电子技术课程设计——数字石英钟

前言

电子技术课程设计——数字石英钟是采用数字电路实现对时、分、秒的数字显示的计时装置，广泛应用于个人家庭、车站、码头、办公室登公共场所，成为人们日常生活种不可少的必需品。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便且大大扩展了钟表原先的报时、校时功能。因此，研究数字钟及扩大其应用有着非常现实的意义。

为了完成这次数字石英钟的设计，我首先是再次熟读数字电子技术基础教材和电工电子实验教程。从这些基础知识的材料中，寻找一些需要用到芯片功能加以巩固，以选择出合适的芯片用于设计。另外，我也再网上搜寻了一些数字钟相关的资料，作为参考，因为是第一次进行电子技术课程设计，刚开始的时候难免有些无从下手的感觉。从他人的设计思路中，也得到了一些提示。

数字钟的总框图由震荡电路、分频电路、译码和显示电路、校时电路、报时电路构成。画出设计框图之后，就是对单元电路的设计和画出原理布线图，最后是根据原理布线图连接芯片。在这个过程中根据遇到的实际问题，要将图进行一些适当修改，再一步步完成连线。

这次课程设计完成了数字钟的基本功能，也让我得到了很多平时理论学习中不能获得的收获。而在个别方面存在的不足还需要在今后的学习中慢慢进步。

第一章系统概述

1.1 系统设计思路与总体方案

数字钟计时的标准信号应该是频率相当稳定的1HZ秒脉冲，所以要设置标准时间源，使用石英晶体振荡器。数字钟计时周期是24小时，因此必须设置24小时计数器，应由模为60的秒计数器和分计数器，以及模为24的时计数器组成，秒、分、时由七段数码管显示。另外，为使数字时钟走时与瞄准时间一致，校时电路是必不可少的。设计中采用开关控制校时直接用秒脉冲先后对时与分进行校时操作。同时，也能够实现整点报时。在从59分50秒开始，第51、53、55和57秒

均发出一次低音“嘟”的信号，第59秒发出一次高音“嘀”的信号，每次信号持续时间为一秒。在最后一次高音结束之后即达到整点。

1.2 电路组成 图一系统框图

1.3 各功能块的划分与组成 1.3.1脉冲产生电路

由晶振产生的频率非常稳定的脉冲，经CC4060分频后，可产生一个频率为2Hz脉冲，再经过一个JK触发器，可以产生计时所需1Hz的秒脉冲。

1.3.2 计时电路

由74LS90做计数器，实现分和秒的60进制，以及时的24进制。 1.3.3 译码和显示电路

由74LS47做译码器，同时连接到七段数码显示管，可以将计时、译码后的数字显示出来。

1.3.4 校时电路

分别使用两个开关控制校时直接用秒脉冲先后对时与分实现校时操作。

1.3.5 报时电路

使用CC4060的Q4和Q8管脚引出高频和低频，作为报时电路的高、低音使用的频率，实现每到59分50秒开始，每隔一秒报时一次，四次低音、最后一次高音，高音结束后即达到整点。

第二章单元电路设计与分析 2.1 脉冲产生电路 2.1.1 振荡电路

为了产生频率非常稳定的脉冲，由石英晶体振荡器、两个10PF电容、一个20M欧的电阻组成。

图2 石英晶体振荡器

石英晶体振荡器的振荡频率具有极高的稳定性，因而适合作为数字钟的脉冲发生器。振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率，而与外接电阻和电容无关。利用这个电路，可以在输出端产生频率为2

（15）Hz的脉冲。

2.1.2 分频电路

采用CC4060和JK触发器作为分频器。 图3 分频器

为了得到频率为1秒的脉冲，同时尽量减少芯片的使用数量，首先可以将振荡器的输出接入一个最多可以达到14分频的CC4060，再从Q14管脚引出后就可以实现14分频，从而得到频率为2Hz的脉冲。再将输出接入到一个JK触发器，实现2分频后，就可以得到稳定的1Hz秒脉冲。

2.2 计时电路 2.2.1 分秒计数器

使用两片74LS90可以接成60进制计数器，分（秒）个位为10进制，十位为6进制。

图4 60进制计数器

1.个位片，将Q0与CP1相连，S91、S92、R01、R02四个管脚接地，

就可以实现十进制计数器。

2.十位片，将Q1与S01相连，Q2于S02相连，同时也将Q0与CP1

相连，当出现110，即数字6时，异步置零，从而实现6进制。 3.个位向十位进位时，可由个位片Q3引进位信号至十位片的CP1端，

这可以在个位片输出状态由1001变为0000时，向十位片的CP1端提

供一个脉冲下降沿，使高位计数，从而实现十进制。 2.2.2 时计数器

使用两片74LS90可以接成24进制计数器。时的个位为10进制，十位为3进制。十位出现数字2，个位出现数字4时，进行异步清零。

图5 24进制计数器

1.个位向十位进位时，可由个位片Q3引进位信号至十位片的CP1

端，从

而实现十进制。

2.将个位片的Q2、十位片的Q1接到两片的R01和R02。当个位片出现

0100，即数字4，十位片出现0010，即数字2时，实现异步清零。

2.3 译码和显示电路

将计数器的Q3—Q0端连接到74LS47的A3—A0端进行译码，再将译码器的输出依次接到七段数码显示管的a—f端，就可以显示出需要的数字。

对中规模集成译码器74LS47，当输入A3A2A1A0从0000到1001时，可以控制输出端a—f译出数字0—9，从而控制七段数码显示管亮起不同段，正确显示出数字。

图6 译码和显示电路 2.4 校时电路

校时电路要求能够实现调到需要的时间点。而这个校时装置仅用于实现校时和分，秒仅实现正常计时。

图7 校时电路

当开关K1、K2均断开时，秒信号加至秒个位计数器，数字钟正常计时。而当开关K1闭合、K2断开时，秒信号同时送入秒和时个位计数器，数字钟正常计时的同时，可以用1秒的脉冲进行时校对。当K1断开、K2闭合时，秒信号同时送入秒和分个位计数器，数字钟正常计时的同时，可以用1秒的脉冲进行分校对。

2.5 报时电路

整点报时电路要求在每个整点发出音响，因此需要对每个整点进行时间译码，以其输出驱动音响控制电路。

图8 报时电路

若要在每一整点前10秒内发出四声低音、一声高音报时，需要对59分51秒到59秒进行时间译码。设QD3—QD0为分十位输出，QC3—QC0为分个位输出，QB3—QB0为秒十位输出，QA3—QA0

为秒个位输出。在59分时，QD2QD0QC3QC0=1；50秒时，QB2QB0=1；秒个位为1、3、5、7时，QA0=1。故可以用F1= QD2QD0QC3QC0QB2QB0QA0作低音控制信号。在59秒时，QB2QB0QA3QA0=1

。

故

可

以

用

F2=

QD2QD0QC3QC0QB2QB0QA3QA0作高音控制信号。

当计数器到59分51、53、55、57秒时，发出频率为Hz的四次低音，59分59秒时发出频率为的一次高音，每次音响时间为一秒。从而实现了整点报时。

第三章电路的安装与调试 3.1 安装调试时采用的方法 3.1.1 脉冲发生电路的安装和调试

按照电路图连线，用石英晶体做振荡器，再将输出端接到CC4060的CP0和CP1端，以实现14分频。再从Q14端接到JK触发器的输入端，实现二分频，从而得到频率为1Hz的脉冲。输出可接发光二极管，观察二极管的显示情况，验证脉冲。

3.1.2 计数器的安装和调试

按照电路图连线，将1Hz脉冲接到秒计时器的输入CP1端，计数器输出端可以接发光二极管，观察在CP作用下的状态变化，验证六十进制。同理，可以验证二十四进制计数器。

CP A3 A2 A1 A0 CP A3 A2 A1 A0

表1 1Hz接秒（分）计时器时的二极管显示情况表2 1Hz接时计时器时的二极管显示情况

3.1.3 校时电路的安装和调试

按照电路图接线，将计时电路输出接发光二极管，控制开关观察在CP作用下输出端发光二极管的显示情况，验证开关的不同状态可以控制校时和校分。

K1 K2 A3 A2 A1 A0

表3 在开关控制下校时，发光二极管显示情况 3.1.4 报时电路的安装和调试

按照电路图接线。用CC4060的Q4和Q8分频得到高频和低频信

号。将时间起点钳在59分50秒，接入秒脉冲到秒计时器的个位片，听扬声器的响声。

TIME 扬声器发声 51 53 55 57 “嘟”低音 59 “嘀”高音

表4 CP作用下扬声器发声情况

3.2 安装调试过程中出现的问题及解决方法

1.首先接好一组60进制的秒计数器及其译码器和数码管，接入可控CP后，个位数字1—8均可以正常显示，但是数字9总是不能正常显示，数码管本应该亮的a、b和f没有亮起。通过逐个检查74LS90和74LS47，最终发现是47译码器内部问题，不能正常译出数字9。可以交换个位和十位的译码器，因为十位最高数字是5，不用显示数字9，这样就可以避免换一个新的译码器。

2.开始我们使用两片74LS90接成24进制计时器时，是使第一片为8进制第二片为3进制。后来发现第二片必须是十进制计数器，在此基础上，要使数字每次到达24就清零，只需要将个位片的A1管脚和十位片的A2管脚分别接到两个芯片的R01和R02管脚就可以实现。

3.接好报时电路后，发现不能发出声音。我们首先检查的是门电路之间的连接，发现没有问题，再检查各个芯片的工作情况时，发现有一个芯片本应该接电源的管脚接到了地线，改过后即可以正常工作。

4.第一次将校时电路接入后出现每到40就进位的现象，即校时电路干扰了基本电路的正常计时。后来用开关控制脉冲，分别进行校时和校分的，多次实验后则电路正常工作。

第四章结束语

这次电子技术课程设计完成了数字石英钟的基本功能，即计时、校时和整点报时。但是我认为通过对电路的进一步改良，还可以加入例如加入星期、月份的记录以及闹钟的功能。希望在今后的学习中，可以能有更多的机会接触这方面的理论和实践内容，做出功能更强大、稳定的电子产品。

这次课程设计我认为在以下几个方面收获最大：

1.首先是设计前对已学理论知识的巩固，以及对课程设计相关资料的收

集。

2.设计一共用了二十几块芯片，要将众多芯片合理的按照各个功能模块

放在面包板上，并且要用直而清晰的导线将各个管脚正确的连接起

来，这是非常考验我们动手能力和耐心的。在这个过程中，我们锻炼

了自己做事要专心致志，否则，若是不小心连错了一根，那么检查起

来是相当困难的。

3.当遇到问题和困难的时候，一定要保持冷静，慢慢检查，自己多思考、

多尝试，才能获得最终的成功。

4.通过和同学的互相合作，我也认识到，在设计的过程中要互相信任、

互相帮助、大胆指出对方的不足。通过课程设计，我们加深了相互间

的友情。

总的来说，数字钟是本次几个设计中原理比较简单的一个，但是它的组成部分和使用的芯片都是最多的，电路比较复杂，出现问题后分析起来也比较困难。所以我们采用了分模块完成的方法，逐个测试，一个模块确认正确之后才做下一个模块。通过这次设计，我们更加深入的掌握了数电的相关知识和电路设计的基本方法。增强了我们实践动手能力，以及理论结合实际的能力。同时，我们也深深认识到严谨、认真的科学态度在实验中发挥的重要作用。

元器件明细表 鸣谢

感谢信息院的罗桂娥老师，是她教我们电子技术基础知识，带我

们入门，也是她让我们喜欢上这门课程。这次电子课程设计，也特别感谢她对我们的指点和帮助。

感谢民主楼313实验室的老师，是她给我们提供设计用的元件、器材和良好的实验环境，并且在这几天的实验中随时随地给我们耐心的帮助。

感谢和我同组的问叶姗同学，愿意与我互相配合、信任我，共同完成这次设计。

感谢班级上的其他同学，在我们小组遇到问题向他们请教的时候，他们耐心的帮助，给了我不少实际的经验和帮助。

参考文献

1.陈明义.数字电子技术基础（第2版）.中南大学出版社.2005年2月

2.陈明义，宋学瑞.电工电子实验教程（修订版）.中南大学出版社.2002年7月