x x x 1 1 1 1 1 1 1 8x 0 1 x x x x 0 0 0 0 0 0 0 消隐0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 00 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1
12、0 1 20 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 30 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 40 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 50 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 60 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 70 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 80 1 1 x 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 92.3.2 译码显示电路图 译码电路的功能是将“秒” 、 “分” 、 “时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。其电路图如下所示：课程设计说明书 第 7 页图表 62.4 校时电
13、路 2.4.1 校时电路功能简介 校时电路是数字中不可缺少的部分，当数字显示与实际时间不符时，就要根据标准时间进行校时。其简单电路如下所示：课程设计说明书 第 8 页图表 7S1、S 2、S 3分别控制校“时” 、校“分”和校外“秒” 。具体是这样的，当S3断开时，G7 与非门打开，正常进行计秒。当需要校秒时，闭合 S3，此时 G7与非门被断开，时间正确时打开 S3正常计秒。需要校分时闭合 S2，此时低电平经过 G8 与非门后变为高电平，G5 与非门打开，秒信号进来，使分计数器以秒的节奏快速计数。而 G6 与非门此时被断开，来自秒十位的进位脉冲无效。直到显示的时间和标准时间相同时打开 S2，此
14、时 G5 与非门被断开，G6 与非门被打开，秒十位进位脉冲进来，1Hz 脉冲信号无效，分计数器正常计时。需要校准小时时，只需闭合 S1此时 G3 与非门被断开，G1 与非门接通，1Hz 信号进来，使时计数器以秒的节奏快速计数。当时计数器的显示与标准时间相同时，打开S1即可。打开 S1时 G1 与非门断开，1Hz 脉冲信号无效。G3 与非门打开，接受分计数器的输出进位信号，使时计数器正常计数。这就是校时电路的基本原理。课程设计说明书 第 9 页3 方案的选择3.1 时钟信号源时钟信号源是时钟类项目的心脏，他的精确度直接影响到整个项目的性能。要产生 1Hz 脉冲可用石英晶体振荡器和 555 多谐振
15、荡器。555 多谐振荡器的优点是起振容易，振荡周期调节范围广，缺点是频率稳定性差，精度低，所以在本试验中不宜使用。石英晶体振荡器不仅选频特性极好，而且谐振频率十分稳定，其稳定度可达 10-1010 -11。因此在本实验中我选择石英晶体振荡器。3.2 分频器的实现 因为时钟信号源已选中使用 32768Hz,而输出的要求是 1Hz 的秒时钟信号，所以分频器需要实现 的分频功能。可以采用专用分频器，如六分频，十二分152频，1/60 分频器，常用集成电路有 74LS92，74LS56,74LS57 等。也可以用各种进制计数器构成分频器，如 CD4020,CD4040,CD4060，异步十进制计数器7
16、4LS90，同步十进制计数器 74LS290，双时钟同步加减计数器 74LS192 都可以很容易构成十进制，十二进制，二十四进制，六十进制分频器。还可以用脉冲分配器，如 CD4017,CD4022.除此以外还可采用带有 7 段译码器的十进制计数器，连接 LED 时可以不再需要外加译码，如 CD4026,CD4033。结合本实验的特点，最后我使用了十四位 2 进制计数器 CD4060，它可以进行 214 次分频，再用 CD4013 尽可以完成 分频了，就得到了 1Hz 脉冲。153.3 译码显示器译码显示器可用带译码器的 LED 数码显示管，它的显示管可接受 4 输入8421BCD 编码，因其内
17、部有译码器，比较方便。也可用译码芯片LED 数码显示管，可采用 74LS47，74LS48,CD4511 等集成电路将 BCD 码译成段码发送给 8 段发光二极管数码管，当然要选择相配的共阴极或共阳极译码驱动器。在这个电路中我选择了 CD4511+LED 数码显示管。课程设计说明书 第 10 页总 结经过近多日的努力，终于将本次课程设计做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰当的地方，请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心接受。在本次课程设计过程中，我增强了自己的动手能力和分析能力。通过跟老师和同学的交流，也通过自己的努力，我按时完成了这次课程设计。在此过程中，我学会了很多
18、，也看到了很多自己的不足之处。在以后的学习生活中，我会努力学习专业知识，完善自我，为将来的发展做好充分的准备。总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西，懂得了理论和实际联系的重要性。在以后的学习中，我不仅要把理论知识掌握牢固，更要提高自己的动手能力和分析能力。课程设计说明书 第 11 页致 谢通过二周的努力，终于将数字电子钟课程设计完成了，在完成课程设计的这二周中，老师给予了我很大的帮助。他不仅是指导我完成了设计，还教会了我做设计的一般步骤、设计思想和设计方法。当我对此课程设计无从下手的时候，李如昌老师专心地为我讲解，为我解决了很多实际存在的困难和问题。他在 601 教
19、室里利用自己的休假时间为我们梳理流程，讲解原理，使我对此次的课程设计能圆满完成增添了很多信心，真正的从心理和解决实际问题上为我树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到骄傲，每每对课程设计的撰写产生疑问时，他为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架，为我的写作指引了方向。在此我衷心的感谢一直不辞辛劳为我指明方向的老师，也要感谢教会我知识的学校为我提供实践的场所和实践器材，还要感谢那些耐心帮助我的同学们的同学们。通过这次的课程设计，不仅使我学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响。在此，再次感谢我的学校、李老师和同学们。课
20、程设计说明书 第 12 页参考文献1 数字电子技术基础简明教程 （第三版）清华大学电子学教研组编 余孟尝主编 高等教育出版社 2 模拟电子技术基础简明教程 （第三版） 清华大学电子学教研组编 杨素主编 高等教育出版社 3 电子技术基础 模拟部分（第四版）华中理工大学电子学教研室编 康花光主编高等教育出版社 4 数字集成电路应用 300 例 黄继昌 人民邮电出版社5 新编电子元器件选用与检测 郑凤翼 福建科学技术出版社6 电子制作实训 刘进峰 中国劳动社会保障出版社7 电子线路设计指导 李银华 北京航空航天大学出版社8 电子电路基础（第 2 版）林家儒 北京邮电大学出版社9 集成电路识图入门突破 胡斌 人民邮电出版社10 电子电路设计基础 刘强 人民邮电出版社
