电子技术课程设计      

数字电子钟

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摘要

本课程设计的主题是数字电子钟。该电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、显示器组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，这里用多谐振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60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60进制计数器，每累计60分钟，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进制计时器，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态送到七段显示译码器进行译码，通过六个LED七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。

本作品的主要设计目的是熟练使用555定时器构成多谐振荡器的方法，掌握使用74LS161构成60进制计数器的方法以及使用74LS160构成24进制计数器的方法，理解在实际的设计电路中电压电流关系对整个电路功能的实现所具有的重要性。

关键词：数字电子钟；555定时器；60进制计数器；24进制计数器；共阴极七段显示译码器；

综述

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。因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器和振荡器组成。作为自动化的一名学生掌握并能够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，在老师和学校的号召下，经过查阅许多相关书籍和浏览许多网络资源，我做了这款简单数字电子钟的设计。

第一章  方案设计与选择

数字电子技术的复杂性和灵活性决定了数字电子钟的设计方案有多种，以下是本设计的方案选择。

一、脉冲信号源的选择

多谐振荡器，信号发生器，脉冲芯片以及石英晶体振荡器等方式都可以作为脉冲信号源，在此我选择的是用555定时器制作的多谐振荡器，主要考虑的是它的易于制作和很好的稳定性。

二、时分秒计数器的选择

时分秒计数器的选择同样有多种，74LS160和 74LS161,74HC161，74LS191等等也都可以，考虑到其简单易用和作为课本上重点内容在此我选择的是74LS160和74LS161。

三、译码显示器的选择

考虑到元件的易购性和与教学内容相结合，我选用6个1位共阴极数码管作为显示器。相应的译码器选择CD4511BD。

第二章  原理设计和功能描述

2.1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，24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。

2.2数字电子钟总体框架图

    电子钟在逻辑功能上是有秒脉冲发生器、秒计数器、分计数器、时计数器、译码器、显示器等组成。其原理框图如下所示：

图2-1  电子钟基本结构示意图

2.3单元电路的设计

2.3.1数字电子钟原理图

图2-2  数字电子钟原理图

2.3.2多谐振荡器电路

一、工作原理

由555定时器组成的多谐振荡器如图(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)所示。

图2-3  555定时器组成的多谐振荡器及其工作波形图

设电容的初始电压＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端＝＝0<ＶＣＣ，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ２输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置1，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容Ｃ充电，逐渐升高。当上升到时，输出由0翻转为1，这时，触发顺保持状态不变。所以0时刻，上升到，比较器的输出由１变为0，这时，，触发器复0，定时器输出。

期间，，放电三极管T导通，电容Ｃ通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由0变为1，Ｒ－Ｓ触发器的，Ｑ的状态不变，的状态仍为低电平。

时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R---S触发器的1， 0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时， 0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

二、振荡周期

由图（D）可知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。

充电时间                   

放电时间

矩形波的振荡周期

因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。

在本电路中取R1=1 kΩ，R2=75kΩ，则由公式可求得T≈1.057s

多谐振荡器的电路图如下所示：

图2-4  555组成的多谐振荡器

该多谐振荡器产生的脉冲信号的波形图如图2-5所示：

图2-5  脉冲信号的波形图

2.3.3时间计数器电路

时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器、时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，时个位和时十位计数器为24进制计数器。秒、分60进制计数器原理图如图2-5所示：

图2-6  两片74LS161构成60进制计数器原理图

图2-7  两片74LS160构成24进制计数器

2.3.4显示器

数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为1位共阴极七段LED数码管，译码器选用CD4511BD。

图2-3-5  显示器电路

第三章  数字电子钟仿真

3.1 仿真效果

   本设计采用Muitisim 11进行仿真。仿真整体效果如图所示：

图3-1  整体电路仿真图

3.2 结果分析

 经测试，电路可以实现设计要求，可以实现数字钟的基本功能，秒脉冲信号及60、24进制计数器均可正常工作。所以，基于仿真结果可以认定，此次数字钟的设计是成功的。

第四章  心得体会

通过这次数字电子钟的课程设计，把课本上学到的知识与实践相结合。从中对学到的知识有了更进一步的理解，而且更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。

另外，我还渐渐熟悉了mutisim这个仿真软件的各个功能，让我体会到了期中的乐趣，还在电脑制作文档的过程中，使我对办公软件有了更进一步的了解和掌握。熟练掌握了Multisim仿真软件的使用，最重要的是提高了自己的动手实践能力。具体来说：

一、学会了如何使用Multisim 11软件。

二、在实践中了解了多种元件的功能和参数。

三、从仿真实践中不仅学会了如何去分析问题和解决问题，也体会到了成功的喜悦和失败的忧郁。

四、提高了自己的读图和分析图还有设计图的能力。

五、掌握了设计不同进制的计数器的方法。

六、学会了用555定时器来产生一定频率的脉冲的方法。

    在这次课程设计中存在的不足是由于时间紧、元件不好购买等原因，实物做的不够好，有待提高。

 总之，这次课程设计让我学到了好多东西，这种课程设计对一个大学生是非常重要的，建议学校应该多多举办类似的学习活动。

第五章  参考文献

[1] 《数字电子技术基础》，艾永乐、付子义主编 ，中国电力出版社

[2] 《电工电子实践系列教程 电子技术实践》，阎有运主编，中国矿业大学出版社

附录一：元件清单

表一：元件清单列表