多功能数字钟电路设计

多功能数字钟电路设计

1设计内容简介

数字钟是一个简单的时序组合逻辑电路，数字钟的电路系统主要包括时间显示，脉冲产生，报时，闹钟四部分。脉冲产生部分包括振荡器、分频器；时间显示部分包括计数器、译码器、显示器；报时和闹钟部分主要由门电路构成，用来驱动蜂鸣器。

2设计任务与要求

Ⅰ以十进制数字形式显示时、分、秒的时间。

Ⅱ小时计数器的计时要求为“24翻1”，分钟和秒的时间要求为60进位。

Ⅲ能实现手动快速校时、校分；

Ⅳ具有整点报时功能，报时声响为四低一高，最后一响为整点。

Ⅴ具有定制控制（定小时）的闹钟功能。

Ⅵ画出完整的电路原理图

3主要集成电路器件

计数器74LS162六只；74LS90三只；CD4511六只；CD4060六只；三极管74LS191一只；555定时器1只；七段式数码显示器六只，74LS00 若干；74LS03(OC) 若干；74LS20 若干；电阻若干，等

4设计方案

数字电子钟的原理方框图如图（1）所示。该电路由秒信号发生器、“时，分，秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路、闹钟定时等电路组成。秒信号产生器决定了整个计时系统的精度，故用石英晶体振荡器加分频器来实现。将秒信号送入“秒计时器”，“秒计时器”采用六十进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用六十进制计数器，每60分钟，发出一个“时脉冲”，该信号经被送到“时计数器”作为“时计数器”的时钟脉冲，而“时计数器”采用二十四进制计数器，实现“24翻1”的计数方式，可实现对一天二十四小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态通过七段式显示译码器译码，通过刘伟LED 七段显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后触发一音频发生器实现整点报时，定时电路与此类似。校时电路是用“时”、“分”、“秒”显示数

5电路设计

5.1秒信号发生器

秒信号发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体整荡器产生的脉冲经过整形、分频获得1 Hz的秒脉冲。常用的电路图如图（2）所示

CD4060是14为二进制计数器。它内部有14级二分频器，有两个反相器。CP1（11脚），CP0-（10脚）分别为时钟的输入、输出端，即内部反相器G1的输入、输出端。图中R为反馈电阻（10M欧~100M欧），目的是为CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大状态。C1是频率微调电容，取5/30pF，C2是温度特性校正电容，一般取20~50pF。内部反相器起整性作用，且可以提高带负载能力。石英晶体采用32768Hz晶振，若要得到1Hz的脉冲，则需经过15级二分频器完成。由于CD4060只能实现14级二分，故必须外加一级分频器，可采用CD4013双D触发器完成。

5.2秒、分、时计数器设计

秒、分计数器均为60进制计数器，小时为24小时进制计数器。我们用74LS162计数器实现，74LS162有反馈清零和同步置数两种方式来实现任意进制的计数器。

5.2.1 60进制计数器

由74LS162构成的60进制计数器如图（3）所示。74LS162为10进制加法计数器，前一片芯片的UＣＣ接在第二片的控制端Ｓ2上，这样就够成了分（秒）计数器的个位和十位。然后通过一个与非门，将十位的Q A和QＣ以及个位中的进位端ＯCC共同接入与非门构成反馈置数端，这样在累计计数到59时，又可以清零从头记起，即当十位Q A Q B QＣQ D=1010，个位Q A Q B QＣQ D=1001时，产生一个脉冲使计数器归零。

5.2.2 24进制计数器

二十四进制计数器同样由两片74LS162构成。与60进制计数器相同，采用反馈置数法清零。但这里要求计数器要“24翻1”，即当十位Q A Q B QＣQ D=0100，个位Q A Q B QＣQ D=0010，

立即变为十位Q A Q B QＣQ D=0000，个位Q A Q B QＣQ D=1000。这个可以通过置数时设定个位ABCD=1000即可。其电路图如图（4）所示

5.3译码显示电路

译码显示电路是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行译码，变成相应的数字。用于驱动LED七段数码管的译码器常用的有集驱动、译码于一体的CD4511。CD4511内部电路包括四锁存器、七段译码器和驱动器。用它来驱动七段式显示器。其中一个显示电路如图（5）所示。

5.4校时电路

数字钟启动后，每当数字钟显示与实际不符时，都需要校准电路。校准电路如图（6）所示。

校秒时，采用等待校时。当进行校时时，将开关K1按下，此时门电路G1被封锁，秒信号进入不到“秒计数器”中，此时暂停秒计时。当数字钟秒显示值与标准时间一致时，立即松开开关K1，则数字钟秒计时与标准时间同步运行，即可完成秒校时。

校“分”、“时”采用加速校时。例如分校时使用G2、G3、G4三与非门，当进行分校时时，按下开关K2，由于G3门输出高电平，秒脉冲信号直接通过G2、G4门电路被送到分计数器中，使分计数器以秒的节奏快速计数，当计数器与标准时间相符时，松开K2即可。当K2松开以后，门电路G2封锁秒脉冲，输出高电平，门电路接受来自秒计数器输出信号，使计数器正常工作。时校准电路原理与此相同。

5.5整点报时电路

当计数器每次计数到整点前5秒的时候，开始报时。即当“分计数器”为59，“秒计数

器”为55时，要求电路发出一控制信号F1，该信号持续时间为4秒，在这五秒内使低音信号（500Hz左右）打开阀门，使报时声鸣叫4声。当计数器运行到59分59秒时，要求报时电路发出另一控制信号（1000Hz左右）打开阀门，使报时声鸣叫一声。根据以上要求，实际的整点报时电路如图（7）所示

电路的报时通过与门来控制，当计时到59分55秒时，G1、G2门均输出高电平，G3也也输出高电平，使得G7导通，500Hz的频率可以使蜂鸣器发出低音，时间持续半秒；当计时到59分59秒的时候，G4、G5门输出高电平，G6也输出高电平，使得G8导通，1000Hz 频率可以是蜂鸣器发出高音，时间持续一秒。即可实现整点报时功能。

5.6定时电路

定时电路只要求实现定小时的功能，即在所定整点的时候蜂鸣器开始鸣叫，直到人为的停止为止。可以使“小时计数器”的输出端通过与非门来控制门电路的开关，即控制使蜂鸣器发声的频率是否能通过。此方法与反馈清零的原理比较类似。定时电路如图（8）所示。

“小时计数器”十位端最大只能到二，故只需要两个开关即可，二个位则需要四个开关来控制。通过开关的闭合，来控制什么时候蜂鸣频率可以通过G门来使蜂鸣器发声，即可实现从1到24小时的定整点“闹铃”功能。