数字时钟设计(完全数字电路)

数字时钟设计

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专业电子信息技术

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基于555的数字时钟显示

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，通过555定时器改装的多谐震荡器发出的脉冲频率具有一定的准确性。在这次设计中对分频器、计数器、、译码器和显示器进行研究编译，并完成了各种器件的编译工作，实现数字钟的功能。有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。秒和校时功能都有一个共同特点就是它们都要用到振荡电路提供的1Hz脉冲信号。在计时出现误差时电路还可以进行校时和校分，为了使电路简单所设计的电路不具备校秒的功能。并且要用数码管显示时、分、秒，各位均为两位显示。

1引言

随着科技的快速发展，数字电子钟在实际生活中的应用越来越广泛，小到普通的电子表，大到航天器等高科技电子产品中的计时设备。数字钟是一个将“时”，“分”,“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有整点报时附加功能。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、报时电路和振荡器组成。作为电子技术的一名学生掌握并能够独立自主设计一个数字电子钟是必要和必须的，既可以加深对课本上理论知识的理解又能锻炼自己的思考和解决问题的能力。于是，经过查阅许多相关书籍和浏览许多网络未找到目录项。资源，我做了这款简单数字电子钟的设计。

2 方案论证

2.1 原理设计和功能描述

2.1.1 数字计时器的设计思想

要想构成数字钟，首先应选择一个脉冲源——能自动地产生稳定的标准时间脉冲信号。而脉冲源产生的脉冲信号地频率较高，因此，需要进行分频，使得高频脉冲信号变成适合于计时的低频脉冲信号，即“秒脉冲信号”（频率为1Hz）。经过分频器输出的秒脉冲信号到计数器中进行计数。由于计时的规律是：60秒=1分，60分=1小时，24小时=1天，就需要分别设计60进制，12进制计数器，并发出驱动信号。各计数器输出信号经译码器、驱动器到数字显示器，是“时”、“分”、“秒”得以数字显示出来。

2.1.2 数字电子钟总体框架图

图1框架图

2.2 单元电路的设计

2.2.1 振荡电路

数字电路中的时钟是由振荡器产生的，振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。

方案一: 石英晶振

因为想到要使产生的脉冲较稳定，我们首先想到了使用石英晶振电路，即采用37267Hz 晶体震荡器，电路图如图2：

图2 石英晶振

工作原理：由晶体振荡器产生37268Hz的1KHz的脉冲经集成块CD4060分频后变为10Hz

脉冲，再经74LS160计数器分频得到了所需要的1Hz稳定脉冲。

方案二： 555定时器

其中R2=8 kΩ, R1=1K C1=68uF,C4=0.01uF,

振荡电路由555构成的自激多谐振荡器直接产生 1000Hz时钟脉冲频率。

图3 555定时器

方案选择：刚开始的时候觉得用石英晶振比较准确，希望设计更好，虽然使用石英晶振产生频率稳定，但是电路图很复杂，而且37268晶体振荡器中阻值要求10MHz以上，还需要分频电路。而555定时器是我们数字电路基础中刚学的，对它的用法也很熟悉，并且可以由555构成自激多谐振荡器通过调节电阻直接产生1000Hz的脉冲，然后经过分频器得到1HZ的秒脉冲，经过自己的慎重考虑，最终选用555，舍弃了之前的晶振方案。

2.2.2 计数电路

数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和一个十二进制计数电路实现的。数字钟的计数电路的设计可以用反馈清零法。当计数器正常计数时，反馈门不起作用，只有当进位脉冲到来时，反馈信号将计数电路清零，实现相应模的循环计数。以六十进制为例，当计数器从00，01，02，……，59计数时，反馈门不起作用，只有当第60个秒脉冲到来时，反馈信号随即将计数电路清零，实现模为60的循环计数。

在计数部分我们同样采用了两种方案，分别是使用74ls160和74ls90，74LS191,74LS74.以下是对两种芯片连接成60进制计数器和12进制计数器的介绍。

方案一：数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和一个十二进制计数电路实现的，但是考虑到对74LS90比较熟悉，觉得用两个74LS90来分别控制秒和分的十位和个

位。个位采用十进制，十位采用六进制就能完美解决六十进制的秒计数。然后再用74ls191和74ls74来分别控制时的个位和十位。

图4 90十进制计数器

方案二：采用74LS160分别连成60进制计数器和24进制计数器

图5 60进制计数器

图6 24进制计数器

计数部分方案选择：因为对74ls90用法很熟悉，但是其最大是十进制，所以我们通过把时分秒的十位和个位分开来分别计数。想法很有新意，虽然比其他的电路多了芯片，但是原理很简单。所以就选用74LS90和74ls191，74ls74来作为计数器。

2.2.3 译码与显示电路

图7

译码是编码的相反过程，译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输出信号以表示编码时所赋予原意的电路。常用的集成译码器有二进制译码器、74ls48制译码器和BCD—7段译码器、显示模块用来显示计时模块输出的结果。

a.译码器CD4511

译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的工作是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信。

图8译码器