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多功能数字钟

黑龙江东方学院

毕业论文（设计）题目：多功能数字钟

学生姓名王岩

学号10103221

专业电子信息工程

班级2010级2班

指导教师吕志武

学部计算机科学与电气工程答辩日期2014年5月10日

黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（一）

黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（二）

黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（三）

黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）任务书

多功能数字钟

摘要

数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来的极大地方便。电子钟是人们日常生活中常用的计时工具，而数字式电子钟又有其体积小、重量轻、走时准确、结构简单、耗电量少等优点而在生活中被广泛应用。多功能数字钟采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。具有时间显示、校正作用，走时准确、显示直观、精度、稳定等优点。本次设计以数字电子为主，数字钟电路主要由译码显示器、校准电路、报时电路、时计数、分计数、秒计数器，振荡电路组成。分别对1S 时钟信号源、秒计时显示、分计时显示、小时计时显示及校时电路进行设计，然后将它们组合，来完成时、分、秒的显示并且走时校准的功能。

关键词：数字钟;分频器;译码器;校时电路;整点报时电路

Culti-function digital clock

Abstract

Digital clock has become necessary in people's daily life necessities, widely used in individual family and the station, wharf, theater, office and other public places,greatly to the people's life, study, work, entertainment brought it. Electronic clockis a common timing tool in people's daily life, and the advantages of digital electronic clock and its small size, light weight, accurate, simple structure, less power consumption, and is widely used in life. Multi function digital clock digitalcircuit of "when", "sub", "seconds" the figures show that the timing device. Time display, correction, accurate, intuitive display advantages, accuracy, stability.The design is based on digital electronics, digital clock circuit mainly by the decoding monitor, a calibration circuit, timing circuit, counting, counting, seconds counter, an oscillating circuit. The 1S clock signal source, the second timedisplay, time display, circuit design - hour time display and the school, then combine them, to complete, minutes and seconds, displays and travel timecalibration function.

Keywords：Digital clock; frequency divider; decoder; timing circuit; the whole point timekeeping circuit

摘要 ....................................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................................ I I 第1章绪论 (1)

1.1数字钟发展现状 (1)

1.2数字钟技术的现状 (1)

1.3选题意义 (2)

第2章数字钟的组成和基本工作原理 (3)

2.1数字钟的组成 (3)

2.2基本工作原理 (3)

2.2.1振荡器 (4)

2.2.2分频器电路 (5)

2.2.3计数器 (5)

2.2.4译码显示电路 (5)

2.2.5校时电路 (5)

2.2.6报时电路 (5)

2.3本章小结 (6)

第3章数字钟的设计与制作 (7)

3.1系统方案选择与论证 (7)

3.2技术指标和要求 (7)

3.3本章小结 (7)

第4章单元电路的设计 (8)

4.1振荡电路 (8)

4.2分频器电路 (10)

4.3计数器 (10)

4.3.1计数器六十进制的接法 (11)

4.3.2二十四进制计数器的接法 (12)

4.4译码显示电路 (14)

4.5校时电路 (16)

4.6整点报时电路 (18)

4.6.1控制门电路部分 (18)

4.6.2音响电路部分 (18)

4.7本章小结 (19)

第5章组装与调试 (20)

5.1接通电源逐步调试 (20)

5.2按顺序对电路连线和调试 (20)

5.3本章小结 (21)

结论 (22)

参考文献 (23)

附录 (24)

致谢 (28)

多功能数字钟

第1章绪论

1.1 数字钟发展现状

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。数字时钟在我国是从改革开放之后即八十年代初期开始，慢慢发展起来的，和数字电路的发展同步。最初的数字集成电路就是触发器和计数器，它的最初和最简单的应用就是做时钟。后来数字时钟朝着俩个大的方向发展：数字钟字钟最开始是显示式的，即我们经常在汽车、机场、医院等场合看到的发光二级管数字显示钟；后来才做成指针式数字钟，即我们常说的石英钟。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,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。而且数字化时钟广泛用于个人家庭,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，给人们的生活带来了极大的方便。数字钟的发展空间还是挺大的，虽然在现在的电子科技发展迅速的时代里。我们还是不能忽视数字钟的作用。因为他能有效的反应时间。我们的生活中是离不开时间的。有很多的地方都要用到时间。比如，洗衣机的定时系统，电视机的定时关机等等。虽然他们已经不是由组合逻辑电路组成，但还是可以反映数字钟已经代替了那些机械的时间表。那些机械表的精确度没有数字钟这么的高。

1.2 数字钟技术的现状

数字钟的技术能够得到普及，是因为有他的优点。我想每个产品都会是这样的，只有比前面的产品更加的优秀，才会取代前一产品。数字钟的技术包括计数器、555等等。最主要的就是这两个。计数器应用在计算机系统、工业控制领域发挥出了他的作用。乃至日常生活中，都存在定时、计时和计数问题，尤其是计算机系统中的定时技术特别重要。计数器时一种重要的时序逻辑电路，它不仅可以计数，而且可以用作定时控制和数字运算等。按计数功能分类，计数器可分为加法、减法和可逆计数器；

按计算体制分类，计数器可分成二进制和任意进制计数器，而十进制计数器是任意进制计数器中常用的计数器；按计数脉冲引入方式分类，计数器还可以分成同步和异步计数器。

555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小IC。1972年，美国西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出Tmer NE555双极型时基电路，设计原意是用来取代体积大,定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但该器件投放市场后，人们发现这种电路的应用远远超出原设计的使用范围，用途之广几乎遍及电子应用的各个领域，需求量极大。美国各大公司相继仿制这种电路 1974年西格尼蒂克斯公司又在同一基片上将两个双极型555单元集成在一起，取名为NF556。1978年美国英特锡尔公司(Intelsil)研制成功CMOS型时基电路ICM555 1CM556,后来又推出将四个时基电路集成在一个芯片上的四时基电路558 由于采用CMOS型工艺和高度集成，使时基电路的应用从民用扩展到火箭、导弹,卫星,航天等高科技领域。在这期间，日本、西欧等各大公司和厂家也竞相仿制、生产。尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555／556时基电路，但其内部电路大同小异，且都具有相同的引出功能端。

1.3 选题意义

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，恰好能够运用并巩固我们刚刚学过的数电知识，而且通过数字钟的制作进一步了解各种制作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。由于数字电子钟包括组合逻辑电路和时序电路，通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，从而实现理论与实践相结合。总的来说，此次课程设计，有助于我们对电子线路知识的整合和电子线路设计、调式能力的训练，增强工程实践能力和综合分析问题的能力，并为后继课程的学习和毕业设计打下一定的基础。

第2章数字钟的组成和基本工作原理

2.1 数字钟的组成

数字钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路。它的计时周期是24小时，由于计数器的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致所以采用校准功能和报时功能。数字钟电路主要由译码显示器、校准电路、报时电路、时计数、分计数、秒计数器，振荡电路和单次脉冲产生电路组成。其中电路系统由秒信号发生器、“时”、“分”、“秒”计数器、译码器及显示器、校准电路、整点报时电路组成。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来实现，将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60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进制计时器，可实现对一天24小时的计时。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态通过显示驱动电路，七段显示译码器译码，在经过六位LED七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现低、高音报时。校准电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。如图2-1所示多功能数字钟的组成框图。

2.2 基本工作原理

一个具有计时、显示灯基本功能的数字钟主要由振荡器、计数器、译码器、显示器等四部分组成。多谐振荡器产生的信号输入到秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，技术结果通过“时”、“分”、“秒”译码器译码，并通过显示器显示时间。数字钟原理图如图2-2所示。

图2-1 数字钟组成框图

图2-2 数字钟原理图

2.2.1 振荡器

振荡器是数字钟的核心,其的作用是产生一个频率标准时间频率信号,然后再由分频器分秒脉冲,因此,振荡器频率的精度与稳定度基本决定了数字电子钟的质量。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，通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。采用石英晶体振荡器经过分频得到这一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号。保证数字钟的走时准确及稳定。

2.2.2 分频器电路

分频器电路将32768Ｈz的高频方波信号经32768（215）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。本次设计是运用了CD4060分频器进行分频，分频电路可提供512HZ和1024HZ的频率，在经CD4040分频器进行一分频，为此电路输送一秒脉冲。

2.2.3 计数器

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及时个位和时十位计数器电路构成，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，通常用2个十进位计数器的集成片组成,其中”秒”个位是十进制,秒十位为六进制。可采用反馈归零变”秒”十位为六进制,实现秒的六十进制。”分”计数器原理也一样。而根据设计要求。

2.2.4 译码显示电路

是将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来，被人们的视觉器官所接受。显示器件选用LED七段数码管。在译码显示电路输出信号的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号.并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。

2.2.5 校时电路

实际的数字钟电路由于秒信号的精确性和稳定性不可能做到完全(绝对)准确无误，加之电路中其它原因，数字钟总会产生走时误差的现象。因此，电路中就应该有校准时间功能的电路。

2.2.6 报时电路

当数字钟显示整点时，应能报时。要求当数字钟的“分”和“秒”计数器计到59分50秒时，驱动音响电路，要求每隔一秒音响电路呜叫一次，每次叫声的时间持续1

秒，10秒钟内自动发出五声呜叫，且前四声低，最后一声高，正好报整点。

2.3 本章小结

本章讲述了数字钟的组成和工作原理，并且对各个单元器件进行了单独的阐述，有了大概的了解使得以后更加得心应手。

第3章数字钟的设计与制作

3.1 系统方案选择与论证

（1）脉冲电路选择与论证

方案一：采用RC振荡电路，在通过整形电路产生所需的秒脉冲信号；

方案二：使用计时IC芯片NE55，搭建多谐振荡器产生所需的秒脉冲信号。

由于RC振荡电路不稳定，且不能精确产生所需秒脉冲，而NE55只需简单的电阻器、电容器就可以搭建出所需电路，而且它的计时精确度高，温度稳定度佳，且价格便宜，所以我们采用方案二。

（2）计数器电路选择与论证

方案一：采用74LS290十进制异步清零、异步置位芯片；

方案二：采用CC4518十进制异步清零芯片。

由于CC4518是双集成BCD计数，使用它既节约成本又使线路简单，所以我采用CC4518设计计数电路。

（3）译码显示电路选择与论证

方案一：采用74LS48四线七段译码器/驱动器；

方案二：采用CC4511四线七段锁存译码器/驱动器。

由于CC4511是COMS芯片具有低功耗，电压范围宽等优点，所以采用方案二。3.2 技术指标和要求

（1）能直接显示“时”、“分”、“秒”，24小时为一个计时周期。

（2）当电路发生走时误差时，具有校时功能。

（3）要求电路具有整点报时功能，报时声响为四低一高，最后一响正好为整点。

（4）电源电压为6V电池供电。

3.3 本章小结

本章讲述了本设计的元器件选择与论证以及数字钟的技术指标和要求。

第4章单元电路的设计

4.1 振荡电路

振荡器是数字钟的心脏，它是产生时间标准‘“秒”信号的电路。为了制作简便，在精度要求不高的条件下本系统的振荡电路选用555定时器构成的多谐振荡器。

图4-1 555芯片引脚图

表4-1 引出端功能符号说明

多谐振荡器工作原理：VCC 通过R1、R2向C 充电，在电容充电VC ：0V-VCC/3之间，Vo 输出1；VCC 通过R1、R2继续向C 充电，在电容充电VC ：VCC/3-2VCC/3之间，Vo 保持1不变；当VC=2VCC/3时，Vo 由1翻转为0。T 导通，电容C 经R2、T 放电；电容通过R2和三极管T 继续放电，在电容放电VC ：VCC2/3-VCC/3之间，Vo 保持0不变；当Vc 降至VCC/3时，使得Vo 回到1，截止电容，C 再充电；如此循环。下图4-2为多谐振荡器的工作原理图。

图4-2 多谐振荡器电路［1］

多振荡器电路中各参数计算：

电容充电时间tw1=0.7× (R1+R2) × C

电容放电时间tw1=0.7 × R2 × C

脉冲周期T=tw1+tw2=0.7 ×(R1+2R2) × C

频率f=1/T=1.43/(R1+2R2) × C

占空比q=tw1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)

波形记录

从图4-3多谐振荡器波形图中可以看出，多谐振荡器的特点是：不需外触发的自激振荡器；无稳定状态，均为暂稳态；矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。

图4-3多谐振荡器波形

4.2 分频器电路

由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。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32767Hz的振荡信号分频为1Hz的分频倍数为32767（2１５），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计数为最高为14级2进制计数器，首先由U1(CD4060)的Q14(第3脚)产生2Hz的振荡信号,然后由二进制计数器CD4040和两个U3A(74LS20),U3B(74LS20)组成120计数器分频,从U3B的输出端输出一个的分脉冲,作为分钟计数器的分钟信号,按键开关S作为分钟调时有手动脉冲开关,每按动一次,从U3B的输出端输出一个脉冲,同时U2的Q1管脚输出秒脉冲信号驱动发光二极管LED1,LED2,作为秒指示(因为2Hz的信号经1位二进制计数器分频后为1Hz)。如图4-4所示。

图4-4 分频电路

4.3 计数器

用CC4518计数器实现60进制和24进制，然后进行级联组成秒、分、时计数。（1）芯片介绍（国外同类型号：CD4518、MC4518）

图4-5 CC4518管脚图

（2）功能介绍

CC4518为双BCD同步加法计数器，该器件由两个相同的同步4级计数器组成。计数器为D触发器。具有内部可交换CP和EN线，用于在始终上升沿或下降沿加法计数。在单个单元运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位。CR为高电平时，计数清零。

计数器在脉动模式可级联，通过将Q3链接至下一个计数器的EN输入端实现级联。同时后者的CP输入保持低电平。

秒脉冲信号经过级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60秒为1分、60分为1小时、24小时为1天的计数周期，分别组成两个六十进制（秒、分）、一个二十四进制（时）的计数器。将这些计数器适当地连接，就可以构成秒、分、时的计数，实现计时的功能进制计数器。它们都可以用两个“二- 十进制”计数器来实现。六十进制计数器和二十四进制计数器均可由双BCD加法计数器CC4518组成。因为一片CC4518内含有两个十进制计数器，因此用一片CC4518就可以构成六十进制或二十四进制计数器了。选取CC4518和与非门CC4511、采用反馈复位法构成的六十进制和二十四进制加法计数器电路分别见图a)和图b)所示。

4.3.1 计数器六十进制的接法

图4-6个位为十进制.故EN=1,Cr=0,计数到9以后自动清零,向高位进位信号采用

Q 4Q

=1001,将Q

送入与非门, 与非门的输出可以做进位信号。因为:当Q

不同