【摘要】：用小规模集成电路实现数字时钟的设计，原件选择选取**便宜常见的原件实现电路设计，大大降低了设计和制作的成本，用在定时自动报警、按时自动打铃，时间程序自动控制、定时广播、定时启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电器的自动启闭等，具有很强的现实意义。同时低成本使得该设计具有很好的经济价值。
关键词】： 数字电子时钟；分频电路；计时器；译码显示电路。
目录。1 绪论 3
1.1 课程描述 3
1.2 基本工作原理及构成框图 3
2 设计原理及相关芯片介绍 4
2.1 晶体振荡器电路 4
2.1.1 工作原理及电路组成 4
2.1.2 二进制计数器cd4060 5
2.2 分频器电路 6
2.2.1 工作原理及构成 6
2.2.2 七段显示译码/驱动器cd4511 7
2.3 时间计数电路 8
2.3.1 六十进制计数器 8
2.3.2 二十**制计数器 9
2.4 译码驱动及数字显示电路 10
2.4.1 7段数码管译码器74ls47 10
2.4.2 数字显示电路 11
2.5 校正电路 11
2.6 整点报时电路 12
2.6.1 工作原理及电路组成 12
3 总体电路设计 13
3.1 实验设备及元器件 14
总结 16参考文献。 18
数字钟因其小巧，**低廉，走时精度高，使用方便，功能多等特点，更加适合现代人的工作和生活，因此得到了广泛的使用。本课题采用中小规模集成电路制作，根据数码管动态显示原理来进行显示，用32768hz的晶振产生振荡脉冲，采用相应进制的计数器，转化为二进制数，经过译码和显示电路准确地将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来，是一个将“时”“分”“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。
构成电路图图1
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。它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和一些显示、查看时间等附加功能。
因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”“分” “秒”计数器、校时电路、分频器电路和振荡器组成。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟，其一般构成电路如图1所示。
晶体振荡器—简称石英晶体或晶体，是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。
图2所示为晶体振荡器电路。该电路通过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，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。
电容c1、c2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。
晶体x1的频率选为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。c1、c2均为20pf。
当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。该电路由晶体与2个20pf电容、1个cd4060、一个22兆的电阻组成，芯片3脚输出2hz的方波信号。
图2cd4060是14位二进制串行计数器，其有三个特点：内置振荡器；全静态操作；有14级计数器，10个输出端，其内部框图和引脚分布如图所示。
图3 cd4060内部框图。
图4 cd4060引脚图。
它有两部分组成，一部分是14级分频器信号；另一部分是振荡器，由内含两个串接的反相器和外接电阻电容构成，因此该集成电路可以直接实现振荡和分频的功能。cd4060的工作电压通常为4.5v~18v。
通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到1hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。
2.2.1工作原理及构成。
本实验中采用cd4060来构成分频电路。cd4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且cd4060还包含振荡电路所需的非门，使用相对更为方便。cd4060计数为14级2进制计数器，可以将32768hz的信号分频为2hz。
将2hz的信号经过74ls74得到1hz的秒信号，其电路原理图如图5所示。
图5 分频器电路。
2.2.2 七段显示译码/驱动器cd4511
cd4511是一个用于驱动共阴极led（数码管）显示器的bcd码—七段码译码器，特点：具有bcd转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的cmos电路能提供较大的拉电流。可直接驱动led显示器。
引脚排列如图6所示。其中a,b,c,d为bcd码输入，a为最低位。lt为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。
bi为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，b1端应加高电平。le是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是7段输出，可驱动共阴led数码管。
另外，cd4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示这两个数时，字形不太美观。所谓共阴led数码管是指7段led的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5v时可使用300ω的限流电阻。
图6 cd4511引脚图。
cd4511的真值表如表1所示。cd4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。
表1 cd4511真值表。
2.3 时间计数电路。
2.3.1 六十进制电路。
由74lsals08、数码管与4511组成。先由十进制计数器74ls192构成六进制计数器，再通过4511将输入进来的六进制信号翻译成十进制数，输送到数码管显示出来。电路如图7。
图7 六进制电路图。
2.3.2二十**制电路。
由74lsals08、数码管与4511组成电路如图8。
图8二十**制电路图。
选择4511作为显示译码电路；选择led数码管作为显示单元电路。由4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。这里的led数码管是采用共阴的方法连接的。
计数器实现了对时间的累计并以8421bcd码的形式输送到4511芯片，再由4511芯片把bcd码转变为十进制数码送到数码管中显示出来。
数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中显示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。
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。校时电路图如下所示。
2.6整点报时电路。
电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。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，分别为和5，因此可将分计数器十位的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。
本课题整个数字钟由时间计数电路、晶体振荡电路、校正电路、分频器电路以及数字显示电路组成。
其中以校正电路代替时间计数电路中的时、分、秒之间的进位，当校时电路处于正常输入信号时，时间计数电路正常计时，但当分校正时，其不会产生向时进位，而分与时的校位是分开的，而校正电路也是一个独立的电路。
电路的信号输入由晶振电路产生，并输入各电路，数字时钟的设计电路图如下图。
3.1 实验设备及元器件。
5v直流电源，双掷开关2个，四连面包板1块，共阳七段数码管6个，网络线2米/人，74ls74集成块1块，cd4060集成块1块，74ls192集成块6块，4511集成块6块，74ls00集成块2块，74ls08集成块4块，22mω电阻1个，200ω电阻4个，20p电容2个，32.768k时钟晶体1个。
1）输入与门74ls08
74hc08是一个4-2输入的与非门电路，其内部引脚图如图20所示：
图9 74ls08内部引脚图。
2）双d触发器74ls74
74ls74内含两个独立的d上升沿双d触发器，每个触发器有数据输入（d）、置位输入（）复位输入（）、时钟输入（cp）和数据输出（q、）。的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的d数据在cp上升沿作用下传送到输出端。
如图21所示为74ls74的内部引脚图。
图10 74ls74内部引脚图。
总结。1． 实验过程中遇到的问题及解决方法。
1 七段显示器与七段译码器的测量。
把显示器与cd4511相连，第一次接时，数码管完全没有显示数字，检查后发现是数码管未接地而造成的，接地后发现还是无法正确显示数字，用万用表检测后，发现是因芯片引脚有些接触不良而造成的，所以确认芯片是否接触良好是非常重要的一件事。
2 时间计数电路的连接与测试。
六进制、十进制都没有什么大的问题，只是芯片引脚的老问题，只要重新插过芯片就可以解决了。但在六十进制时，按图接线后发现，显示器上的数字总是100进制的，而不是六十进制，检测后发现无论是线路的连通还是芯片的接触都没有问题。最后，在重对连线时发现是线路接错引脚造成的，改过之后，显示就正常了。
3 校正电路。
因上面程因引脚接错而造成错误，所以校正电路是完全按照**图所连的，在测试时，开始进行时校时时，没有出现问题，但当进行到分校时时，发现计数电路的秒电路开始乱跳出错。因此，电路一定是有地方出错了，在反复对照后，发现是因为在接入校正电路时忘了把秒十位和分个位之间的连线拿掉而造成的，因此，在接线时一定要注意把不要的多余的线拿掉。
2． 设计体会。
通过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用****成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与**时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在**中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。
所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
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