摘要
该数字电子钟由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、LED 显示器和校时电路组成, 采用了BCD-7段译码器CD4511、14级二进制串行分频器CD4060、集成十进制异步计数器74LS90、2输入四与非门74LS00等中小规模集成芯片。总体方案由主体电路和扩展电路两大部分组成，其中主体电路完成数字电子钟的基本功能，扩展电路完成数字电子钟的校时功能, 并进行了各单元及总体的设计和调试。
关键词: 石英晶体振荡器 分频器 计数器 译码器 LED显示器
Abstract
The digital electronic clock is made up of silicon crystal oscillator , frequency divider , number counter , decipherer , LED indicator and calibrated circuit , using BCD-to-7 Segment Decoder CD4511, 14-Stage Ripple Carry Binary Divider CD4060,Integrated Decimal Asynchronous Counter 74LS90, Quad 2-Input NAND Gates etc. medium-sized and small-sized integrated chips. The design for the overall project consists of two parts: the main circuit and the expanded circuit. The main circuit carries on the basic functions of the digital electronic clock and the expanded circuit carries on the function calibrating. Each unit is designed and the overall adjustment is performed.
Key words: silicon crystal oscillator; frequency divider; number counter; decipherer; LED
indicator
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目录
1 方案选择和系统设计 ................................................................................................................. 1
1.1 方案比较与确定 .............................................................................................................. 1 1.2 系统设计 .......................................................................................................................... 2 1.2.1 秒脉冲发生器 ......................................................................................................... 2 1.2.2 秒、分、时计数器 ................................................................................................. 3 1.2.3 译码显示电路 ......................................................................................................... 5 1.2.4 校时电路 ................................................................................................................. 7 1.2.5 系统电路 ................................................................................................................. 7
2 制作与调试 ................................................................................................................................. 3
2.1 主要仪器和仪表 .............................................................................................................. 9 2.2制作与调试过程中的故障及排除 ................................................................................... 9 2.3 电路性能测试 .................................................................................................................. 9 结束语 ........................................................................................................................................... 10 元器件明细表 ............................................................................................................................... 11 参考文献 ....................................................................................................................................... 12
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数字电子钟设计
1 方案选择和系统设计
1.1 方案比较与确定
方案一：采用555定时器构成多谐振荡器，产生1Hz的脉冲直接充当数字电子钟的秒脉冲。选用CMOS4位同步二进制加计数器74LV161分别构成六进制、十进制和二十四进制计数器，来构成秒、分、时计数器。选用BCD-7段译码器CD4511作为译码输出并将时、分、秒显示在LED显示器上。校时电路与报时电路主要由门电路构成，选用74LS系列集成电路。图1-1-1为数字电子钟的系统框图。
图1-1-1 数字电子钟系统框图
时显示 分显示 秒显示
译码器 译码器 译码器 时计数器 分计数器 秒计数器 校时电路 555定时器 方案二：采用石英晶体振荡器产生固定频率的脉冲，经分频器分频后充当数字电子钟的秒脉冲，分频器用14级二进制串行分频器CD4060及双D触发器74LS74构成。选用集成十进制异步计数器74LS90分别构成六进制、十进制和二十四进制计数器，来构成秒、分、时计数器。选用BCD-7段译码器CD4511作为译码输出并将时、分、秒显示在LED显示器上。校时电路与报时电路主要由门电路构成，选用74LS系列集成电路。图1-1-2为数字电子钟的系统框图。
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时显示 分显示 秒显示
译码器 译码器 译码器 时计数器 分计数器 秒计数器 校时电路 晶体振荡器 分频器 图1-1-2 数字电子钟系统框图
555定时器虽然成本低且构成多谐振荡器的电路结构简单，但其产生的脉冲在精确性和稳定性上都不如石英晶体振荡器，且选用R145-32768Hz的石英晶振时可选用14级二进制串行分频器CD4060，直接分频至2Hz，再经二分频后充当秒脉冲。集成十进制异步计数器74LS90本身带有置0和置9功能，构成计数器时不用另外添加门电路，而74LV161则需添加门电路。故选择方案二。
1.2 系统设计
1.2.1 秒脉冲发生器
C11112VCC5VVCC~1PR 1 4 2 1DU22A 1Q 5 1Hz U23RSRTCCTCO13O12O11O9O8O7O6O5O4O3 0C210pF5R43X1¸R145-32.768kHz15m¦R46330k¦¸MR10pF4060BD_5V74LS74N31CLK~1Q6~1CLR10932115131464574 321图1-2-1-1 秒脉冲发生器电路
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秒脉冲发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字电子钟的质量。选用高精度和高稳定度的石英晶体振荡器发出脉冲，经过分频获得1Hz的秒脉冲。该设计选用标称频率为32768Hz的石英晶振，通过15次二分频后获得1Hz的脉冲输出。电路图如图1-2-1-1所示，74LS74的5脚输出1Hz秒脉冲。集成芯片CD4060是14级二进制串行分频器，其引脚图和内部结构图分别如图1-2-1-2和图1-2-1-3所示。双D触发器74LS74的引脚图如图1-2-1-4所示。
图1-2-1-2 CD4060引脚图 图1-2-1-4 74LS74引脚图
图1-2-1-3 CD4060内部结构图
1.2.2 秒、分、时计数器
利用6片集成十进制异步计数器74LS90分别构成2个六十进制和1个二十四进制计数器，充当秒、分、时计数器。由于74LS90本身带有置0和置9功能，因而不需外加门电路即可实现清0功能。74LS90的引脚图和功能表如图1-2-2-1和表1-2-2所示。当Q0
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和CLK1相连时，其功能为8421BCD码十进制计数器。当MR1和MR2全为高电平时，计数器置0；当MS1和MS2全为高电平时，计数器置9。因此秒个位和分个位计数器直接将74LS90的12脚与1脚相连构成，而秒十位和分十位由74LS90构成六进制计数器，即将其9、8脚分别接2、3脚。时计数器为二十四进制计数器，可将时个位芯片的8脚接时个位和时十位芯片的2脚，将时十位芯片的9脚接时个位和时十位芯片的3脚构成。进位时，由于74LS90的时钟脉冲是下降沿触发的，可将低位计数器的输出最高位与高位计数器的时钟脉冲相连，当低位计数器的输出最高位由高电平变为低电平时触发高位计数器计数，实现进位。秒、分、时计数器分别如图1-2-2-2、图
1-2-2-3、图1-2-2-4所示。
图1-2-2-1 74LS90引脚图
表1-2-2 74LS90功能表
接译码器 接译码器
129811129811
U154R91R92U18R91R9267QAQBQCQD5174LS90NINAINBR01R02141274LS90NINAINB141R01R0223236703 接秒脉冲 图1-2-2-2 秒计数器
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QAQBQCQD武汉理工大学《电子技术综合》课程设计说明书
接译码器 接译码器
129811
5174LS90NINAINBR01R02141U94R91R92129811U12R91R9267QAQBQCQD274LS90NINAINB141R01R0223236703 接秒十位芯片8脚 图1-2-2-3 分计数器
接译码器 接译码器
129811129811
4U35R91R92QAQBQCQDU6R91R9267QAQBQCQD174LS90NINAINBR01R021412INAINB1412367323R01R02QAQBQCQD74LS90N0 接分十位芯片8脚 图1-2-2-4 时计数器
1.2.3 译码显示电路 g f GND a b
. e d GND c h
图1-2-3-1 CD4511引脚图 图1-2-3-2 LG5011引脚图
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译码是把给定的代码进行翻译, 将时、分、秒计数器输出的四位二进制代码翻译为相应的十进制数, 并通过LED 显示器显示。在此，我们采用BCD-7段译码器CD4511，数字显示用共阴极半导体数码管LG5011，其引脚图分别如图1-2-3-1、图1-2-3-2所示，译码器CD4511的功能表如表1-2-3所示。限流电阻采用470Ω电阻，图1-2-3-3为CD4511与数码管组成的秒译码显示电路，分译码显示电路、时译码显示电路与
VCC5VVCCR43R44R45R46R47R48R49470Ω470Ω470Ω470Ω470Ω470Ω470ΩCKU3CKU9ABCDEFGABCDEFG85878990919293R50R51R52R53R54R55R56470Ω470Ω470Ω470Ω470Ω470Ω470Ω868894959697981312111091514991011031041051061071001021081091101111121312111091514OAOBOCODOEOFOGU64511BP_5V~EL~BI~LTDADBDCDDU124511BP_5V~EL~BI~LT543DADBDCDD712671260其相同。 图1-2-3-3 秒译码显示电路
表1-2-3 CD4511功能表
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543OAOBOCODOEOFOG武汉理工大学《电子技术综合》课程设计说明书
1.2.4 校时电路
校时电路分秒校时、分校时和时校时电路，如图1-2-4-1所示。开关J3、J4、J5分别为秒校时、分校时和时校时开关，J1为校时按键。当秒、分、时校时开关拨到校时档时，每按一下校时开关，相应数字增加1。为了增加开关的稳定性，用异或门组成了防抖开关，使用了集成芯片74LS00，引脚图如图1-2-4-2所示。
图1-2-4-2 74LS00引脚图
J1校时按键041R110k¦¸U121AVCC1B4A1Y4B2A4Y2B3A2Y3BGND3YVCC5VVCCKey = Space74LS00DR23接分十位芯片8脚J2Key = B接秒十位芯片8脚J3Key = C接分个位芯片14脚接秒个位芯片14脚10k¦¸接秒脉冲J4Key = A接时个位芯片14脚图1-2-4-1 校时电路
1.2.5 系统电路
将秒脉冲发生电路、秒计数器、分计数器、时计数器、译码显示电路和校时电路分
别进行仿真，并组成数字电子钟系统电路图，如图1-2-5所示。
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000000R3R4R5R6RR78R9474074¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸7¦0¸¦¸2224303132333413121110915141312111091514131211109151413121110915141312111091514OAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGU34511BP_5VDADBDCDD~EL~BI~LTDADBDCDD~EL~BI~LTDADBDCDD~EL~BI~LTDADBDCDD~EL~BI~LTU64511BP_5VU94511BP_5VU124511BP_5VU154511BP_5VU184511BP_5VDADBDCDD~EL~BI~LTDADBDCDD7126543~EL~BI~LT71265437126543712654371265437126VCC543OAOBOCODOEOFOG1312111091514129811129811129811129811129811QAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQDU43574LS90N74LS90NINAINBINAINBR01R02R91R92R01R02R91R92INAINBR01R02R91R92U7115105516874LS90NU10U132074LS90N10834U1674LS90NINAINBR01R02R91R92QAQBQCQD129811 U5CKCKCKCK U8U11U14U17CKABCDEFGABCDEFGABCDEFGABCDEFGABCDEFGCK 21232526272829R1R71R8R19R202R12R223474074¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸7¦0¸¦¸373945464748495355616263646570727879808182R2R4R252R6R272R8R2930474074¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸7¦0¸¦¸RR31R323R3R343R5R3637474074¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸7¦0¸¦¸RR383R9R404R1R424R544474074¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸7¦0¸¦¸8688949596979836384041424344525456575859606971737475767785878990919293VCC11150676683010909U1910174LS90NINAINBR01R02R91R92U2ABCDEFG57910111213681415161718 R1R0R11R121R31R4R1516474074¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸74¦0¸7¦0¸¦¸ 5V11129INAINBR01R021412367R91R9214123671412367141236714123671412367武汉理工大学《电子技术综合》课程设计说明书
1112RSMRRTCCTC109Key = Space12074LS00DR481041¸102k1¦32115131464571AVCC1B4A1118Y4B2A4Y2B3A2Y3BGND3YVCCO13O12O11O9O8O7O6O5O4O3图1-2-5 数字电子钟系统电路图
107VCCR47J5U20¸11190k¦5VC110pF109102U23R43X1¸R145-32.768kHz15m¦1240C210pF117R46116330k¦¸1234060BD_5VJ7Key = BJ8Key = C122 8
10811410604~1PR21D1250VCCVCC1135VU22A1Q74LS74N31CLK~1Q~1CLR561101J6Key = A武汉理工大学《电子技术综合》课程设计说明书
2 制作与调试
2.1 主要仪器和仪表
制作过程中主要用到的仪器为示波器和函数发生器，仪表为万用表。示波器用于显示
秒脉冲发生电路的输出和计数器的输出，但是由于该示波器只有CH1和CH2两个通道，在观察计数器输出时需分多次观察。函数发生器提供1Hz的脉冲波用于检测秒、分、时计数器电路的性能。万用表用于测试数码管的引脚分布，测电阻值、电容值，测试部分引脚电压等。
2.2 制作与调试过程中的故障及排除
开始我们使用的是面包板，且直接连接了系统电路后进行调试，结果失败了。检查确定连线无误后，我们对各单元电路进行检查，还是失败了。后来，我们发现面包板的许多管脚没有连通，且导线有断开现象，于是改焊电路板。
焊电路板时，我们对单元电路进行逐个焊接并调试。调试秒计数器电路时，发现在连线无误且秒脉冲发生电路正常工作的情况下计数器仍然无法正常工作，经检查发现芯片损坏。由于焊了芯片插座，更换芯片方便快捷。重新更换芯片后，电路正常工作。其他单元电路的制作与调试过程较顺利，整个数字电子钟系统也正常工作。
2.3 电路性能测试
秒脉冲发生电路能输出较稳定的1Hz脉冲，秒计数电路与分计数电路均能较好地实现六十进制计数，时计数电路实现二十四进制计数，译码显示电路也正常工作。接通电源后数字电子钟自动显示时间，将秒校开关拨到校时档时，每按校时按键一下，秒个位加1，而此时分和时仍正常工作，不受影响。分校时和时校时与此相同，电路可实现独立校时，分校正时不影响时和秒的正常计数。 总体来说，整个数字电子钟电路性能较良好。
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结束语
本次课程设计，在提高了我们查阅资料、动手、设计电路能力的同时也巩固了所学的
数字电路相关知识，并获得了一些心得体会。
制作前应先检查元器件的性能是否良好，制作时应分单元电路逐个实现并调试，再将单元电路连成系统电路进行调试。由于面包板老化后管脚连通状况较差，故选择焊接电路板。焊接时应注意先预热、使用正确的焊接姿势及操作过程，也要注意安全。焊接芯片时最好先焊上芯片插座，以方便芯片的检查、更换等。
另外，系统在运行时有一定的误差, 其原因可能与晶体振荡的特点有关, 同时与芯片的内部结构有关。有时会出现跳字现象, 解决这些误差的方法是提高石英晶体振荡器的稳定性及使用精度和稳定度较高的芯片、电容等器件。
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元器件明细表 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 名 称 石英晶体振荡器 14级二进制串行分频器 双D触发器 集成十进制异步计数器 BCD-7段译码器 LED显示器 2输入四与非门 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 单刀双掷开关 按键 导线 型 号 R145-32768Hz CD4060 74LS74 74LS90 CD4511 LG5011AH 74LS00 15MΩ 470Ω 330KΩ 10KΩ 10pF 数 量 1个 1片 1片 6片 6片 6片 1片 1个 42个 1个 2个 2个 3个 1个 若干
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参考文献
[1]赵淑范.数字电子钟的设计.长春大学学报,2004
[2]谢自美.电子线路设计.华中科技大学出版社，2000，5：232-240 [3]康华光.电子技术基础数字部分.高等教育出版社，2005 [4]祁存容.电子技术基础实验.武汉理工大学教材中心.2007 [5]董良杰.简易数字电子钟的制作.山西广播电视大学学报.1999 [6] http://www.21icsearch.com/
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