数字电子钟的设计
一、绪论
（一）前言
20世纪末，电子技术获得了急速的发展，在其带动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地促进了社会生产力的发展和社会信息化程度的提升，同时也使现代电子产品性能进一步提升，产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是这么宝贵，工作的繁忙性和繁琐性容易使人忘掉当前的时间。忘掉了要做的事情，当事情不是很重要的时侯，这些遗忘无伤大雅。而且，一旦重要事情，一时的耽搁可能酿成大祸。诸如，许多起火都是因为人们一时忘掉了关掉燃气或是忘掉充电时间。尤其在诊所，每次护士就会给患者作皮试，测试患者是否对抗生素过敏。注射后，通常等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验都会无效。腕表其实是一个好的选择，而且，随着接受皮试的人数降低，究竟是那个人的皮试到时间却无法判定。所以，要制做一个定时系统。随时提醒那些容易忘掉时间的人。
挂钟的数字化给人们生产生活带来了极大的便捷，并且大大地扩充了挂钟以前的报时功能。例如定时手动报案、按时手动打铃、时间程序手动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烤箱、通断动力设备，甚至各类定时电气的手动启用等，所有那些，都是以挂钟数字化为基础的。因而，研究数字钟及扩大其应用，有着十分现实的意义。
（二）论文的研究内容和结构安排
本系统采用石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。由LED数码管来显示混频器所输出的讯号。采用了74LS系列中小规模集成芯片。使用了RS触发器的校时电路。总体方案设计由主体电路和扩充电路两大部份组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩充电路完成数字钟的扩充功能。论文安排如下：
1、绪论论述研究电子钟所具有的现实意义。
2、设计内容及设计方案阐述电子钟的具体设计方案及设计要求。
3、单元电路设计、原理及元件选择说明电子钟的设计原理以及元件的选择，主要从石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路五个方面进行说明。
4、绘制整机原理图该系统的设计、安装、调试工作全部完成。
二、设计内容及设计方案
（一）设计内容要求
1、设计一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示且有校时功能的电子钟。
2、用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试。
3、画出框图和逻辑电路图。
4、功能扩充：
(1)闹铃系统
(2)整点报时。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频讯号，在59分59秒时，输出1000Hz讯号，音像持续一秒，在1000Hz音像结束时刻为整点。
(3)月历系统。
（二）设计方案及工作原理
数字电子钟的逻辑框图如图1所示。它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器形成稳定的高频脉冲讯号,作为数字钟的时间基准,之后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器根据“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经混频器送显示器显示。计时出现偏差时,可以用校时电路校时、校分。
图1数字电子钟逻辑框图
三、单元电路设计、原理及元件选择
（一）石英晶体振荡器
1、重要概念的解释
(1)反馈：将放大电路输出量的一部份或全部，通过一定的方法送回放大电路的输入端。
(2)耦合：是指讯号由第一级向第二级传递的过程。
2、石英晶体振荡器的具体工作原理
石英晶体振荡器的特性是振荡频度确切、电路结构简单、频率易调整。它被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各种振荡电路中。它还具有压电效应：在晶体某一方向加一电场，晶体还会形成机械变型；反之，若在晶圆的右侧施加机械压力，则在晶圆相应的方向下将形成电场，这些化学现象称为压电效应。在这儿，我们在晶体某一方向加一电场，因而在与此垂直的方向形成机械震动，有了机械震动，都会在相应的垂直面上形成电场，因而使机械震动和电场互为因果，这些循环过程仍然持续到晶体的机械硬度限制时，才达到最后稳定，这些压电谐振的频度即为晶体振荡器的固有频度。
用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图2所示。借助两个非门G1和G2自我反馈，使它们工作在线性状态，之后借助石英晶体JU来控制振荡频度，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内阻R1和R2作为负反馈器件用，因为反馈内阻很小，可以近似觉得非门的输出输入压降相等。电容C2是为了避免寄生振荡。诸如：电路中的石英晶体振荡频度是4MHz时，则电路的输出频度为4MHz。
图2石英晶体振荡电路
(二)分频器
1、8421码制,5421码制
用四位二补码码的十六种组合作为代码，取其中十种组合来表示0-9这十个数字符号。一般，把用四位二补码数码来表示一位十补码数称为二-十补码编码，也称作BCD码，见表1。
表1
8421码5421码
000000000
100010001
200100010
300110011
401000100
501011000
601101001
701111010
810001011
910011100
2、分频器的具体工作原理
因为石英晶体振荡器形成的频度很高，要得到秒脉冲，须要用分频电路。诸如，振荡器输出4MHz讯号，通过D触发器（74LS74）进行4分频弄成1MHz,之后送到10分频计数器（74LS90,该计数器可以用8421码制，也可以用5421码制），经过6次10分频而获得1Hz方波讯号作为秒脉冲讯号。（见图3）
图3分频电路
3、图中标志的含意
CP——输入的脉冲讯号
C0——进位讯号
Q——输出的脉冲讯号
(三)计数器
秒脉冲讯号经过6级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60补码，小时为24补码。
1、60补码计数器
(1)计数器按触发形式分类
计数器是一种累计时钟脉冲数的逻辑部件。计数器除了用于时钟脉冲计数，还用于定时、分频、产生节拍脉冲以及数字运算等。计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。按触发方法，把计数器分成同步计数器和异步计数器两种。对于同步计数器，输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的，而异步计数器中的触发器的翻转则不是同时。
(2)60补码计数器的工作原理
“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60补码，它由一级10补码计数器和一级6补码计数器联接构成，如图4所示，采用两片中规模集成电路74LS90串接上去构成的“秒”、“分”计数器。
图460补码计数电路
IC1是十补码计数器，QD1作为十补码的进位讯号，74LS90计数器是十补码异步计数器，用反馈归零方式实现十补码计数，IC2和与非门组成六补码计数。74LS90是在CP讯号的增长沿翻转计数，QA1和QC2相与0101的增长沿，作为“分”（“时”）计数器的输入讯号，通过与非门和非门对下一级计数器送出一个高电平1（在此之前输出的仍然是低电平0）。QB2和QC2计数到0110，形成的高电平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，此时传给下一级计数器的输入讯号又变为低电平0，因而给下一级计数器提供了一个增长沿，使下一级计数器翻转计数，在这儿IC2完成了六补码计数。由此可见IC1和IC2串联实现了六十补码计数。
其中：74LS90——可二/五分频十补码计数器
74LS04——非门
74LS00——二输入与非门
2、24补码计数器
小时计数电路是由IC5和IC6组成的24补码计数电路，如图5所示。
当“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发讯号时，IC5计数器手动清零，进位端QD5向IC6“时”十位计数器输出进位讯号，当第24个“时”(来自“分”计数器输出的进位讯号)脉冲抵达时，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，进而完成24补码计数。
图524补码计数电路
(四)解调与显示电路
1、显示器原理（数码管）
数码管是数码显示器的俗名。常用的数码显示器有半导体数码管，萤光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。
本设计所选用的是半导体数码管，是用发光晶闸管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光晶闸管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阳极两种类型。共阳极数码管的七个发光晶闸管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阳极数码管与共阳极数码管相反，七个发光晶闸管的阴极接在一起，而阳极是独立的。
当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的晶闸管发光，可按照字形使某几段晶闸管发光，所以共阳极数码管须要输出低电平有效的解调器去驱动。共阳极数码管则需输出高电平有效的解调器去驱动。
2、译码器原理（74LS47）
解调为编码的逆过程。它将编码时赋于代码的涵义“翻译”过来。实现解调的逻辑电路成为检波器。混频器输出与输入代码有惟一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形混频器，它在这儿与数码管配合使用，表2列举了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。
表2
输入输出显示数字符号
LT(——)RBI(——-)A3A2A1A0BI(—)/RBO(———)
a(—)b(—)c(—)d(—)e(—)f(—)g(—)
110000100000010
1X0001110011111
1X0010100100102
1X0011100001103
1X0100110011004
1X0101101001005
1X0110111000006
1X0111100011117
1X1000100000008
1X1001100011009
XXXXXX01111111熄灭
10000001111111熄灭
0XXXXX100000008
(1)LT(——)：试灯输入，是为了检测数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT(——)=0时，无论输入A3，A2，A1，A0为什么种状态，混频器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。
(2)BI(—)：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI(—)=0时。不论LT(——)和输入A3，A2，A1，A0为什么种状态，混频器输出均为高电平，使共阳极数码管熄灭。
(3)RBI(——-)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3=A2=A1=A0=0时，本应显示0，并且在RBI(——-)=0作用下，使混频器输出全为高电平。其结果和加入灭灯讯号的结果一样，将0熄灭。
(4)RBO(———)：灭零输出，它和灭灯输入BI(—)共用一端，二者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。
3、译码器与显示器的配套使用
混频是把给定的代码进行翻译，本设计即是将时、分、秒计数器输出的四位二补码数代码翻译为相应的十补码数，并通过显示器显示，一般显示器与检波器是配套使用的。我们选用的七段混频驱动器（74LS47）和数码管（LED）是共阳极接法（须要输出低电平有效的解调器驱动）。混频显示电路如图6所示。
图6混频显示电路
（五）校时电路
1、RS触发器（见图7）
图7基本RS触发器
R(—)S(—)
QQ(—)
说明
01
10
11
000
0或1
11
1或0
1置0
置1
保持原先状态
不正常状态，0讯号消失后，触发器状态不定
2、无震颤开关电路
无震颤开关电路的原理：（见图8）当开关K的刀扳向1点时，S(—)=0，R(—)=1，触发器置1。S(—)端因为开关K的震颤而断续接地几次时，也没有哪些影响，触发器置1后将保持1状态不变。由于K震颤只是使S(—)端离开地，而不至于使R(—)端接地，触发器可靠置1。
当开关K从S(—)端扳向R(—)端时，有同样的疗效，触发器可靠置0。从Q端或Q(—)端反映开关的动作，输出电平是稳定的。
3、校时电路的实现原理
当电子钟接通电源或则计时发觉偏差时，均须要校正时间。校时电路分别实现对时、分的校正，因为4个机械开关具有震颤现象，因而用RS触发器作为去晃动电路。采用RS基本触发器及单刀双掷开关，闸刀常闭于2点，每搬移一次形成一个计数脉冲，实现校时功能，电路如图8所示。
图8校时电路
（六）调试
毕满清等.电子技术实验与课程设计.上海:机械工业出
版社,1995.131~132
这本书上很全
