安徽工程大学数字逻辑课程设计-12时制电子钟

12时制数字显示电子钟

摘要：

数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时、日的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械转动装置等优点，因而得到了广泛的应用，例如人们日常生活中的电子手表，以及车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟等。。

数字钟是一个对标准频率（1HZ）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1HZ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数字钟。

数字电子钟由主体电路和扩展电路构成，分别完成数字钟的基本功能和扩展功能。 主体电路由石英晶体振荡体，分频器，计数器，译码器，显示器和校时器等组成。

关键词：振荡器，分频器，计数器，显示器，校时器

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目录

1．引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

2.方案论证与选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 3.单元电路的设计和元器件的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 3.1 T触发器的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 3.2 十进制电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.3 六进制电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 3.4 六十进制电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 3.5 双六十进制电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 3.6 十二进制电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 3.7 时间计数电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.8标志灯的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.9 主要元件选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4. 系统电路总图及原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 附录：系统电路原理图

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引言

数字电子技术是一门实践性很强的课程,加强工程训练,特别是技能的培养,对于培养工程人员的素质和能力具有十分重要的作用.在电子信息类本科教学中,电子技术课程设计是一个重要的实践环节,它包括选择课题,电子电路设计,组装,调试和编写总结报告等实践内容.通过课程设计要实现以下两个目标:第一,让学生初步掌握电子线路的试验,设计方法.即学生根据设计要求和性能参数,查阅文献资料,收集,分析类似电路的性能,并通过组装调试等实践活动,使电路达到性能指标;第二,课程设计为后续的毕业设计打好基础.毕业设计是系统的工程设计实践,而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用,从已学过的定性分析,定量计算的方法,逐步掌握工程设计的步骤和方法,了解科学实验的程序和实施方法,同时,课程设计报告的书写,为今后从事技术工作撰写科技报告和技术资料打下基础.。

本次我的课程设计是关于数字显示电子钟的设计，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。

因此，我们此次设计数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟。而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。

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2. 方案论证与选择

2.1 数字钟的系统方案

数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）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1HZ时间信号必须做到准确稳定。在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求，目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器，本次设计就是使用石英晶体多谐振荡器电路构成数字钟。

图1 数字电子钟方案框图

2.2 晶体振荡器电路

秒脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的脉冲。晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768HZ的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定，通过4020BD分频后可产生2Hz的脉冲，然后使用74LS74再进行一次分频，最后输出1Hz的脉冲，电容C1、C2

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与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从

而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。电路图如下图所示：

0VCC5VU231110MR~CPQ1Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12Q13Q149754613121415123X1VCC1R145-32.768kHzU25C150nF12C250nFU26144020BD_5V24U24A1Q5NOTNOT2~1PR1D101331CLK~1Q6R31.0kΩR41.0kΩ~1CLR174LS74D

图2 石英晶体振荡器（仿真电路）

2.3时间计数电路

一般采用十进制计数器如74HC290、74HC390、74LS161、74LS160等来实现时间计数单元的计数功能。这一部分均使用中规模集成电路74LS160实现秒、分的计数，使用T触发器和74LS160来实现时的计数，其中秒、分为六十进制，时为十二进制。其中，秒、分两组六十进制计数电路完全相同，当计数到59时，再来一个脉冲变成00，然后从新开始计数每一个计数器均有一个异步清零端，通过利用“异步清零”反馈到CLRN端而实现个位十进制，十位六进制的功能。

时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为十二进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行十二进制转换。高位由T触发器构成，低位由74LS160构成，控制T=1，当开始计数时，个位按十进制计数，当计到9时，高位为1，低位为0，如果高位为1，低位为2，则再有进位时将置为01.

2.4显示单元电路

选择共阴8段数码管作为显示单元电路。通过不同的元件输出端输出的端口接到数码管

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的端口进行显示。

2.5 校时电路

数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。如下图所示，图中有5个开关，第一个是单次脉冲开关，通过单击此开关可以实现对时间的改变，可以用鼠标点击，也可按键盘上的空格键，A、B、C、D四个开关分别控制上下午切换、时、分、秒，可以实现对时间的调整，当开关接在上面时实现自动校时功能，接在下面时实现手动校时功能，按下哪个开关，则实现对哪一部分的校时，可分别通过按键盘上对应的按键实现校时。

上下午标志自动_手动2Key = A小时自动_手动1Key = B5V分钟自动_手动1Key = C秒钟自动_手动2Key = DVCCVCC单次脉冲手动30Key = Space

图3校正电路

2.6 显示上、下午标志电路

标志灯起到作用是能显示上下午的标志，如果是上午则上面的灯亮，如果是下午则下面的灯亮，可用一个T触发器构成，控制T=1，当时计数器有进位输出时，T触发器的状态改变，从而使上下午标志灯发生改变。

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3. 单元电路的设计与元器件选择

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，可以由许多中小规模集成电路组成，所以可以分成许多独立的电路。

3.1 T触发器的设计

在某些应用场合下，需要这样一种逻辑功能的触发器，当控制信号T = 1 时每来一个时钟信号它的状态就翻转一次；而当T = 0 时，时钟信号到达后它的状态保持不变。具备这种逻辑功能的触发器称为T 触发器。它的特性表如表3.1.1所示

T 0 0 1 1 Q0 1 0 1 n Q0 1 1 0 表3.1.1

n1 从特性表写出T 触发器的特性方程为

Qn1=TQ+TnQn

它的状态转换图和逻辑符号如图3-1-1所示。

图3-1-1

事实上只要将JK触发器的两个输入端连在一起作为T 端，就可以构成T 触发器。正因为如此，在触发器的定型产品中通常没有专门的T 触发器。JK触发器的特性表及状态转换

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图如表3.1.2和图3-1-2所示：

J K 0 0 Qn Qn1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1

图3-1-2

T触发器仿真电路的设计

U3VCC5VDCD_HEX_BLUEXFG1VCC3U1SETTQ201CLKRESET~QT_FF

3.2 十进制电路的设计

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图3-2-1是中规模集成的同步十进制加法计数器74160 的逻辑图。它不仅有十进制计数的功能，又增加了同步预置数、异步置零和保持的功能。

图3-2-1

其状态转换表及状态转换图如下图所示

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由数码管、74160构成的十进制仿真电路如下图：

U2VCC5VU13456710ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO14131211153DCD_HEX_YELLOW654X2XFG1VCC019122 2.5 V74LS160D

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3.3 六进制电路的设计

六进制计数器可用74LS160十进制计数器改造而成，当计数计成Q3Q2Q1Q0=0110状态时，图中的与非门起到译码的作用，此时输出低电平可使计数器置零，六进制电路主要由74LS160、数码管组成。其仿真电路如下图：

U3NAND2DCD_HEX_BLUEVCC5VVCCXFG173456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKU2U1QAQBQCQDRCO14131211153524U4AND26X1 2.5 V0174LS160D

3.4 六十进制电路的设计

六十进制电路可由十进制电路和六进制电路进行级联组成；十进制电路作为低位，六进制电路作为高位，计数器从全0状态开始计时，当计入60个脉冲时经与非门使两个74LS60芯片同时置零，十进制电路每由两个数码管、两个74LS160芯片组成，电路如图

U2VCC5V3U13456710ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115U4DCD_HEX_BLUEDCD_HEX_BLUE2143456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLK7U3QAQBQCQDRCO1413121115812U5NAND2XFG1912VCC61090574LS160D74LS160D 3.5 双六十进制电路的设计

双六十进制电路可由两个六十进制电路进行级联组成，两个六十进制电路分别作为高位和低位，通过右边的进位输出端与左边的计数输入端进行连接，图中的与门与左边的六十进

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制电路连接起到进位输出的功能，双六十进制电路由四个数码管、四个74LS160芯片组成，电路如图

VCC5VDCD_HEX_BLUEDCD_HEX_BLUEU2U4VCC5VDCD_HEX_BLUEDCD_HEX_BLUEU7U9U33456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115U84323456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO141312111551314151679XFG2192074LS160DU13456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115068U51874LS160DU6111VCC12NAND2VCCU11103456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO14131211152122U10NAND274LS160DAND274LS160D17

3.6 十二进制电路的设计

十二进制电路可由一个T触发器和一个74LS160芯片组成，高位由T触发器构成，低位由74LS160构成，控制T=1，当开始计数时，个位按十进制计数，当计到9时，产生进位，，高位为1，低位为0，如果高位为1，低位为2，则再有进位时将置为01，十二进制电路如图

U3VCC5VDCD_HEX_BLUEDCD_HEX_BLUEU4VCCU2SETU19TQ1OR2CLK~QU83RESETT_FFAND2U63456710ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115U96512U5NAND2XFG1702912874LS160DNOR410

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3.7 时间计数电路的设计

时间计数电路是能够正确显示时间的电路，可由十二进制电路、双六十进制电路进行级联组成，其电路如图

U3VCC5VDCD_HEX_BLUEDCD_HEX_BLUEU4VCC5VDCD_HEX_BLUEDCD_HEX_BLUEU7U12VCC5VDCD_HEX_BLUEDCD_HEX_BLUEU15U17U2SETU12TQU1083456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115U1612131415XFG23456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115OR222232425CLK~QU89VCCAND2RESET17182829T_FF74LS160DU63456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO141312111502774LS160DU14U93546U5NAND2U20VCC3456710912ABCDENPENTU11QAQBQCQDRCO1413121115321920NAND2VCCU1916U1311213456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115U18NAND2AND2NOR4101~LOAD~CLRCLK774LS160D74LS160DAND2303174LS160D26

3.8标志灯电路的设计

标志灯是能显示上下午的标志，如果上午的话，则上面的红灯亮，下午则用下面的绿灯表示，通过T触发器的功能来实现上下午的转变，标志灯电路由一个T触发器和2个标志灯组成，其电路如图

上午 2.5 VVCC5V2下午2.5 V 013VCCXFG1TSETQU1CLKRESET~QT_FF

3.9 主要元件选择

1．共阴8段数码管6个；

2、CD4060集成块1块；

3、74LS74D集成块1块； 4、74LS160D集成块5块； 5、T_FF集成块2块； 6、标志灯2个；

7、R145_32..768KHz时钟晶体1个 8、50nF二极管2个；

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9、1K电阻2个； 10、开关4个；

11、非门、与非门若干；

4.系统电路总图及原理

将设计的各个单元电路进行级联，得到数字电子钟系统电路原理图见附录

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结论

看着自己设计、连线、调试成功的数字电子钟，很有成就感。真的很有收获，体会到了什么是学以致用，理论与实践的差别到底有多大。以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以前学的东西做出有实际价值的东西。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：怎么设计一个六十、十二进制计数器，如何实现校时的防抖动等等。但也遇到了不少的挫折，有时遇到了一个错误怎么找也找不到原因所在，找了老半天结果却是接头的方向接错了，有时更是忘接地了。在学习中的小问题在课堂上不可能犯，在动手的过程中却很有可能犯。特别是在连接电路时，一不小心就会犯错，而且很不容易检查出来。

我的动手能力又有了进一步的提高，我感到十分的高兴。同时学到了课本上没有的东西，也锻炼了自己独立解决问题的能力。这在以后的学习和生活中会有很大的用处。但是我还有不足，按照电路连接实物时，器件的摆放不够科学，最终导致了，只有自己能看懂电路的走向。不过我会在以后的学习中逐步提高，做一个动手能力强的大学生。

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致谢

通过一个星期的时间，我的课程设计划圆满的完成。本次的课程设计能够顺利的完成，仅是靠我本人单方面的努力是不行的，还得到老师和同学的帮助，在这里我要表示感谢。 首先，感谢学校提供给我们这么好的学习环境，在这样优越的环境下，对我课程设计的圆满完成有提供了硬件基础。

然后，也感谢张爱雪老师这学期对我们辛勤的教导以及在课程设计方面对我们的指导。 最后，还要感谢给予我帮助的同学，课程设计的圆满完成有你们的一份功劳。 在本次课程设计完成时，由衷的感谢帮助过我的人。

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参考文献

[1]：闫石，数字电子技术基础，高等教育出版社

[2]：杨志忠，华沙，电子技术课程设计，机械工业出版社

[3]：朱定华，现代数字电路与逻辑设计，清华大学出版社北京交通大学出版社 [4]：赵淑范，王宪伟，电子技术实验与课程设计，清华大学出版社

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