数字时钟设计

一、实验目的

1、掌握数字钟的设计、组装与调试方法。 2、熟悉集成电路的使用方法。 二、设计要求

以数字形式显示时、分、秒。

小时计时采用12进制的计时方式，分、秒采用60进制的计时方式。 具有快速校准时、分的功能。 计时误差：≤10s/天 三、简述原理

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。设计方框图如图4.5.1。

时显示器 分显示器 秒显示器 时译码器 分译码器 时译码器 秒译码器时计数器 分计数器 秒计数器 校时电路 振荡器 分频器

图4.5.1 数字钟设计方框图

基准频率源是数字电子钟的核心，它产生一个矩形波时间基准源信号，其稳定性和频率精确度决定了计时的准确度，振荡频率愈高，计时精度也就愈高。分频器采用计数器实现，

以得到1s（即频率为1Hz）的标准秒脉冲。在计数器电路中，对秒、分计数器采用六十进制的计数器，对时计数器采用十二进制计数器。译码器采用BCD码-七段显示译码驱动器。显示器采用LED七段数码管。校准电路可采用按键及门电路组成。

1、石英晶体振荡器

石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图4.5.2所示。利用两个与非门G1和G2自我反馈，使它们工作在线性状态，然后利用石英晶体JU来控制振荡频率，同时用电容C1来作为两个非门之间的耦合，两个非门输入和输出之间并接的电阻R1和R2作为负反馈元件用，由于反馈电阻很小，可以近似认为非门的输出输入压降相等。电容C2是为了防止寄生振荡。例如：电路中的石英晶振荡频率是4MHz时，则电路的输出频率为4MHz。

2、分频器

由于石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到秒脉冲，需要用分频电路。例如，振荡器输出4MHz信号，通过D触发器（74LS74）进行4分频变成1MHz，然后送到10分频计

数器（74LS90，该计数器可以用8421码制），经过6次10分频而获得1Hz的方波信号作为秒脉冲信号。

G1 1 R1 1KΩ JU V0

C2 10pF 0.01μF C1 1 R2 1KΩ G2

图4.5.2 石英晶体振荡电路

3、计数器

秒脉冲信号经过6级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位，“时”个位、十位的计时。“秒”“分”计数器为60进制，小时为24进制。

（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4.5.3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。

74LS04 74LS00 1 至 分 (时) 计 数 器 的 CP 端

& QA2 QB2 QC2 CP2 QD1 74LS90 R0（1） R0（2） IC2 74LS90 IC1 CP1 1秒

图4.5.3 60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2.4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，计数器复零，完成24进制计数。

QB6 QD5 CP1 QC5 CP5 74LS90 R0(1) R0(2) IC6 74LS90 R0(1) R0(2) IC5 时 (来自分输出的进位信号)

图4.5.4 24进制计数电路

4、译码器

译码是将给定的代码进行翻译。计数器采用的码制不同，译码电路也不同。

74LS48驱动器是与8421BCD编码计数器配合用的七段译码驱动器。74LS48配有灯测试LT、动态灭灯输入RBI、灭灯输入/动态灭灯输出BI/RBO，当LT=“0”时，74LS48输出全“1”。

74LS48的输入端和计数器对应的输出端、74LS48的输出端和七段显示器的对应段相连。

5、显示器

本系统用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：共阳极或共阴极显示器。74LS48译码器对应的显示器是共阴极显示器。

6、校时电路

校时电路实现对“时”、“分”、“秒”的校准。在电路中设有正常计时和校时位置。“秒”、“分”、“时”的校准开关分别通过RS触发器控制。 四、供参考选择的元器件

1、七段显示器（共阴极） 6片 2、74LS48 6片 3、74LS90 12片 4、4MHz石英晶体 1片 5、74LS04 1片 6、74LS74 1片 7、74LS10、74LS00 10片 8、电阻、电容、导线等 五、设计、调试要点

在实验箱上组装电子钟，注意，器件管脚的连接一定要准确，“悬空端”、“清0端”、“置1端”要正确处理，调试步骤和方法如下：

1、可以先将系统划分为振荡器、计数器、分频器、译码显示等部分，对它们分别进行设计与调试，最后联机统调。

2、各部件设计安装完毕后，用示波器或频率计观察石英晶体振荡器的输出频率，晶振输出频率应为4MHz。

3、将频率为4MHz的脉冲信号送入分频器，用示波器或频率计观察分频器的输出频率是否达到设计要求。

4、将频率为1Hz的标准秒脉冲信号分别送入“时“分”、“秒”计数器，检查各级计数器的工作状况。

5、将合适的BCD码分别送入各级译码显示器的输入端，检查数码显示是否正确。各部件调试正常后，进行组装联调，检查校准电路是否可以实现快速校时，最后对系统进行微调。

6、当分频器和计数器调试正常后，观察电子钟是否正常地工作。 六、实验报告要求

写出详细的总结报告。包括：题目，设计任务及要求，画出详细框图，整机逻辑电路，调试方法，故障分析，精度分析，有关波形以及功能评价，收获体会。