数字钟设计

侯林伶　张立　蒋旭　邹顺华

摘 要 该系统由四个部分组成：555时基电路组成的多谐振荡器、校时电路、计数进位电路以及数码管显示电路。同时也可以划分为三大模块即振荡器产生脉冲电路模块、计数校时电路模块、数码管显示模块。振荡器产生脉冲模块用555时基电路组成多谐振荡器产生1HZ的秒脉冲信号；计数校时模块则在秒脉冲的作用下开始计数进位同时可以进行时、分的校验；数码管显示电路主要是显示计数脉冲的结果。这就是该数字钟电路系统的主要原理框架。

关键词 555多谐振荡器 数码管显示 计数器

中图分类号：TP273 文献标识码：A

0前言

这次课程设计的任务是设计一个数字钟电路，数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置，广泛用于个人家庭、车站、码头、办公室等公共场所，已成为人们日常生活中不可少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体与555振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。尽管设计的数字钟电路计时不够精确，也不能起到定时闹钟等功能，所用的器件也只是555时基电路、计数器74ls90、数码管显示CC4511等器件。但在这次的数字钟电路设计中我得到了更多的实践，帮助我发现了在书本上不会出现的问题，也就是在此次设计的过程中遇到的许多问题。最终还是在老师的指导下完成了整个数字钟电路的设计工作。数字钟电路是由555时基电路构成的多谐振荡电路来提供1khz的信号脉冲，秒信号脉冲用来驱动计数器，后计数器记录的数字由4511与数码管组成的显示电路显示出来，最后可以使用校时电路来检验该电路的分、时计数进位是否正确。

（1）设计目标。

本课程设计中准备应用中小规模集成芯片设计数字时钟，能够实现精确计时功能。构成简单数字时钟主要构成部件有数码管显示译码器CD4511、计数器74LS190和74ls92和多谐振荡器。

1总体方案设计

1.1方案比较

1.1.1方案一

方案一的数字电子钟逻辑框图由555集成芯片构成的多谐振荡电路、计数器、数码管显示器和闹钟定时电路组成。555集成芯片构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示。

1.1.2方案二

工作时，由555时基电路构成多谐振荡器产生的秒脉冲信号。并送计秒电路计数，当秒计数器计满60秒时，输出秒进位脉冲，送计分电路计数，当计分器计满60分时，输出分进位脉冲，送计时电路计数，当计时电路满24时，时、分、秒计数器同时复零，又开始新一天的计时，可以用校时电路进行校时。

1.2方案论证

两种方案都可行，方案二的电路系统由四部分电路组成，既由多谐振荡电路、计数电路、数码管显示电路以及校时电路组成。而方案一，比方案二少了校时电路，但多了一个闹钟定时电路。第二个方案比较的实用，但没有第一个方案简单容易实现，而且第一个方案中的校时电路对数字钟来说比闹钟定时电路必要的多。基于电路复杂程度以及时钟的功能必要性，我选择方案二。

图1：方案二的原理框图

2单元模块设计

2.1各单元模块功能介绍及电路设计

本系统主要分为4个单元模块，它们分别是：多谐振振荡器模块、计数模块、译码显示模块和校时模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

2.1.1振荡器设计

一般说来，振荡器的频率越高，计时精度越高。本设计中采用由集成由555振荡器、电阻和电容组成。由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，所以用555定时器组成的多谐振荡器的震荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。由555的3脚输出的频率为1HZ的方波。

2.1.2计时器模块设计

计数部分共由4个74ls90和两个74ls92芯片相应的门电路组成。秒计数部分由一个74ls90和一个74ls92构成构成60进制计数器，每过60s产生一个进位信号给分计数器。（分计数器采用的元器件以及相关原理和秒计数器是一样的，所以电路原理图和秒计数电路一致。

当秒计数够60的时候分计数器自动计入1，工作原理与秒计数器相同，每过60分钟，产生一个进位给时计数器。

小时计数部分为24进制计数器，当分部分记录满60的时候，时自动计入一。当到23再次计入一后自动清零。

2.1.3译码显示模块设计

显示电路由译码器CD4511和8位共阴数码管构成，计数器所记的数字经译码器译码，而后又有数码管显示。

2.1.4校时模块设计

校时电路是数字钟不可缺少的部分，每当数字钟与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校時。当数字钟接通电源或者计时出现错误时，需要校正时间，校时是数字钟应具备的基本功能。对校时电路设计要求是在“时”校正时不影响分计数器的正常计数， 在“分”校正时不影响小时的正常计数， 校时方式有快校时和慢校时两种。当刚接通电源时或计时出现误差时， 都需要对时间进行校正。S1， S2分别是时、分校正开关。不校正时， S1、S2是断开的。当进行“时”校正时， 需要把S2开关闭合以切断分进位脉冲信号同“时”计数器的联系， 校时电路将由1Hz脉冲自动校正“时”计时器， 校正完毕后把S2断开。“分”校时和“时”校时方法是一致的。

3软件调试

3.1多谐振荡器模块仿真调试

555时基电路组成的多谐振荡能否为电路提供标准为1Hz的基准信号，决定本设计的数字钟能否准确的计时，所以对多谐振荡器模块进行仔细调试十分必要。首先在Proteus中打开设计好的仿真图，接好示波器，可以看到仿真电路如图2所示。

图2：仿真界面

4结论

（1）本數字钟设计由555多谐振荡器产生频率为1Hz的信号作为秒脉冲信号，分和秒为00-59六十进制，小时为00-23二十四进制，能准确显示时间，当数字钟接通电源或出现计时误差时，能对电路进行校准。

（2）在使用proteus仿真软件时，由于软件自身的不足，仿真过程中仍然存在误差，proteus仿真软件只适用于低频率的仿真，在频率过高的时候，则会失去真实性，会产生错误的结果。

（3）要注意各个元器件的实时工作电压范围，一般都是在4.5V—5.5V之间，在通电之前必须调节好电源。

（4）该设计任然有很多不足的地方，首先就是电路设计看上去有些复杂，元器件种类有点多，它们会耗费掉一定的电力；其次就是本设计最核心的部分多谐振荡器并不能很精准的产生1hz的秒脉冲信号，如果需要更精准的秒脉冲信号，可能需要使用晶体振荡来产生；最后我觉得数码管显示部分任然有许多不足，只能使用单个的数码管进行显示，而不能使用两个或四个的，略显累赘，这些不足之处仍有待解决。

（5）本次设计时间有限，且受到能力限制，所以这个设计还有它的不足之处，它功能比较单一，还需要增加很多实用性的功能。例如闹钟定时等。

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