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物理与电气工程学院课程设计报告
数字电路电子时钟设计
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指导教师 成 绩 日 期
数字电路电子时钟设计
摘 要：数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。目前，数字钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。本设计通过简单的芯片实现数字电子钟。要点在于用555芯片连接输出为一秒的多谐振荡器用于时钟的秒脉冲，用74LS160（十进制计数器）、74LS48（七段显示译码管的驱动）等连接成的60和24进制的计数器，再通过数码管显示，构成简单数字时钟。其中还包括校时功能。此数字钟电路由振荡器、分频器、校时电路、显示译码电路组成。本实验采用Multisim软件进行仿真，仿真结果显示此电路能完成上述要求，可实现上述一系列功能。 关键词：数字时钟、计数器、555定时器、校时功能、仿真测试 1 引言
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力的推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。数字中作为人们日常生活中必不可少的物品，广泛用于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便，由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜，使用也方便，但鉴于数字钟电路的基本组成包含了数字电路的主要组成部分，因此进行数字钟的设计是必要的，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用和掌握，使学生在实验原理的指导下，初步具备基本电路的分析和设计能力，并掌握其应用方法；自行拟定实验步骤，检查和排除故障 、分析和处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力，包括选择设计方案，进行电路设计、安装、调试等环节，运用所学知识进行工程设计、提高实验技能的实践。数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时的记时装置。数字电子钟由于采用了石英技术，走时精度高、稳定性好，不需要经常调校，使用携带方便，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命。因而能得到广泛的应用，小到人们的日常生活中的电子手表、电子闹钟、大到车站、码头、机场等公共场所的大型数字显示电子钟。本设计通过简单的芯片实现数字电子钟。要点在于用555芯片连接输出为一秒的多谐振荡器用于时钟的秒脉冲，用74LS160（十进制计数器）、74LS48（七段显示译码管的驱动）等连接成的60和24进制的计数器，再通过数码管显示，构成简单数字时钟。 2 方案认证 2.1 芯片
CMOS。CMOS电路是电压控制器件，是一种低功耗器件。虽功耗低，但
是当电流过大时，会烧毁芯片，并且COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns)。
TTL电路。TTL电路是电流控制器件，TTL电路的速度快，传输延迟时
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间短(5-10ns)，能到达很好的精度。
通过以上两种方案的比较，故选方案二。 2.2 秒脉冲
1kHz经过分频后产生的秒脉冲。可以利用石英晶体产生32768Hz的频
率，然后经过CD4060的十四分频，再用74LS74二分频就可以产生1Hz的脉冲。
555震荡器产生的1Hz秒脉冲。
由于1kHZ频率相对较大，所以导致所需的电阻阻值很小，而且整体电路过于复杂，不易于实现。故选方案二。 2.3 脉冲产生器
率稳定度高等优点。其具有极高的频率稳定，主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件，但成本相对较高。
NE555多谐振荡器。NE555多谐振荡器只需简单的电阻器、电容器，即
可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极，可由几微秒至几小时之久。其操作电源范围广，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，它的计时精确度高、温度稳定度佳，且成本较低。
方案三 采用单片机作为计时器。51单片机功能比较广，功耗大，用来做数字时钟浪费。
综上所述分析，故选方案二。 2.4 显示模块
LED显示。LED数码管显示速度快，亮度高，显示清晰，控制也较为简
单。
LED显示。虽然液晶有较低功耗且能够较清晰的较多位数的数字
和所有的字母，但是不太经济和不好控制。
为了较好地控制和使用，选择方案一。 3 系统设计
3.1 系统整体框图
数字时钟是由555定时器、计数器、译码器、数码管组成。其中的555定时器组成标准信号发生器，直接决定计时系统的精度。由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。将标准秒信号送入采用60进制的“秒计数器”，每累计60秒就发出一个“分脉
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冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。也采用60进制的计数器，每累计60分，就发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。时计数器采用24进制计数器，可实现对一天的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态通过六位七段显示器显示出来。整个计数器电路由秒计数器、分计数器和时计数器组成。秒脉冲信号经过6级计数器，分别得到秒个位、秒十位、分个位、分十位，以及时个位、时十位的计时。显示6位的“时”、“分”、“秒”需要6个计数器。其中，秒和分计数器都是60进制，时计数器为二十四进制，都选用74LS160来实现。实现的方法采用反馈清零法。系统整体框图如图3-1所示。
该系统能实现以下功能：
1. 由555芯片产生1HZ标准秒信号。
2. 两个74LS160来实现六十进制秒、分计数器。 3. 两个74LS160来实现二十进制时计数器。 4. 由74ls48驱动数码管进行时钟的显示。 5. 具有按钮调节时和分的功能。
图3-1 系统整体框图
3.2 单元电路设计 3.2.1 秒脉冲电路
555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VI1和VI2。芯片引脚图如图3-2所示。
555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输
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