多功能计时电路的设计(终审稿)

多功能计时电路的设计文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-

研究生电类综合实验（C1）

院系：材料科学与工程学院

姓名：张雪

学号：

指导教师：蒋立平

实验日期：

电话：

成绩：____________________

多功能计时电路的设计——数字钟

1.设计内容简介

要求大家运用所学集成电路的工作原理和使用方法，学会在单元电路的基础上进行小

型数字系统设计。要求设计一个数字计时器，可以完成0分00秒—9分59秒的计时功

能，并在控制电路的作用下具有开机清零、快速校分功能。采用中小规模集成电路实现，

培养大家分析问题解决问题的能力，提高大家设计电路、调试电路的实验技能。

设计制作一个0分00秒～9分59秒的多功能计时器，设计内容如下：

1)设计一个脉冲发生电路，为计时器提供秒脉冲（1HZ）。

2)设计计时电路：完成0分00秒～9分59秒的计时、译码、显示功能；

3)设计清零电路：具有开机自动清零功能，并且在任何时候，按动清零开关，可以对

计时器进行手动清零。

4)设计校分电路：在任何时候，拨动校分开关，可进行快速校分。（选做）

5)系统级联。将以上电路进行级联完成计时器的所有功能。

2.总体电路连接图

图1.0总体电路连接图

3.实验原理及框图

图1.1三位计时器示意图

计时电路示意图如图1.1所示，计时电路完成计时功能，并且将计时结果传送至显示电路，进而实现显示功能。原理框图如图1.2所示，主要由计时电路，秒信号发生电路，清零电

路和译码显示电路组成。计时电路在秒信号的作用下，产生0:00~9:59的循环计时，清零电路控制计时电路的清零端，实现时钟的清零，最终将计时电路的输出送至译码显示电路，实现时钟的显示。

图1.2数字钟的原理框图

4单元电路设计

1．秒信号发生电路

图1.3秒信号发生电路

秒信号发生电路为计时电路提供驱动信号，电路原理如图1.3所示。为提供较为精确

的秒信号，本设计中振荡电路采用215Hz的石英晶体管为主体的晶振电路，并作为电路的

秒信号源。由于振荡电路产生的源信号为215Hz，而秒的基准信号频率为1Hz，则需要对

215Hz信号进行分频，得到1Hz信号。分频器采用CD4060和74LS74来实现，CD4060为14

位二进制串行计数器，各管脚功能如表1.1所示，功能表如表1.2所示。虽然CD4060内

部有14级由T触发器构成的二分频器，但实际输出端只有10个：Q4~Q10、Q12~Q14。Q1~Q3以

及Q11并不引出。、、CP0为晶振电路的引出端，需接外部石英晶体。Cr为复零端，为高电

平或正脉冲时振荡器停振。从输出功能看，CD4060能得到10种不同的分频系数，最小为

24分频，最大为214分频，即将215Hz送入该芯片，最大分频输出Q14输出信号频率为2Hz。

由于CD4060最多能完成14级二分频，所以还需要再加一级二分频，才能把4060输

出的2Hz信号变成秒信号。外接二分频器可采用D触发器（74LS74）构成的二分频电路，

74LS74管脚功能如表1.3所示，该芯片有上片和下片两个D触发器，2Hz信号经过二分频

电路得到1Hz的秒脉冲信号，即将D触发器的同相位输出Q端与触发信号D端连接在一

起，复位端和控制端接电源，使该两端口无效，则Q端的输出信号即为1Hz的秒脉冲信

号。

所用器件：215Hz晶体管1个、22MΩ电阻1个、20pF电容1个、10pF电容1个、

CD4060（分频器）1片、74LS74（D触发器）1片。

表1.1CD4060管脚功能

表1.2CD4060功能表

表1.374LS74管脚功能

2．计时电路

该电路是本实验的关键部分，由分计数器、秒十位计数器和秒个位计数器构成，电路

均使用CD4518BCD码计数器来实现。CD4518管教如图1.4所示，该计数器为双十进制同步

加法计数器，片子内部封装两个相同且独立的十进制计数器，每个计数器中都含有四位二

进制的技术单元，每个计数器含有两个时钟输入端“CP”和“EN”，简称双时钟，可以根

据使用要求来选择不同的时钟输入，两者所不同在于：“CP”端对时钟的上升沿有效，

“EN”端对时钟的下降沿有效。该计数器功能表如表1.4所示。

图1.4CD4518管教图

表1.4CD4518功能表

计时整体电路如图1.5所示，分位计数器和秒个位计数器均是从0~9循环计数（模10

计数），可采用CD4518直接实现十进制计数功能；秒十位计数器为六进制计数器，需要

，将CD4518的模10计数变换为一个从0～5循环的模六计数：当4518计数到6时，将Q

C

Q

引到与门74LS21的输入端，此时74LS21输出一个高电压，送回至4518的Cr端，实现B

复位（4518回0），由于4518的Cr端为异步复位，因此4518需要计数到6时才引出复

位信号，并且6状态非常短暂，显示器并不显示，所以实际效果还是0~5显示。74LS21为

四输入与门，片子内部封装两个相同且独立的四输入与门，该电路中只用到1个与门的2个输入，因此需要将该与门的其他两个输入端接5V电源+极，不可悬空不接。

和GND端）分别连接至5V电源+、-极；对搭建电路时，首先将所有芯片电源端（V

CC

于秒个位计数器，将秒信号发生电路输出的秒信号(1Hz信号)送入秒个位计数器的2CP 端，同时2EN端接5V电源+极，2Cr端接5V电源-极（注意：当清零电路搭建完成后，需将清零电路的输出替换2Cr端的5V电源-极），秒个位计数器即可完成0~9循环计数；对于秒十位计数器，将秒个位计数器的输出2QD端送入秒十位计数器的2EN端，完成秒个位到秒十位的进位（当秒个位计数器从9跳至0时，2QD端得到0~9循环计数过程中唯一的下降沿，将此下降沿送至秒十位计数器的2EN端，即可实现秒十位计数器加1，实现进位），同时2CP端接5V电源+极，秒十位计数器即可在进位信号的驱动下完成0~5循环计

端送入分位计数器的2EN端，完成秒十数。对于分位计数器，将秒十位计数器的输出2Q

C

位到分位的进位（当秒十位计数器从5跳至0时，2Q

端得到0~5循环计数过程中唯一的

C

下降沿，将此下降沿送至分位计数器的2EN端，即可实现分位计数器加1，实现进位），同时2CP端接5V电源+极，2Cr端接5V电源-极（注意：当清零电路搭建完成后，需将清零电路的输出替换2Cr端的5V电源-极），分位计数器即可完成0~9循环计数。

所用器件：CD4518（计数器）3片、74LS21（与门）1片。

图1.5计时电路

3．清零电路

该电路具有开机清零和手动清零功能。电路原理如图1.6所示，将图1.5计时电路的秒个位和分位的清零端即CD4518的管脚15（高电压有效）原来的接5V电源-极导线拔开，将非门输出送至2Cr端，而秒十位CD4518的清零端原来接74LS21的输出，需要将此输出和图1.6中非门输出送入一个或门，再将或门输出送至秒十位CD4518的清零端，才能同时实现秒十位计数器的清零功能和模6计数功能。电路管脚连接如图1.7所示，对于清零电路，电路正常工作时开关打开，刚开机时，由于电容上的电压不能突变，电容两端