项目项目 19 19 数字电子钟的设计数字电子钟的设计

（ 1 ）这是一个工学结合综合性的实训，在原基础性、技能性的基础上，综合引用数字电路、仿真以及多种软件绘制原理图及印制电路图，是一个能多种技能进行综合考核的实训项目。

（ 2 ）该实训项目的一部分是线路设计，以提高理论知识灵活引用的能力，也可让学生懂得要达到同样的功能可以采用多种线路，而一个看似很简单的功能，在具体实施时，也可能会产生一些意想不到的问题，以提高学生解决实际问题的能力。

（ 3 ）在这个产品的制作过程中，逐步提高学生对电子产品的兴趣。

19.1 19.1 实训目的 实训目的

19.2 19.2 实训原理实训原理

下面给出实训中要求设计的数字时钟的参考原理图，并通过对此图的分析，让同学们起到举一反三的作用。

SB2

5V

R R

SB1

校时 校分

分计数器60（ 进制）

时计数器24（ 进制）

时译码器

时显示器

分译码器

分显示器

分计数器60（ 进制）

分译码器

分显示器

分频器石英晶体脉冲发生器

&&

&

&

&

5V

R R

&&

&

&

&

图 19.2.1 数字电子钟的原理图

数字钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。这些都是数字电路中应用最广的基本电路，原理框图如图所示。石英晶体振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成每秒一次的方波信号。秒信号送入计数器进行计数，并把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数电路实现；“分”的显示电路与“秒”相同；“时”的显示由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数电路来实现。所有计时结果由六位数码管显示。

1 、石英晶体振荡器 振荡器是电子钟的核心，用它产生标准频率信号，再由分频器分成秒时钟信号。振荡器震荡频率的精度和稳定度基本上决定了时钟的准确度。震荡电路是由石英晶体，微调电容与集成反相器等元件构成，原理图如图 19.2.2 所示。 图中门 1 、门 2 是反相器，门 1 用于振荡，门 2 用于缓冲整形， Rf 为反馈电阻，反馈电阻的作用是为反相器提供偏置，使其工作在放大状态。反馈电阻 Rf 的取值太大，会使放大器偏置不稳甚至不能正常工作， Rf 值太小又会使反馈网络负担加重。图中 C1 是频率微调电容，一般取 5/35pF 。C2 是温度校正用电容，一般取 20—40pF 。电容 C1 、 C2 与晶体共同构成 π 型网络，以控制振荡频率，并使输入输出相移 180° 。

石英晶体振荡器的振荡频率稳定，输出波形近似于正弦波，可用反相器整形而得到矩形脉冲输出。

1 1

RF

QR

C1 C2

至分频器

图 19.2.2 石英晶振电路

分频器 时间标准信号的频率很高，要得到秒脉冲，需要分频电路。目前多数石英电子表的振荡频率为 32768Hz ，它是 2 的 15 次方，用 15 位二进制计数器进行分频后可得到 1Hz 的秒脉冲，也可采用单片 CMOS 集成电路实现。本题的晶体振荡器可不用设计，秒脉冲信号可由连续可调的脉冲源直接提供。

2 、计数器（ 1 ）六十进制计数器 “秒”计数器的电路形式很多，但都是由一级十进制计数器和一级六进制计数器组成。图所示是用两块中规模集成电路 74 LS160 按反馈置零法串接而成“秒”计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为“分”计数器的输入信号。本图则是由 74LS163 和 74LS90 门构成“秒”计数器电路。

“ 分”计数器电路与“秒”计数器相同。

74LS160 74LS160

&

QD QAQBQC QAQBQCQD

CPCP至分计数器 端

1 2 21

图 19.2.3 六十进制计数器

（ 2 ）二十四进制计数器 图所示二十四进制小时计数器，是用 74LS112 和 74LS160 组成的。也可用两块中规模集成电路 74LS160 和与非门构成。

74LS160 74LS160

&

QD QAQBQC QAQBQCQD

CP分计数器进位信号

1 2 21

二十四进制计数器

5V

R R

& G 1

Q Q

SB

& G 2

单脉冲发生器

图 19.2.4 二十四进制计数器 图 19.2.5 单脉冲发生器

3 、译码和显示电路 译码就是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态，用于驱动 LED 七段数码管，只要在它的输入端输入 8421 码，七段数码管就能显示十进制数字。 4 、校准电路 校准电路实质上是一个由基本 R-S 触发器组成的单脉冲发生器，如图所示。从图中可知，未按按钮 SB时，与非门的一个输入端接地，基本触发器处于 1 状态，即。再看图，这时数字钟正常工作，分脉冲能进入分计数器，时脉冲能进入时计数器。按下按钮 SB 时，与非门的一个输入端接地，于是基本触发器的状态翻转为 0 状态。再看图，若所按的是校分的按钮 SB1 时，则秒脉冲可以直接进入分计数器而分脉冲被阻止进入，因而便能较快的校准分计数器的值。若所按的是校时的按钮 SB2 时，则秒脉冲可以直接进入计数器而时脉冲被封锁，于是就能较快的对时计数器的数值进行校准。校准后，将校正按钮释放，使其恢复原位，数字钟继续进行正常的计时工作。

5 、整点报时电路 整点报时电路如图 19.2.6 所示。图中QD1~QA1 代表秒计数器个位 BCD 码， QD2~QA2 代表秒计数器BCD 码， QD3~QA3 代表分计数器个位 BCD 码， QD4~QA4 代表分计数器十位 BCD 码。每当分计数器累计计数到 59min ，与非门 M2 的输出为“ 1” 即 QA3QD3QA4QC4=“1” ，持续时间是一分钟，到了 59min50s 时，与非门 M4 输出为“ 1” ，持续时间为 10s 。我们若令M4 的输出为 A ，由分频器引入的 500Hz 、 1000Hz 的方波信号为 B 、 C 。从图中可见 M6 的输出为；； M7 的输出为。于是 M8 在 59min51s 、 53s 、 55s 、57s 时输出 500Hz音频信号。在 59min50s 时输出 1000 的信号，音响持续 1s 钟，在 1000Hz音响结束时刻为整点，即该计数器每运行到整点差 10s 时便自动发出呜叫声。

图 19.2.6 整点报时电路

6 、音频振荡器和音响电路 不同的音频振荡器，可用555 定时器分别组成多谐振荡器。

19.3 19.3 实训仪器和设备 实训仪器和设备 序号 名 称 型 号 规 格 数量 备 注

1 指针万用表 MF-47   1 或 500 型

2 数字万用表 UT-52 或 DT-9909 1  

3 晶体管毫伏表 DA-16A 0-1000mV 1  

4 直流稳压电源 YB1731 或 YB-1719 1 直流 0~32V

5 双踪示波器 YB4320F 20HZ~20MHZ 1 或其他型号

6 计算机   根据实训实际情况 1 图形的绘制

7 Protel软件   99SE版 1原理图及印制电

路图的绘制

8 雕刻机   AM系列 1  

9 电子数字钟元件     1套 根据设计而定

19.4 19.4 实训内容和步骤实训内容和步骤

1 、设计题目：数字电子钟2 、技术要求：（ 1 ）具有“时”、“分“、“秒”的十进制数字显示；（ 2 ）具有整点报时功能，在离整点 10S 时，便自动发出鸣叫声，声长 1S ，每隔 1S鸣叫一声，前四响是低音（ 500Hz ），后一响是高音 (1000Hz) ，共鸣五次，最后一次结束时正好是整点。（ 3 ）具有稳定可靠的校时功能（时、分）。

19.4.1 19.4.1 阅读设计任务书、明确设计内容阅读设计任务书、明确设计内容

19.4.2 19.4.2 课题分析课题分析

数字钟实际上是一个对标准频率 (1 Hz) 进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间 ( 如北京时间 )一致，故需要在电路上加一个校时电路。同时标准的 1 Hz 时间信号必须做到准确稳定，通常使用石英晶体振荡器电路构成。一个用来计“时”、“分”、“秒”的数字钟，主要由六个部分组：振荡器、校时电路、报时电路、计数器、译码显示电路，下图是一个框图例子，同学们可以作为参考。

19.4.3 19.4.3 方案的认证方案的认证

（ 1 ）画出电路原理图；（ 2 ）元器件及参数选择；（ 3 ）电路仿真与调试；（ 4 ） PCB文件生成与打印；

19.4.4 19.4.4 安装调试安装调试

(1) 根据原理图所示从下到上根据信号的流向分级安装，逐级进行级联。(2) 先测试主体电路的逻辑功能。级联时，如果出现时序配合不同步或尖峰脉冲干扰，引起逻辑功能不正常时，可以通过增加逻辑门进行延时或反相。如果显示字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件的电源端加退耦滤波电容。(3) 经过各级调试并纠正出现的错误和不足，再测试电路的逻辑电路的逻辑功能是否满足设计需要，最后画出数字电子钟的逻辑电路图

19.5 19.5 实训思考实训思考

（ 1 ）为什么不用晶体管振荡器或数字振荡器？（ 2 ）在调试过程中出现问题，如：中间的一位无显示，应按怎样的顺序查找原因？（ 3 ）电源出现波动，是否会对时钟的准确性有影响？（ 4 ）如显示亮度不足，如何调整？

19.6 19.6 注意事项注意事项

(1) 显示器有多种型号规格，特别是有共阴极和共阳极应加以区分。(2) 对译码器也有是否带缓冲的，应注意选择哪一种，带缓冲的有较强的驱动能力。(3) 在绘制印刷电路图时，应充分利用有效面积。

19.7 19.7 实训报告要求实训报告要求

实训报告要包含以下内容实训名称：数字电子钟的设计与制作实训目的：请结合 19.1简述；实训原理：简单说明原理，并附上实训电路图。实训仪器、仪表、设备：请在实训时记录下各仪器、仪表的名称、型号、规格、数量和备注等；实训内容和步骤：请参阅 19.4 简略叙述完成实训的关键步骤，分析比较实训结果，写出实训结论；实训思考题：通过实训过程，并结合教材相关内容进行回答；实训注意事项：

实训项目完

再 见！