课程设计报告
设计题目：数字钟设计与实现
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指导教师：
设计时间：2014年7月
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摘要：
钟表作为一种定时工具被广泛的使用在生产生活的各方面。人类最初依靠太阳的角度来进行定时，所以受天气的影响比较大，为了克服依靠自然现象定时的缺点人们发明的机器钟表，电子钟表一系列的定时工具。自改革开放以来我国科技得以高速发展，尤其是电子技术的飞速发展。各种各样的电器器材凭空而出。
数字钟是一种用数字电路实现时、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，因此得到了广泛的应用。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，诸如定时报警，按时自动打铃，时间程序自动控制，定时启闭路灯等等，所有这些都是以数字钟为基础的。
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。数字电子钟由以下几部分组成：分频器、脉冲发生器、校正电路、60进制的秒、分计数器和24进制的时计数器以及分、时、秒的7段共阴译码显示部分，能够完成显示时间、调整时间、整点报时等基本功能。
关键词：整点报时、译码显示、校时
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目录
1.概述 1 2.课程设计任务及要求
设计任务 3 设计要求
3.理论设计
方案论证 3 系统设计
结构框图及说明 4 系统原理图及工作原理单元电路设计
震荡电路 6 分频电路 7 计数电路 8 校时电路 10 译码显示电路 12 整点报时系统 13 4.软件仿真
4.1 仿真电路图 15 仿真过程 15 仿真结果 16 5.结论 6.使用仪器设备清单 7.参考文献 8.收获、体会和建议 3
19 19 2.1 2.2 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 5 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 4.2 4.2 20
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2.课程设计及要求
2.1设计任务
试设计一个数字电子钟，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LED七段显示器显示出来，并且具有校时、校分、整点报时功能，能够显示23h59m59s，归零后重新开始。
2.1设计要求
独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。系统中包含的中小规模集成电路的种类至少在六种以上。根据理论设计用multisim 7在计算机上进行仿真。验证所设计方案的正确性。
3.理论设计
3.1方案论证
分和秒计时需要六十进制计数器，“时”需要二十四进制计数器，用74LS161和74LS160均可实现六十进制和二十四进制计数器。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LED七段显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发触发器
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实现报时。校时电路是通过改变时计数器和分计数器的输入脉冲来实现校时功能，新的脉冲由脉冲发生器和分频器发出。
3.2系统设计
3.2.1结构框图及说明
原理框图如图3-1所示
图3-1
工作时，555构成的多谐振荡器产生稳定的秒脉冲信号并送入计时电路，当秒计数器满60秒时输出秒进位脉冲，送入分计数器，当计分器满60分时，输出分进位脉冲送入时电路计数，当计时电路满24时时，时、分、秒计数器同时清零。 校时电路分别控制对时和分的校正。根据计时电路的输出状态，整点报时电路在
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每个整点都会显示十秒的提示。
3.2.2 系统原理图及工作原理
系统具体电路连接情况如图3-2
图3-2
3.3单元电路设计
3.3.1震荡电路
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图3-3-1 555构成的多谐振荡器
电路图如图3-3-1所示，由555定时器、电容和电阻组成震荡电路，产生秒脉冲信号。
555定时器与RC组成的系统接通电源后，电容C1被充电，vc上升，当vc上升到大于2/3VCC时，触发器被复位，放电管T导通，此时v0为低电平，电容C1通过R2和T放电，使vc下降。当vc下降到小于1/3VCC时，触发器被复位，v0翻转为高电平。电容器C1放电结束，所需时间为： T1=0.7R2C 当C1放电结束时，T截止，VCC将通过R
1、R2向电容器C1充电，vc由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间为：
T2=0.7（R1+R2）C 当vc上升到2/3VCC时，触发器又被复位发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：1.43/（R1+2R2）C
本设计中频率可通过以上公式计算出来，f=1Hz
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3.3.2分频电路
分频器能将高频脉冲变换为低频脉冲，它可由触发器以及计数器来完成由于一个触发器就是一个二分频，N个触发器就是2n个分频器。如果用计数器做分频器，就要按进制数进行分频。例如十进制计数器计是十分频器。分频器的功能主要有两个：一个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。
本设计中，需要对1kHz分频，等到校时脉冲。其电路图如图3-3-2所示
图3-3-2 分频电路
从图3-3-2可以看出，由信号发生器的1000Hz高频信号从U20的14端输入，经过3片74LS90的三级1/10分频，就能从U21的11端输出得到标准的秒脉冲信号，用于校时脉冲。
3.3.3计数电路
“时”计数器要用到二十四进制计数器，“分”、“秒”计数器要用到六十进制计数器，这里采用74160和74161构成二十四进制计数器和六十进制计数器。
74161和74160的功能表如图3-3-3和3-3-4所示，
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图3-3-3
图3-3-4 六十进制计数器的电路连接如图3-3-5 9
图3-3-5六十进制计数器
74160的时钟输入端连接秒输入信号，将它的进位输出信号与74161的时钟输入端连接，每过十秒，74160就向74161发出一个时钟信号，通过与非门和74161的同步清零端Ld，将74161改成六进制计数器，从而整体构成了六十进制计数器。
二十四进制计数器连接如图3-3-6所示
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图3-3-6二十四进制计数器
将74160和74161的异步清零端Cr与与非门的输出端连接，每当计数到二十四就异步清零，完成二十四进制计数。
3.3.4校时电路
当时钟指示的时间与实际时间不符的时候，就需要校时电路来对时钟显示的时间进行调整。
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图3-3-7校时电路原理图
校时电路的基本原理如图3-3-7所示，通过一个单刀双掷开关控制接入“时”计数电路的脉冲信号。若要校时，将校时脉冲信号引入“时”计数器，让其快速计数，在时计数器显示到需要的数字后再切掉校时信号，引入正常脉冲信号，完成校时功能。校分的原理和校时一样。
校时电路的连接情况如图3-3-8所示
图3-3-8校时电路连接
3.3.5译码显示电路
译码驱动电路是将“秒”、“分”、“时”计数器输出的8421BCD码进行编 12
译，转换为数码管需要的逻辑状态。若将秒、分、时计数器的每位输出分别于相应七段译码器的输出端连接，在脉冲的作用下便可进行不同的数字显示。
图3-3-9 7448的逻辑图
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图3-3-10 7448的真值表
译码显示电路在仿真中的连接情况如图3-3-11
图3-3-11
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3.3.6整点报时系统
整点报时电路设计为每当是整时前十秒的时候，提示灯点亮，持续十秒，当提示灯熄灭时正好是整点，每隔一个小时提示一次。因为整点报时电路未涉及到“时”，所以只与“分”“秒”计时器有关。
记“秒”个位计数器输出端为A
1、A
2、A
3、A4，“秒”十位计数器输出端为B
1、B
2、B
3、B4,“分”个位输出端为C
1、C
2、C
3、C4，“分”十位输出端为D
1、D
2、D
3、D4，当需要整点报时的时候，D1D2D3D4=0101，C1C2C3C4=1001， B1B2B3B4=0101，只有秒个位正常计数。
D2D4C1C4B2B4
图3-3-12
图3-3-13
4.软件仿真
4.1仿真电路图
4.2仿真过程
按下仿真开始开关，观测时钟是否正常计时。键盘上的A和B分别控制着校时和校分，按下A开始校时，再次按下，校时停止；按下B开始校分，再次按下，校分停止。让钟表计时到整点，观测整点指示灯是否点亮。
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4.3仿真结果
按下仿真开关后，数字钟可以正常计时，从左至右依次是“时”十位，“时”个位，“分”十位，“分”个位，“秒”十位，“秒”个位。
按下校时开关和校分开关后，可以正常校时和校分。
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每当到整点时间前十秒的时候，左下角的指示灯会亮起，十秒后熄灭。
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时钟计时到23点59分59秒后，会全部清零，重新开始新的一天。
5.结论
通过本次设计，使我对已学过的电路、数电、模电等电子技术的知识有了更深一步的了解，锻炼和培养了自己利用已学知识来分析和解决实际问题的能力。对自己以后的学习和工作有很大的帮助。虽然，在本设计中所用的方案不 19
是最好的，但我想其中的原理是最基本的；虽然其中可能出现的误差会计较大些，但是是最经济的和实用的。我相信以后我会设计出更加合理的方案。
6.使用仪器设备清单
1.555定时器 2.74LS160 3.74LS161 4.7段译码显示器 5.脉冲发生器 6.74LS90 7.74LS30 8.7400 9.单刀双掷开关 10.小灯泡
7.参考文献
1.马学文，李景宏.电子技术实验教程.北京：科学出版社.2013 2.李景宏，王永军编著.数字逻辑与数字系统.北京：电子工业出版社，2012 3.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，2002
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8.收获、体会和建议
通过这次课程设计，我对数字电子技术的理论知识的理解更加深刻，对时序电路的设计步骤也更加熟悉。经过这次数字电子电路的课程设计，我的数电知识得到巩固，并且有了一定程度的提高，对数字钟的工作原理有了比较深刻的理解，对数字电子设计的过程及其涉及的工具有更深入的认识。此次设计立足于电子技术的实际运用，不断实践，调试的流程，使我深刻的体会到了在学习我们专业的过程中理论与实践相结合的重要性，同时也解决了以前学习比较模糊的专业知识点，使自己掌握的专业知识更加结构化、系统化。
此外，相互讨论共同研究是设计过程的重中之重，增加了实际操作能力,再让我体会到了设计的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦与快乐。总之,这次课程设计对我能力的提升有很大的帮助。此外，本次课程设计比较仓促,只是完成了设计的基本功能，其拓展功能没有精力去深究，等到以后有时间再逐步完善该电路的拓展功能。由于时间短暂和本人能力有限，本电路的设计可能存在一定问题和缺陷，如有发现希望老师能够给予批评指正。
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