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1、目 录一、引言1.1研究背景与意义1.2设计原理二、理论基础与分析2.1 石英晶体振荡器2.2 分频器2.3 时、分、秒计数器的设计2.4 译码显示电路的设计2.5 时间校正电路2.6 工作原理三、结论四、参考文献五、附录一、引言1.1研究背景与意义随着科学技术的不断发展, 人们对时间计量的精度要求越来越高。高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器, 由于电子钟、石晶表、石英钟都采用了石英技术, 因此走时精确度高, 稳定性好, 使用方便, 不需要经常调校. 数字式电子钟用集成电路计时时, 译码代替机械式传动, 用LED显示器代替指针显示进而显示时间, 减小了计时误差.这种表具有时、分、秒、
2、显示时间的功能, 还可以进行时、分、秒的校对。片选的灵活性好。1.2设计原理 图1 数字电子钟逻辑框图二、理论基础与分析主体电路由功能部件和单元电路组成。各功能部件的设计介绍分别为：2.1 石英晶体振荡器 振荡器是数字钟的核心,振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度.通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。如下图图2所示为电子手表集成电路中的晶体振荡器电路。 图2 石英晶体振荡电路 该电路由F0=32768Hz的石英晶体和一个反向器构成稳定性好、精确度高的时间标准信号源。利用石英晶体来控制振荡频率, 电阻为反馈元件, 电容C 防止寄生振荡，调节
3、可变电容C1可以对振荡器的频率进行微调，再通过反向器输出频率为32768Hz的方波脉冲信号。2.2 分频器： 石英晶体振荡器产生较高的32768Hz 的频率, 而电子钟需要秒脉冲, 故可采用分频电路实现,分频器的功能主要有两个：（1）产生标准秒脉冲信号。（2）提供功能扩展电路所需要的信号。如仿电台报时用的1KHz的高音频信号和500Hz的低音频信号，它可由74LS393（其引脚及功能表见附录）所组成，其电路图为图3所示： 图3 分频电路 对于单个二进制计数器而言，周期信号从CP端输入，则可以从Q0、Q1、Q2和Q3端分别得到2分频、4分频、8分频和16分频的信号。本电路中石英晶体振荡器产生的3
4、2768Hz的方波脉冲信号经74LS393的三次16分频和一次8分频成为1Hz的信号即秒信号。前三个16分频计数器从Q3脚输出。因而不需要清零复位。第四个8分频计数器从Q2脚输出，需要在输出的同时让计数器复位清零即构成三位二进制计数器。因此将第二个74LS393的2Q2与2CR引脚相连。第2Q2脚的输出就是秒信号，又是计数器的复位脉冲信号。2.3 时、分、秒计数器的设计图4 60 进制计数电路分和秒计数器都是模M=60的计数器，其记数规律为0001-、-585900、可选用74LS160作为计数器级联组成，其电路图如上图图4所示：由图可知CR接高电平，秒信号脉冲从CP端输入进行十进制记数，满十
5、通过CO输出进位信号，此信号用于控制秒十位计数器的记数。秒十位计数器为六进制计数器。Q1、Q2的输出端通过与非门输出构成清零复位信号给CR端，从而构成六进制计数器。同时这个信号还要作为秒计数器的进位脉冲送到分计数器。秒十位计数器的CP脉冲的输入要通过一个与门受到秒个位计数器的进位信号CO的控制。只有当CO=1时，秒计数脉冲才可能通过与门进入秒十位计数器的CP中。分计数器的组成电路与秒计数器的组成电路完全相同。不过进入CP的脉冲信号为由秒十位进位信号与非后输入的信号。 时计数器也是由两个74LS160串联组合而成。其电路图如图图5所示：图5 24 进制计数电路本电路采用时24进制显示方式。时个位
6、计数器开始作为十位计数器产生09的计时个位，当下一时间10点到时向上输出进位信号CO=1，同时时十位计数器加1，等计时到23点后再来时计数脉冲（即分记述满60）时计数器要清零复位。所以十位计数器的Q0和时个位计数器的Q1通过与非门产生清零复位信号，使时计数器具备0023循环计数的功能。然后将六个计数器的计数结果通过计数器的Q0-Q3输出端送到七端显示译码驱动电路中。其中74LS160引脚排列及功能表见附录2.4 译码显示电路的设计译码是把给定的代码进行翻译, 将时、分、秒计数器输出的四位二进制代码翻译为相应的十进制数, 并通过LED 显示器显示, 通常LED 显示器与译码器是配套使用的。我们选
7、用的七段译码驱动器(74LS247) 和数码管(LED) 是共阳接法。LED 显示器的3、8 管脚接一起, 限流电阻为200 和+ 5V联接。其中74LS147的引脚及功能表见附录。译码显示电路如图6 所示。 图6译码显示电路其中4 BI/RBI、5 RBI、3 LI引脚具有消隐、输入/串引消隐输出、串行消引输入、灯测试的功能，且为使74LS247正常工作，须将控制信号端BI/RBO、RBI、LT的引脚全部高电平。它们分别对时、分、秒计数器的输出进行译码，通过7个限流电阻与LED数码器连接。调节限流电阻的值可以改变LED亮度。LED数码器采用共阳接法，阳极采用+5V电源作为发光二极管的驱动电源
8、。2.5时间校正电路：当电子钟接通电源或者计时发现误差时, 均需要校正时间。校时电路分别实现对时、分和秒的校准。（1）时、分时间校正电路 其电路图如图所示：图7 时、分校时电路当开关S1接地时，相当于输入0，与非门被关闭，秒脉冲信号无法输入，数字电子钟正常工作。当开关S1接+5V时相当于输入1，与非门被打开,秒脉冲信号直接输入到时/分计数器中。时/分计数器按秒进行计数；当时/分计数器调整到正确的时间时，马上将开关S1切换到接地，数字电子钟进入正常工作状态。从而时计数器的调整。（2）秒时间校正电路：电路图为图8所示： 图8 秒时间校正电路 当S3开关接+5V时，相当于输入1，与门打开，秒脉冲信号
9、正常输入，数字电子钟正常工作；当S3开关接地时，相当于输入0，与门关闭，秒脉冲信号无法输入到秒计数器中，秒计数器暂停计数。当秒计数器显示的时间秒值与标准的时间秒值相同时，马上将开关S3切换到接+5V。数字电子钟要进入正常工作状态，从而实现秒计数器的调整。由数字钟系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联。这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路。级联时如果出现时序配合不同步或尖峰脉冲干扰引起逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时 经过联调并纠正设计方案中的错误和不足之处后，再测试电路的逻辑功能是否满足设计要求。最后画出满足设计要求的总体逻辑电路图，如图图9所示 ：图9 数字钟电路逻辑图2.6工作原
10、理电路通电后，由于计数器和译码器驱动电路的状态不同，数字电子钟的显示时间要通过校时电路来调整。石英晶体振荡器产生的f=32768Hz的标准时间信号经过两个74LS393二进制计数器级联分频后，从第二个74LS393的9脚输出f=1Hz的秒方波信号，它既是秒计数器的计数脉冲，同时又作为时、分校正电路的校正信号。秒脉冲信号经与门送入秒计数器的个位进行计数，秒计数器个位从0开始计数，到9后CO输出进位信号，秒十位计数器加1，如此循环下去，当秒十位计数到6时（即Q1=Q2=1），向分计数器送出进位信号，从而完成秒六十进制计数；分六十进制计数器工作原理与秒计数器完全相同；时计数器的个位在分计数器输入的进
11、位信号作用下进行09的计数，到9后再接受到分进位信号，时个位的CO输出1，通过与门输出计数脉冲使时十位的计数器加1，当时十位和时个位显示11点时，再有分进位信号脉冲输入，则时十位的Q0=1、时个位的Q1=1，经与非门输出为0，使时十位和个位清零复位，显示为00点。各计数器的输出端输出的BCD码，分别送入相应的74LS247译码驱动集成电路，输出到LED共阳极数码管进行时间的显示。三、结论 利用中小规模的集成电路设计了一台性能先进的数字电子钟。该数字电子钟具有显示当前时、分、秒的时间、校时等功能。在该系统中集成计数器是关键部件，由它构成了60进制秒计数器、60进制分计数器和24进制时计数器，并用
12、LED七段数码显示器显示这三个计数器的输出。在校时电路中，秒校时电路和分、时校时电路分别采用等待校时和加速校时来校对当前的显示时间。四、参考文献1 阎石. 数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，1998.2 童诗白等.模拟电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，2001.3 康华光.电子技术基础 数字部分（第四版）. 北京：高等教育出版社，2000.4 电子工程手册编委会，集成电路手册编委会.中外集成电路简明速查手册，TTL、CMOS电路，北京：电子工业出版社，1991.5 张义和.Protel DXP电路设计大全. 北京：中国铁道出版社，2005.6 杨刚，周群.电子系统
13、设计与实践. 北京：电子工业出版社，2004.7 王春兴主编.电子技术实验教程.济南：山东大学出版社，2005.8 南新志，刘计训主编.数字电路实验教程. 济南：山东大学出版社，2003.9 徐淑华主编.电工电子技术实验教程. 济南：山东大学出版社，2005.10 李伟，等. 基于EWB的数字钟设计与实现.现代电子技术. 2006（8）：115-117.11 方飞，谢丽春. EDA设计性实验课教学研究数字钟的设计. 曲靖师范学院学报 , 2005，24（6）：96-99.12 张吉卫，王晓红. 基于单片机的多功能数字钟系统设计. 电子世界 , 2005（4）：9-10.13 崔山等.2004年
14、山东省大学生电子设计竞赛一等奖多功能数字钟(B题) . 电子世界 , 2005（06）：40-44.14 赵淑范.数字电子钟的设计. 长春大学学报 , 2004，14（4）：36-39.15 何宏森. 多功能智能电子钟的设计. 兵工自动化 , 2005，24（4）：82-84.五、附录（1）74LS160引脚图4-100 74LS160真值表( H:高电平，L:低电平，-:上升沿，X:任意，d0 d3 :D0D3稳态输入电平)输入输出CrLDENPENTCPD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3LXXXXXXXXLLLLHLXX-d0d1d2d3d0d1d2d3HHHH-XXXX计数HHLXXXXX
15、X保持HHXLXXXXX保持（2）74LS247引脚图4-108 74LS247真值表（H：高电平，L：低电平，：任意，0：截止态）十进制数或功能输入/ 输出字形DCBAabcdefg0HHLLLLHLLLLLLO01HLLLHHOLLOOOO12HLLHLHLLOLLOL23HLLHHHLLLLOOL34HLHLLHOLLOOLL45HLHLHHLOLLOLL56HLHHLHLOLLLLL67HLHHHHLLLOOOO78HHLLLHLLLLLLL89HHLLHHLLLLOLL910HHLHLHOOOLLOL11HHLHHHOOOLOOL12HHHLLHOLOOOLL13HHHLHHLOOLOLL14HHHHLHOOOLLLL15HHHHHHOOOOOOO无消隐LOOOOOOO无脉冲消隐HLLLLLLOOOOOOO无灯测试LHLLLLLLL8（3）74LS393计数器引脚图4-130 74LS393真值表( H:高电平，L:低电平，-:上升沿，X:任意，)输入输出CRCPQ3Q2Q1Q0COHXLLLL（异步清零）LLX保持LL-D3D2D1D0（同步置数）L