1、2008年11月17日2008年11月21日广东海洋大学信息学院一、设计目的1.显示时、分、秒，采用24小时制。2.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。3.为了保证计时准确、稳定，由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。二、设计要求1设计指标时间以24小时为一个周期；显示时、分、秒；有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前5秒进行蜂鸣报时；为了保证计时的稳定及准确需由晶体振荡器提供时间基准信号。2设计要求画出电路原理图（或仿真电路图）；元器件及参数选择；电路仿真
2、与调试；3制作要求：自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。4编写设计报告：写出设计与制作的全过程，附上相关资料和图片。三、设计方案1 总体方案设计：画出总体方框图原理框图并给出说明。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。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。总体方案设计如图（1）所示。图（1）2 单元电路设计：各功能块电路图，各部分定性说明以及计算分析。晶体振荡器电路：晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟计时的准确度及稳定性。下图所示电路
3、通过CMOS非门构成的输出为方波的晶体振荡电路，这个电路中，CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域。电容C1、C2与晶体构成一个谐振电路，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了180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。选取晶体的频率为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数，从而输出较低频率。通过计算分析得， C1、C2均为30pF时比
4、较适合。若实验时输出频率不是1HZ时，可以通过外接电阻电容来做适当的调整。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1选为10M，也可以更大。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。非门电路可选74HC00。 CMOS晶体振荡器分频器电路：由于数字钟晶体振荡器输出的频率较高，为了得到1HZ的频率，需对输出频率进行多次分频，以便得到较低的1HZ频率。由于各种分频集成块中，CD4060集成块的分频次数最高，而且包含电路所需要的非门，故综合比较之下选取CD4060构成晶体振荡器分频电路。CD4046内部框图如下所示：时间计数单元：时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位
5、和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。译码驱动电路:译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。数码管显示电路:数码管有液晶（LCD）数码管和发光（LED）数码管，本实验用的是LED发光数码管，采用共阴接法。显示原理图如下：校时电路：当电子钟接通电源或者计时发现误差时, 均需要校正时间。校时电路分别实现对时、分的校准。由于每个机械开关具有抖动现象, 因此用RS 触发器作为去抖电路。采用RS 基本触发器及单刀双掷开关, 闸刀
6、常闭于2 点, 每扳动一次产生一个计数脉冲, 实现校时功能。电路如下图 所示。 四、元器件本实验用到的元器件如下列表所示：元器件名称数量5V电源1蜂鸣器万用板开关2钳子剪刀电烙铁网线若干32768HZ晶振共阴数码管630pF电容0.01uF电容10uF电容10M 、15K 、68K CD4511CD406074HC39074HC5174HC00774HC30555定时器插槽芯片结构图如下所示： 五、功能模块电路图数码管的检测：用万用表检测，调至欧姆档，500 ，红表笔接数码管3脚或6脚，黑表笔接数码管其它各个管脚，依次检测。若数码管各段都有正常发光，则该数码管正常。十进制测法仿真电路如下：利用
7、一个六进制电路和十进制连接成一个六十进制电路，电路可从059显示，见下图：双六十进制电路如下图所示：利用CD4060、电阻及晶振连接成一个分频晶振电路：利用两个六十进制和一个十二进制连接成一个时、分、秒都会进位的电路总图，见下图：六、功能扩展：本次课程设计的实物有些不足之处，需要做进一步的功能扩展会有更好的效果。1、 校时功能:作为一个电子钟，原本都应该有校时功能，但由于选择的万用板面积不够大，没有地方接入校时电路，这是设计该次实物的一大缺憾。现将理论校时电路列出。利用74HC51D和74HC00及电阻连接成一个校时电路：2、 整点报时功能：设计电子钟，能有报时功能当然是锦上添花了，因此理论上
8、设计了整点报时电路如下:说明：当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5，9，5；因此可以将分计数器十位的QC和QA，个位的QD和QA及秒计数器十位的QC和QA相与，从而产生报时控制信号。3、 频率选择功能：在有些场合下，可以更换输入频率作不同的用途，譬如作为秒表使用，检测电路使用。正常工作时，输入频率为1HZ，按下开关时，频率变大，可以用大的频率来检测电路的进位是否正确，确保电路无误。更换CD4060频率输出端，又可以因CD4060内部分频次数的不同而得到多种频率，故可以作特定频率的发生器使用。4、 作不同的计数器使用：把每个74HC390计数器引脚
9、的进位线引出来，用开关控制，还可以作为不同的计数器使用，不再单单只是时钟而已。八、安装调试具体调试步骤及方法:（1） 用示波器检测石英晶振的输出信号波形和频率, 输出频率应为32768Hz。（2） 将32768Hz 信号送入分频器, 用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合要求。（3） 将1Hz 秒脉冲分别送入时、分、秒计数器, 检查各组计数器的工作情况。（4） 观察校时电路的功能是否满足要求。（5） 当分频器和计数器调试正常后, 观察电子钟是否准确、正常地工作。九、实验总结通过整个电路设计与制作的整个过程，掌握了对电子钟的设计, 组装与调试方法。 熟悉了CMOS 系列中、小规模集成电路的使用
10、。通过理论与实践的结合，进一步深入的体会到一种学习的方法，特别是对与电子设计方面。首先要明确总体的设计方案与方法；其次是对各个部分进行设计与改进；最后将各个部分整合在一起进行比较、观察。在数字钟实验设计当中遇到的首要问题有三个：一是电路的总体设计问题；二是电路的焊接问题；三是电路的调试问题。基于所学数字电路知识的局限性，在选择元器件方面有所困难，开始无从下手应该确定使用何种元件。通过查找资料等过程首先确定了元件，从而确定了总电路图。由于初次进行焊接工作，所以在电路焊接的时候造成了许多虚焊，导致电路无法正常运行。加重了电路调试的作业量。总的来说，电子钟的课程设计有利于培养我们对电子设计的兴趣，是一次很好的理论与实际的结合，希望能有更多机会进行这些课程设计。附实物图如下：
