一、设计任务与要求
1. 能直接显示“时”、“分”、“秒”十进制数字的石英数字钟。 2. 可以24小时制或12小时制。
3. 具有校时功能。可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时
进位。校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟。 4. 整点能自动报时，要求报时声响四低一高，最后一响为整点。 5. 走时精度高于普通机械时钟（误差不超过1s/d）。
二、方案设计与认证
1、课题分析
数字时钟一般由6个部分组成，其中振荡器和分频器组成标准的秒信号发生器，由不同进制的计数器，译码器和显示器组成计时系统。秒信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示出来。“时”显示由二十四进制计数器、译码器和显示器构成，“分”、“秒”显示分别由六十进制计数器、译码器构成。其原理框图如图1所示。
时显示器 分显示器 秒显示器 时译码器 分译码器 秒译码器 整点报时电路 时计数器 分计数器 秒计数器 校时电路 分频器 振荡器 图1
2、方案认证 （1）振荡器
振荡器是计时器的核心，主要用来产生时间标准信号，也叫时基信号。数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及稳定度。振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大。一般采用石英晶体振荡器经过分频后得到这一信号，也可采用由555定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号。 （2）分频器
振荡器产生的时基信号通常频率都很高，要使它变成能用来计时的“秒”信号，需由分频器来完成。分频器的级数和每级的分频次数要根据时基频率来定。例如，目前石英电子钟多采用32768 Hz的标准信号，将此信号经过15级二分频即可得到周期为1s的“秒”信号。也可选用其他频率的时基信号，确定好分频次数后再选择合适的集成电路。 （3）计数器
数字钟的“秒”、“分”信号产生电路都由六十进制计数器构成，“时”信号产生电路由二十四进制计数器构成。“秒”和“分”计数器用两块十进制计数器来实现是很容易的，它们的个位为十进制，十位为六进制，这样，符合人们通常计数习惯。“时”计数也可以用两块十进制计数器实现，只是做成二十四进制。上述计数器均可用反馈清零法来实现。 （4）译码显示电路
因本设计选用的计数器全部采用二－十进制集成块，因而计数器的译码显示均采用BCD－七段显示译码器，显示器采用共阴极或共阳极的七段显示数码管。 （5）校时电路
在刚开机接通电源或计时出现误差时，都需要对时间进行校正。校“时”电路的基本原理是将周期为0.5s的脉冲信号直接引进“时”计数器，同时将“分”计数器置零，让“时”计数器快速计数，在“时”的指示达到需要的数字后，切断0.5s的脉冲信号。 （6）整点报时电路
数字钟整点报时是最基本的功能之一。此电路要求每当“分”和“秒”计数器计到59分50秒时，便自动驱动音响电路，在10s内自动发出5次鸣叫声。要求
每隔1s叫一次，每次持续时间为1s，共响5次，并且前四次为低音，最后一响为高音，此时计数器正好为整点（“0”分“0”秒）。
三、单元电路设计与参数计算 （1） 振荡器及分频器
方案一：
石英晶体的振荡频率为4 MHz，不能用来作为数字时钟的输入信号，必须将它变为1s的脉冲信号。所以，还要对时钟进行分频。由图2可知，4MHz晶振的输出送到U1芯片分频。U1芯片选用MCI4064 14级二分频器，由输出端Q14得到214分频的脉冲信号，fQ14＝4 MHz/214=4 MHz/16384≈244.141Hz。再经U2（仍选用MCI4060）芯片进行2分频，由输出端Q8可得到周期为1s的脉冲信号，fQ8＝244.141Hz/256≈0.594Hz，其周期为1/ fQ8=1/0.594Hz≈1.048s。可以用U1芯片的Q12、Q13端为整点报时提供频率分别为1000Hz和500Hz的信号，因为fQ12=4/212M Hz=4/4096MHz=976.56Hz, fQ13=4/213MHz=4/8192MHz=488.281。
8
方案二：
图3中采用555定时器与RC组成的多谐振荡器，振荡频率f0=1KHz。Rp为可调电位器，微调Rp可以调整振荡器的输出频率f0。电路的振荡周期T0＝t1+t2=1ms,其中t1=0.7(R1+R2+Rp)C2,t2=0.7R2C2。如果选定脉冲占空比q=t1/T0=0.6，则t1=0.6T0=0.6ms,t2=T0-t1=0.4ms。若选择电容C2＝0.1uF，则R2=t2/0.7C2=0.4×10-3/0.7×0.1×10-6Ω=5.17kΩ，取标称阻值R2＝5.1 kΩ。由R1+Rp=(t1/0.7C2)-R2=[0.6×10-3/0.70.1×10-6]-5.1×10-3 Ω=3.47 kΩ，可取R1＝3 kΩ，Rp=2 kΩ。
555定时器构成多谐振荡器产生的1KHz振荡频率，需要用功片74LS90组成的十进制计数器进行级联后分频，每片均为十分频电路，经过3片74LS90级联后，可获得周期为1s的脉冲信号，如图3所示。
（2）时、分、秒计数电路
有了秒脉冲信号，则可按照60s为1min，60min为1h，24h为一天来设定时、分、秒计数电路。分和秒计数器都是模为60的计数器，采用中规模集成电路十进制计数器至少需要两片。“秒”个位计数器的时钟CP信号是由分频器提供的周期为1s的脉冲信号，“分”个位计数器的CP信号是由秒计数器提供的进位信号，“分”计数器的进位信号送至“时”个位计数器的CP端。它们的个位是十进制计数器，而十位是六进制计数器，其计数规律为00—01—„—58—59—00„，当计满60时产生一个进位信号。因此，可选用一片双重BCD加法计数器CC4518。采用反馈清零的方法实现六十进制计数器，其电路如图4所示。
“时”计数器是二十四进制计数电路，也可选用一片CC4518采用反馈清零的方法实现二十四进制。其电路如图5所示。
（3）译码显示电路
译码显示电路的功能是将“时”、“分”、“秒”计数器输出的4位代码翻译并显示相应的十进制数的状态，通常译码器和显示器是配套使用的，如果选用共阴极发光二极管数码显示器BS201/202，则译码显示电路可采用CC4511BCD七段译码驱动器。其引脚排列如图6所示。
（4）校时电路
校时电路如图7所示。3个控制开关S1、S2、S3分别用来实现“时”、“分”、“秒”的校准。开关处于正常位置时，分别接高电平，门3、门6、门8被封锁，校准信号不能通过3个门，所以“时”、“分”、“秒”的计数器按正常计数。
当按下S1至“校时”位置时，S1闭合，门3打开，由分频器CC4060送来0.5s的脉冲信号直接进入“时”计数器，使小时指示每0.5s计一个字，达到快速校时的目的，同时0.5s的脉冲信号送入“分”计数器的置0端，使“分”置0。“时”校准后，放开开关S1。
当按下开关S2至“校分”位置时，和“校时”的原理一样，将0.5s的脉冲信号直接送入“分”计数器的CPA端的“秒”计数器的置0端，使“分”指示快速计数，同时将“秒”计数器置0。“分”校准后，放开开关S2.
“秒”校准控制着一个RS触发器（实际电路可用双D触发器74LS74集成块中的一个D触发器来实现RS的功能）的状态。当S3处于正常位置时，触发器置“1”，Q/端输出低电平，关闭门8，Q端输出高电平，使门7打开，“秒”信号正常进入“秒”计数器，使时钟正常计时。当按下开关S3至“校秒”位置则触发器置“0”，Q端输出低电平，关闭门7，Q/端输出高电平，打开门8使0.5s的脉冲信号进入“秒”计数器，此时，“秒”计数器快速计时，待“秒”校准后，放开按键S3，使其恢复正常位置。
（5）整点报时电路
整点报时电路如图8所示，包括控制门电路和音响电路两部分。
第一部分为控制门电路部分。当“分”和“秒”计数器计到59分50秒时，从59分50秒到59分59秒之间，只有“秒”个位在计数，而“秒”的十位，“分”的个位，“分”的十位中C＝QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不变。将它们相与，即C＝QC4QA4QD3QA3QC2QA2作为控信号，去控制门15和门16。在每小时的最后10s内C＝1。门15输入端加有频率2048Hz的信号B（可取自分频器CC4060的Q4端），同时又受QD1和QA1的控制，即C在59s时，QD1QA1C＝1，门16被关闭，门15打开，B信号通过门15；门16输入端加有频率1024Hz的信号A（可取自分频器Q5端），同时又受QD1和QA1控制，即C在51s、53s、55s、57s时，QD1/ QA1C＝1,门15被关闭，门16打开，A信号通过门16。则Z＝QD1QA1CB+ QD1/ QA1CA，即可实现前四响为1024Hz的低音，后一响为2048Hz的高音，最后一响完毕正好整点。
第二部分为音响电路部分。该电路选用射极跟随器，推动扬声器发声。三极管选用高频小功率管3DG4，三极管基极串联2 kΩ限流电阻，是为了防止电流过大烧坏扬声器。报时所需的2048Hz和1024Hz音频信号，分别取自分频电路。
四、总原理图及元器件清单
1、总原理图
2、元件清单 序号 元器件名称 1 石英晶体振荡器 2 十进制计数器 3 共阴极七段译码驱动器 4 四2输入与非门 5 双4输入与非门 6 14位二进制计数器/分频器和振荡器 7 双D边沿触发器 8 数码管 9 三极管 10 电阻 11 扬声器 12 开关 规格型号 32768Hz CC4518 CC4511 74LS00 74LS20 CC4060 74LS74 BS201 3DG4 100KΩ、200KΩ 数量 1 3 6 6 2 1 1 6 1 1、48 1 3 备注 五、安装与调试
按照数字钟的电路逻辑图进行安装。注意走线整齐，布线合理，器件的悬空端、清0端、置1端要正确处理等。然后根据先局部后整机的原则，按照系统所划分的功能模块，沿着信号的流向，分级进行调试。调试步骤如下：
（1）接通电源逐级调试。如果出现错误，可先检查各芯片的电源线是否接上，并保证有正常的工作电压。
（2）用万用表在CC4060的3脚测量输出电压，若指针左右摆动，且周期为0.5s，则正常。同样，用万用表测分频电路的输出信号，若为1s，则正常。
（3）检查各级计数器的工作情况。将“秒”信号送入“秒”计数器，检查个位、十位是否按10s、60s进位，若不能正常显示，则需检查计数器CC4518、译码驱动器CC4511和数码管的工作状态。若不能正常进行60进制，则需检查产生清零信号的74LS00芯片是否正常。可按同样方法检查“分”和“时”计数器的工作情况。
（4）检查校时电路的工作情况是否满足校时要求，若不正常，则需检查74LS00及74LS74芯片的工作状态。
（5）将时间调整到59分50秒，观察整点报时电路能否正常工作，若不正常，则需检查相应的74LS20芯片的工作状态。
（6）当所有功能模块调整好后，再进行整机联调，直至数字钟能进行正常工作。
六、结论与心得
经测试，该设计结果符合实验要求 要做好该实验还要注意以下事项：
1. 要求学生根据原理和芯片引脚图，分功能设计原理图，并根据接线顺序分
步骤验证。
2. 容易出现故障为接触不良。
a) 集成块引脚方向预先弯好对准面包板的金属孔，再小心插入。 b) 导线的剥线长度与面包板的厚度相适应（比板的厚度稍短）。
c) 导线的裸线部分不要露在板的上面，以防短路。 d) 导线要插入金属孔中央。
3. 按照原理图接线时首先确保可靠的电源和接地。 4. 注意芯片的控制引脚必须正确接好。
5. 检查故障时除测试输入、输出信号外，要注意电源、接地和控制引脚。 6. 要注意芯片引脚上的信号与面包板上插座上信号是否一致（集成块引脚与
面包板常接触不良）。
7. 为了便于测试，可将2Hz信号直接输入到各级计数器。
8. 接校时电路时可接模拟信号输入（如1Hz和2Hz）测试输出信号的切换正
确后，再将秒进位和分进位信号接到校时电路，再接校时电路输出到分计数器和时计数器。从较时电路接入信号时，必须将原进位信号拔掉。 心得体会：
通过这十几课程设计，使我们重新学习了模电和数电知识，学会了将理论与实践结合了起来。感觉到知道的搜集和综合的必要性。除此之外，还特别学会了pretel画图软件。
当然仅仅通过这几天的学习还远远不够的，现在学的只是个入门，但我对它已经有了浓厚的兴趣，可以肯定的是今后我会进一步深入去学习它，达到应用实践的目的。
八、参考文献
彭介华主编：《电子技术课程指导》，高教出版社，2007年出版。 高吉祥主编：《电子技术基础实验与课程设计》，电子工业出版社，2005年版。 谢自美主编：《电子线路实验.设计.测试》第三版.武汉：华中科技大学出版社，2000.7。
陈大钦主编：《电子技术基础实验－电子电路实验、设计、仿真》，高教出版社。
孙丽霞主编：《电子技术实践及仿真》，高教出版社，2005年版。 王传新主编：《电子技术基础实验－分析、调试、统合设计》，高教出版社，2006年版。
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