数字时钟设计报告

设计要求

（1）稳定的显示时、分、秒（要求24小时为一个计时周期）；

（2）当电路发生走时误差时，要求电路有校时功能；

（3）电路有整点报时功能。报时声响为四低一高，最后一响高音正好为整点。

设计原理及框图

根据题目要求，数字时钟主要由以下6个模块构成：振荡器、秒计时电路、分计时电路、小时计时电路、校时电路和整点报时电路。但考虑到设计的完善，我组在设计时增加了两项拓展功能：小时计时电路的24进制与12进制转换和星期计时电路。增加拓展功能后，系统结构大致如下图所示：

图1 设计原理框图

器件说明

开关S1 1只单刀双掷开关S2,S3,S4，S5 4只

电阻43 1只

电阻50 1只

电容10u 1只

电容10u 1只

导线若干

设计过程

为保证各模块功能的实现，我组采用分块设计的方法，即先分别设计好各模块，然后进行整体连接。具体过程如下：

1.振荡器

振荡器是数字时钟的脉冲信号来源，其工作稳定程度及频率精确程度决定了数字时钟计时的准确程度。基于此种考虑，我组采用555定时器。该电路使用灵活、方便，只需接少量的阻容元件就可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，故广泛应用于信号的产生、变换、控制与检测。其内部电路结构及功能表如下：

图2 555定时器内部电路结构图

表2 555定时器功能表

复位端

D

R

高电平触发端

U11

低电平触发端

U12

放电三极管VT D输出端U O

0 ××导通0

1 >2/3V CC >1/3V CC 导通0

1 <2/3V CC >1/3V CC 不变不变

1 >2/3V CC <1/3V CC 截止 1

1 <2/3V CC <1/3V CC 截止 1

图3 多谐振荡器Multisim仿真电路图

2.分秒计时电路

由于分秒计时电路均为60进制，其设计原理一致，故一并介绍。为使设计电路尽量简单，我组没有使用十六进制计数器74LS161，而是使用十进制计数器74LS160。此芯片为8421编码的十进制加法计数器，具有异步清零、同步置数功能，且其输出端能直接与数码管相连接，在设计60进制分秒计时电路时较74161更为方便。其引脚排列图及功能表如下：

图4 74160引脚排列图

VCC

5V

U32

LM555CM

GND

1

DIS

7

OUT3

RST

4

VCC

8

THR

6

CON

5

TRI

2

R3

43?

R5

50?

C3

10uF

C4

10uF

3

VCC

2

1

表3 74160功能表

我组采用反馈置数法来实现六十进制计数器。首先采用并行进位方式将两片74LS160级联成100进制计数器，然后将电路的59状态（01011001状态）作为置数信号同时加到两片74LS160的置数端上，从而得到六十进制计数器，即分秒计时电路。其电路设计原理图如下：

图5 分秒计时电路

Q3 Q2 Q1 Q0

741LS160

EP ET C LD ’ CR ’ CP Q3 Q2 Q1 Q0

741LS160

EP ET C LD ’ CR ’ CP

&

1

Key = Space

图6 分秒计时电路Multisim仿真电路图

3.小时计时电路

我组将小时计时电路设计成可在12进制与24进制之间转换的模式，仍使用74LS160芯片并通过反馈置数法来实现其设计。首先仍采用并行进位方式将两片74LS160级联成100进制计数器。在实现24进制时，将电路的23状态（00100011状态）作为置数信号同时加到两片74LS160的置数端上；在实现12进制时，将电路的11状态（00010001状态）作为置数信号同时加到两片74LS160的置数端上。12进制与24进制之间的转换通过一个单刀双掷开关手动实现。其电路设计原理图如下：

图7 小时计时电路

Key = Space

图8 小时计时电路Multisim仿真电路图

4.星期计时电路

星期计时电路为七进制计数器，只需使用一片74LS160芯片，此电路通过反馈置数法来实现其设计：将电路的6状态（0110状态）作为置数信号加到74LS160的置数端。在此设计中，我组以数字“0”表示星期日。其电路设计原理图如下：

图9 星期计时电路

DCD_HEX

5V

图10 星期计时电路Multisim仿真电路图

5.校时电路

考虑到大众对秒的要求较低，故我组未设计秒校时电路。所谓校时，就是在时间不准时手动改变至所需时间。我组的实现方法是对需要进行校时的电路切换至另一个脉冲信号。此信号可以由另外的信号发生电路提供，也可以由时钟本身的振荡器提供。当电路接收到相应的信号时对应的计时电路即记一次数，直至数码管显示出需要的时间。

其具体实现方法大致有二。第一种方法采用逻辑门进行切换：当Q=1时，校时信号传到计数器的时钟信号端，此时计时信号被封锁而进行校时工作；当Q=0时，计时信号传到计数器的时钟信号端，此时校时信号被封锁而进行计时工作。第二种方法采用单刀双掷开关进行切换：开关的一个选择端接校时信号，另一个选择端接计时信号。

两种方法进行比较可知：第一种比较精确，但也比较复杂；第二种精度稍欠，但设计简单明了。本题对精度并没有过多要求，故我组采用第二种方法，其Multisim仿真电路已在图6、图8、图10中体现，详见以上各图。

6.整点报时电路

根据本题对整点报时电路的要求，我组在分显示59，秒分别显示51、53、55、57、59时进行报时工作，产生前四低后一高的报时效果。为满足测试需要，我组以小绿灯发光代表发出低声，以小红灯发光代表发出高声。其设计过程如下：首先列真值表如下：