嘉兴学院南湖学院。
题目名称：数字钟的设计与制作
姓名。班级。
学号： 日期。
嘉兴学院南湖学院机建系。
数字钟的设计与制作。
一．指标要求：
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。
计时部分+显示部分+校时部分+振荡部分）
二．设计计算：
1．总体方案设计：
总体方框图原理框图：
晶体振荡器电路。
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。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
分频器电路
分频器电路将32768ｈz的高频方波信号经32768次分频后得到1hz的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。
时间计数器电路
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 数码管通常有发光二极管数码管和液晶数码管，本设计提供的为led数码管。
2．单元电路设计：
数码管。用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，数码管有两种：共阴极和共阳极数码管。
译码器译码的是高电平，所以对应的显示器应为共阴极数码管。在本设计中用的是解码七段排列显示器，即包含译码器的七段显示器。其图形管脚如下图1所示：
图1u27是一个解码七段排列显示器，由脚输入二进制数，就可显示数字。
振荡器电路。
多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。
在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。要求精确的时钟源是通过石英晶体振荡器还有分频器构成，考虑到设计难易成度，本电路采用555定时器（lm555cm）实现多谐振荡，需要r47，r48和电容，并接+5v的直流电源。
图2振荡周期：t=0.69(r47+2r48)c
秒和分计数电路。
秒”计数器电路与“分”计数器电路都是六十进制，它由一级十进制计数器和一级六进制计数器连接构成，如图3所示，是采用四片中规模集成电路4511bp串接起来构成的“秒”，“分”计数器。
图3由图3可知，u3是十进制计数器，u3的qd作为十进制的进位信号，4511bp计数器是十进制异步计数器，用反馈清零法来实现十进制计数，u8和与门74ls08d组成六进制计数。4511bp是在cp信号的下降沿触发下进行计数，u8的qa和qc相与0101的下降沿，作为“分”计数器的输入信号。u8的输出0110高电平1分别送到计数器的r10、r11端清零，4511bp内部的r10、r11与非后清零而使计数器归零，完成六进制计数。
由此可见，u3和u8串接实现了六十进制计数。分计数器和秒计数器构成情况相同，同为上述电路。
时计数电路。
时”计数为24进制的，在本设计中24进制的计数电路也是由两个4511bp组成的二十**制计数电路，如图4所示。
图4由图4看出，当“时”个位u23计数器输入端a来到第10触发信号时，u23计数器清零，进位端qd向u28“时”十位计数器输入进位信号，当第24个“时”来自“分”计数器输出的进位信号脉冲到达时u23计数器的状态位“0100”，u28计数器的状态为“0010”，此时“时”个位计数器的qc,和“时”十位计数器的qb输出都为“1”，相与后为“1”。把它们分别送入u23和u28计数器的清零端r33和r40，通过4511bp内部的与非后清零，计数器复零，从而完成二十**制计数。
校时电路。当刚接通电源或计时出现误差时，都需要对时间进行校正。校时电路实现对“时”“分”的校准。
在电路中设有正常计时和校对位置。对校时的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数，在分校正是不影响秒和小时的正常计数，而且应该具有手动校时和快速校时的功能。校正电路如下图5所示：
图5为了保证调整小时或分，电路其他部分还可以正常计数。开关j2是手动一次次断开和闭合来校准小时的。此时其他开关处于闭合状态；开关j2断开时，j1断开可以实现快速校准小时。
开关j1是手动一次次断开和闭合来校准分的；同样，开关j1断开时，j2断开可以实现快速校准分。
3．总体电路：
工作原理：串联型直流稳压电源的设计，该系统是由整流、滤波和稳压三部分组成，桥式整流电路加上电容滤波后，使输出的波形更平滑，稳压部分，一般有四个环节：调整环节、基准电压、比较放大器和取样电路。
当电网电压或负载变动引起输出电压uo变化时，取样电路将输出电压uo的一部分馈送给比较放大器与基准电压进行比较，产生的误差电压经放大后去控制调整管的基极电流，自动地改变调整管的集一射极间电压，补偿uo的变化，从而维持输出电压不变。[7]
振荡器可由晶振组成，也可以由555与rc组成的多谐振荡器。由555定时器得到1hz的脉冲，功能主要是产生标准秒脉冲信号和提供功能扩展电路所需要的信号。
在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的，在电路的设计中我采用的是统一的器件74ls161n的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，根据74ls161的结构把输出端的0101（十进制为5）用一个与非门74ls00引到load端便可置0，这样就实现了六进制计数。同样，在输出端的1001（十进制为9）用一个与非门74ls00引到load端便可置0，这样就实现了十进制计数。在分和秒的进位时，用秒计数器的load端接分计数器的clk控制时钟脉冲，脉冲在上升沿来时计数器开始计数。
时计数器可由两个十进制计数器串接并通过反馈接成二十四制计数器。
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。4511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，特点如下：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。
由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人们习惯的数字显示。如12：54：
30的二进制码为00010010：01010100：00110000。
译码之后再驱动7段数码管显示时、分、秒。led七段显示数码管显示时、分、秒。
3.2.5 校时电路。
时钟出现误差时，需校准。当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具备的基本功能。
对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有快校时和慢校时两种，快校时是，通过开关控制，使计数器对1hz的校时脉冲计数。慢校时是用手动产生单脉冲作校时脉冲下图所示为校时电路和校分电路。
其中s1是校分用的控制开关，s2为校时用的控制开关，它们的控制功能下表所示。校时脉冲采用分频器输出的1hz脉冲，当s1或s2分别为0时可进行快校时。如果校时脉冲由单脉冲产生器提供，则可以进行慢校时。
元器件清单：
三．安装调试。
multisim8是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟**软件，其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库。有超强板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的**分析能力。
multisim8软件进行设计**分析的基本步骤为：设计创建**电路、原理图电路图、选项的设置、使用**仪器、设定**分析方法，启动multisim8**。
**分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板。准备观察被测试波形。按下程序窗口右上角的启动／停止开关状态为1，**分析开始。
若再次按下，启动／停止升关状态为0，**分析停止。电路启动后，需要调整示波器的时基和通道控制，使波形显示正常。
在multisim8软件中，根据数字钟的总电路图，设置函数发生器的频率为1hz，把a开关和b开关都接到与非门的那端，再运行就可以让数字钟自行计数了。如果运行的太慢可以适当调节函数发生器的频率。如果把a开关接到函数发生器上，就是对小时进行校正，如果把b开关接到函数发生器上那就是对分进行校正。
小时的计数是从00到23，但在校正小时位时初始状态仍为00。
振荡器的**可以直接运行，然后用示波器观察现象便可。直流稳压电源的**中可以看到用万用表测量出关键点的电压5.123v。
用示波器a通道和b通道分别显示整流滤波后电压ui的波形和稳压输出电压uo的波形，从示波器显示窗口可以看出：上面一条锯齿波曲线为ui波形，下面一条线为uo波形。如果以上设计的电路通过模拟**分析，不符合设计要求，可通过逐渐改变元器件参数，或更改元器件型号，使设计符合要求，最终确定出元器件参数。
并可对更改的电路立即进行**分析，观察虚拟结果是否满足设计要求。
5电路功能与特性总结：
本设计的电子数字钟能经振荡分频器、计数器、译码和显示电路将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来，并且需要校正电路使其准确工作，还有定时和报时功能。控制较简单，没有遥控、防电台报时等复杂电路。
调试时有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以得换不少器件，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。multisim8软件有时会出问题，在理论上可行的电路在调试中未必能显示出来，这就需要耐心、仔细地分析和解决问题，不断地尝试才能得出正确的答案。
四．总结：经过这次对数字电子钟的设计与制作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于数字时钟的原理与设计理念，对multisim8**软件也有了一定的了解与运用。
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