2024年2月12日发(作者：紫雅容)

课程设计实验

自动化(2)班 黄飞 0102621

数字电子钟

一：数字钟的组成和基本工作原理

数字电子是一个将“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，另外应有校时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由五部分组成。其整机框图如附图1所示。

（一）晶体振动器

晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。因此，一般用石英晶体振荡器经过分频得到这一信号。也可以采用由门电路或555定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

（二）计数器

有了时间标准“秒”信号后，就可以根据60秒为1分，60分为1小时，24小时为1天的计数周期，分别组成两个六十进制（秒、分）一个二十四进制（时）的计数器。将这些计数器适当连接，就可以构成秒、分、时的计数，实现计时功能。

（三）译码和数码显示电路

译码和数码显示电路是将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来，被人们的视觉器官所接受。

显示期间选用LDE七段数码管。在译码显示电路输出信号驱动下，显示出清晰，直观的数字符号。

（四）校时电路

实际的数字钟电路由于秒信号的精确性和稳定性不可能做到完全准确无误，加之电路中其他原因，数字钟总会产生走时误差的现象。因此，电路就应该有比较感性的校准时间功能的电路。

（五）报时电路

当数字钟显示整点时，应能报时。要求当数字钟的“分”和“秒”计数器计到59分50秒时，驱动音响电路，要求每隔一秒音响电路鸣叫一次，每次叫声的时间持续1秒，10秒内自动发出五声鸣叫，且前四声低，最后一声高，正好报整点。

二：设计任务书

（一）设计题目：“数字电子钟的设计”

（二）技术要求：

1：设计一台用数码管显示的具有“时”“分”“秒”功能的数字电子钟。

2：当电路发生走时误差时，要求电路具有校时（手动调节快慢）的功能。

3：要求电路具有整点报时功能，报时声响为四低一高，最后一响正好为整点。

（三）设计内容

1：电路各部分的组成及工作原理。

2：元器件的选取及其电路图和功能。

三：设计步骤与方法

（一）振荡电路

振荡器是数字电子钟的心脏，它是产生时间标准“秒”信号的电路。为了制作简便，在精度要求不高的条件下，本系统中的振荡电路选用555定时器构成的多谐振荡器，如图2所示。

图2

多谐振荡器的振荡频率可由下式估算。

f0=1/T=1/[0.69(R1+2R2)C]

若选R1=R2=10千欧姆，要在输出端得到频率为1HZ的时钟信号，则C应选47微F。调节电位器，即可调整秒信号。

CC7555单定时器的引线排列如图3所示。

图3

（二）计数器

数字钟的“秒”“分”信号产生电路都是由六十进制计数器构成，“时”信号产生电路为二十四进制计数器。它们都可以用两个“二——十进制”计数器来实现。

六十进制计数器和二十四进制计数器均可由双BCD加法计数器CC4518组成。

因为一片CC4518内含有两个十进制计数器，因此用一片CC4518就可以构成六十进制或二十四进制计数器了。

选取CC4518和与非门CC4518，采用反馈复位法构成的六十进制和二十四进制加法计数器电路分别由图4（a）和（b）所示。

图4（a） 图4（b）

我们把计数器各功能端前标有“１”的叫“计数器１”，标有“２”的叫“计数器２”。在这两个电路中，“计数器１”的控制脉冲均由ＣＰ端输入，因此１ＥＮ应接高电平；“计数器２”的控制脉冲均由ＥＮ端输入，因此２ＣＰ应接低电平。将１ＱＤ接至２ＥＮ保证了低位十进制计数器向高位计数器提供触发信号。图５是同步十进制计数器的时序图。

图5

由图５可以看出：当“计数器１”的状态由１０００１向００００转换时，１ＱＤ（２ＥＮ）正好是一个下降沿，因此高位的计数器开始计数。

在图４（a）中，将２ＱＣ和2ＱＢ相与后接至ＣＲ端，构成了六十进制计数器。在图（b）中将２ＱＢ和１ＱＣ相与后接至ＣＲ端，构成了二十四进制计数器。为了保证电路能可靠地工作，在“秒”“分”“时”计数器反馈复位支路中，加了一个RS触发器，如图6所示（以六进制电路为例）。

图6

将非门组成的RS触发器的输出接至计数器的复位端，展宽了复位和进位信号的脉冲宽度，使其在本位可靠地复位的同时向高位提供了进位触发脉冲。

与非门选用二输入四与非门CC4011，其外部引线如图7所示。

图7

（三）译码显示电路

当数字钟的计数器在CP脉冲的作用下，按60秒为1分，60分为1小时，24小时为1天的计数规律计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号。这就需要将计数器的状态进行译码并显示出来。

我们选用的计数器全部是二——十进制集成片，“秒”“分”“时”的个位和十位的状态分别由集成片中的四个触发器的输出状态来反映的。每组（四个）输出的计数状态都按BCD代码以高低电平来表现。因此，需经译码电路RCD代码变成能驱动七段数码显示器的工作信号。

现以六十进制“秒”计时电路为例，将计数器、译码显示器和显示数码管连在一起，其电路示意图如图8所示。

图8

（四）校时电路

当时钟指示不准或停摆时，就需要校准时间。校准的方法很多，常用的有“快速校时法”。现在就以“分计时器”的校时电路为例，简要说明它的校时原理，如图9所示。

‘分计数器’的CP端

图9

与非门1，2构成的双稳态触发器，可以将1HZ的“秒”信号和“秒计数器的进位信号”送至“分计数器的CP端”。两个信号中究竟选哪个送入由开关K

控制，它的工作过程是这样的：

当开关K置“B”端时，与非门1输出低电平，门2输出高电平。“秒计数器进位信号”通过门4和门5送至“分计数器的CP端”，使“分计数器”正常工作；需要校正“分计数器”是，将开关K置“A”端，与非门1输出高电平，门2输出低电平，门4封锁“秒计数器进位信号”，而门3将1HZ的CP信号通过门3和门5送至“分计时器”的CP控制端，使“分计数器”在“秒”信号的控制下“快速”计数，直至正确的时间，再将开关置于“B”端，以达到校准时间的目的。另外，通常数字电子钟都还有‘慢速校时法’可以来校准，这样会使电子钟更加方便和人性化。而‘慢速校时法’的原理则基本和‘快速校时法’差不多。

（五）整点报时电路

整点报时是数字电子钟最基本的功能之一。现在所要设计的电路则要求在离整点还差10秒时，每隔1秒钟就鸣叫一次，而每次鸣叫持续的时间则为1秒，总共响5次，前四次为低音500HZ，最后一声为高音1000HZ。也就是说，利用通过的信号频率高低不同来控制喇叭鸣叫声大小的这一原理来实现设计要求，以达到给予提醒的目的，这是一种既简单又实用的方法。整点报时电路的电路原理如图10所示。

整点报时电路主要由控制门和音响电路两部分组成。

1：控制门电路部分

由与非门1~8组成。图中与非门1，3，5的输入信号Q4、Q3、Q2、Q1分别表示“分十位”“分个位”“秒十位”和“秒个位”的状态，下标中D、C、B、A分别表示组成计数的四个触发器的状态。

由图10可以看出：Y1=QC4QA4QD3QA3

Y2=Y1QC2QA2

Y3=Y2QD1QA1f1（1KHZ）

Y4=Y2QD1QA1f2（500HZ）

根据设计要求，数字钟电路要去在59分51秒、53秒、55秒、57秒和59秒时各鸣叫一次。

当计数器计到59分50秒时，分、秒计数状态为：

QD4QC4QB4QA4=0101（分十位）

QD3QC3QB3QA3=1001（分个位）

QD2QC2QB2QA2=0101（秒十位）

QD1QC1QB1QA1=0000（秒个位）

要求音响电路工作，计数器状态的变化仅发生在59分50秒至59秒之间。因此，只有秒个位的状态发生变化，而其他计数器的状态无需变化，所以可保持QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不变。将它们相与Y=QC4QA4QD3QA3QC2QA2=1。将此信号作为与非门5 .6的控制信号。

由图10可以看出：Y5=Y3Y4=Y3+Y4=Y2QD1QA1f1（1KHZ）+Y2QD1QA1f2（500HZ）

可见要使Y5=1，在Y2=1的情况下（即59分50秒不变的前提下）有以下两种情况：（1）当1000HZ信号输入时，应使1的状态为1，即QD1QC1QB1QA1=1001，即59秒。（2）当500HZ信号输入时，应使QD1QA1的状态为1，即QD1=0，QA1=1，我们把Q1状态的真值表列于表1中。

由表1可以看出QD1=0，QA1=1所有状态组合只有四种，即0001，0011，0101，0111，它们分别表示51秒、53秒、55秒和57秒。

2：音响电路

音响电路采用射极输出器，推动8欧姆的喇叭，三极管基极串联1千欧姆限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭，集电极串联51欧姆限流电阻，三极管选用高频的小功率管即可。

当Y5端为高电平时，三极管T导通，有电流经喇叭，使之发出鸣叫声。通过以上分析可以知道，当计时至59分51、53、55、57秒时，频率为500HZ的信号通过喇叭，当计时至59分59秒时，频率为1000HZ的信号通过喇叭，因而发出四低一高的声音，音响结束是正好为59分60秒。

表1

QD1 QC1 QB1 QA1 1

0 0 0 0 0

0 0 0 1 1

0 0 1 0 0

0 0 1 1 1

0 1 0 0 0

0 1 0 1 1

0 1 1 0 0

0 1 1 1 1

元器件清单：与非门：22

LED七段数码管：6

电源+5～10 CC7555定时器 CC4518 :3

开关:3 石英振荡器 C150:3 非门：6 喇叭：1

C:0.01U(1) 240PF(1) 三极管一个（NPN） 可变电容一个：0 ~30pf

电阻：R

11个 1K 可变电阻一个1K

心得：通过本次设计。对电子元器件的应用有了一个总的了解。培养了自己综合分析的能力，设计电路的能力。另外在查找材料的过程中，认识了一些芯片，增长了课外知识，对各个电路的单个设计到整体的组合，在集体的讨论中解决了一些问题。另外掌握了protel软件的应用。最重要的还是将所学知识应用到实践中，不仅加深了对课本知识的印象，也培养了自己的兴趣。

2024年2月12日发(作者：紫雅容)

课程设计实验

自动化(2)班 黄飞 0102621

数字电子钟

一：数字钟的组成和基本工作原理

数字电子是一个将“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，另外应有校时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由五部分组成。其整机框图如附图1所示。

（一）晶体振动器

晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。因此，一般用石英晶体振荡器经过分频得到这一信号。也可以采用由门电路或555定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

（二）计数器

有了时间标准“秒”信号后，就可以根据60秒为1分，60分为1小时，24小时为1天的计数周期，分别组成两个六十进制（秒、分）一个二十四进制（时）的计数器。将这些计数器适当连接，就可以构成秒、分、时的计数，实现计时功能。

（三）译码和数码显示电路

译码和数码显示电路是将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来，被人们的视觉器官所接受。

显示期间选用LDE七段数码管。在译码显示电路输出信号驱动下，显示出清晰，直观的数字符号。

（四）校时电路

实际的数字钟电路由于秒信号的精确性和稳定性不可能做到完全准确无误，加之电路中其他原因，数字钟总会产生走时误差的现象。因此，电路就应该有比较感性的校准时间功能的电路。

（五）报时电路

当数字钟显示整点时，应能报时。要求当数字钟的“分”和“秒”计数器计到59分50秒时，驱动音响电路，要求每隔一秒音响电路鸣叫一次，每次叫声的时间持续1秒，10秒内自动发出五声鸣叫，且前四声低，最后一声高，正好报整点。

二：设计任务书

（一）设计题目：“数字电子钟的设计”

（二）技术要求：

1：设计一台用数码管显示的具有“时”“分”“秒”功能的数字电子钟。

2：当电路发生走时误差时，要求电路具有校时（手动调节快慢）的功能。

3：要求电路具有整点报时功能，报时声响为四低一高，最后一响正好为整点。

（三）设计内容

1：电路各部分的组成及工作原理。

2：元器件的选取及其电路图和功能。

三：设计步骤与方法

（一）振荡电路

振荡器是数字电子钟的心脏，它是产生时间标准“秒”信号的电路。为了制作简便，在精度要求不高的条件下，本系统中的振荡电路选用555定时器构成的多谐振荡器，如图2所示。

图2

多谐振荡器的振荡频率可由下式估算。

f0=1/T=1/[0.69(R1+2R2)C]

若选R1=R2=10千欧姆，要在输出端得到频率为1HZ的时钟信号，则C应选47微F。调节电位器，即可调整秒信号。

CC7555单定时器的引线排列如图3所示。

图3

（二）计数器

数字钟的“秒”“分”信号产生电路都是由六十进制计数器构成，“时”信号产生电路为二十四进制计数器。它们都可以用两个“二——十进制”计数器来实现。

六十进制计数器和二十四进制计数器均可由双BCD加法计数器CC4518组成。

因为一片CC4518内含有两个十进制计数器，因此用一片CC4518就可以构成六十进制或二十四进制计数器了。

选取CC4518和与非门CC4518，采用反馈复位法构成的六十进制和二十四进制加法计数器电路分别由图4（a）和（b）所示。

图4（a） 图4（b）

我们把计数器各功能端前标有“１”的叫“计数器１”，标有“２”的叫“计数器２”。在这两个电路中，“计数器１”的控制脉冲均由ＣＰ端输入，因此１ＥＮ应接高电平；“计数器２”的控制脉冲均由ＥＮ端输入，因此２ＣＰ应接低电平。将１ＱＤ接至２ＥＮ保证了低位十进制计数器向高位计数器提供触发信号。图５是同步十进制计数器的时序图。

图5

由图５可以看出：当“计数器１”的状态由１０００１向００００转换时，１ＱＤ（２ＥＮ）正好是一个下降沿，因此高位的计数器开始计数。

在图４（a）中，将２ＱＣ和2ＱＢ相与后接至ＣＲ端，构成了六十进制计数器。在图（b）中将２ＱＢ和１ＱＣ相与后接至ＣＲ端，构成了二十四进制计数器。为了保证电路能可靠地工作，在“秒”“分”“时”计数器反馈复位支路中，加了一个RS触发器，如图6所示（以六进制电路为例）。

图6

将非门组成的RS触发器的输出接至计数器的复位端，展宽了复位和进位信号的脉冲宽度，使其在本位可靠地复位的同时向高位提供了进位触发脉冲。

与非门选用二输入四与非门CC4011，其外部引线如图7所示。

图7

（三）译码显示电路

当数字钟的计数器在CP脉冲的作用下，按60秒为1分，60分为1小时，24小时为1天的计数规律计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号。这就需要将计数器的状态进行译码并显示出来。

我们选用的计数器全部是二——十进制集成片，“秒”“分”“时”的个位和十位的状态分别由集成片中的四个触发器的输出状态来反映的。每组（四个）输出的计数状态都按BCD代码以高低电平来表现。因此，需经译码电路RCD代码变成能驱动七段数码显示器的工作信号。

现以六十进制“秒”计时电路为例，将计数器、译码显示器和显示数码管连在一起，其电路示意图如图8所示。

图8

（四）校时电路

当时钟指示不准或停摆时，就需要校准时间。校准的方法很多，常用的有“快速校时法”。现在就以“分计时器”的校时电路为例，简要说明它的校时原理，如图9所示。

‘分计数器’的CP端

图9

与非门1，2构成的双稳态触发器，可以将1HZ的“秒”信号和“秒计数器的进位信号”送至“分计数器的CP端”。两个信号中究竟选哪个送入由开关K

控制，它的工作过程是这样的：

当开关K置“B”端时，与非门1输出低电平，门2输出高电平。“秒计数器进位信号”通过门4和门5送至“分计数器的CP端”，使“分计数器”正常工作；需要校正“分计数器”是，将开关K置“A”端，与非门1输出高电平，门2输出低电平，门4封锁“秒计数器进位信号”，而门3将1HZ的CP信号通过门3和门5送至“分计时器”的CP控制端，使“分计数器”在“秒”信号的控制下“快速”计数，直至正确的时间，再将开关置于“B”端，以达到校准时间的目的。另外，通常数字电子钟都还有‘慢速校时法’可以来校准，这样会使电子钟更加方便和人性化。而‘慢速校时法’的原理则基本和‘快速校时法’差不多。

（五）整点报时电路

整点报时是数字电子钟最基本的功能之一。现在所要设计的电路则要求在离整点还差10秒时，每隔1秒钟就鸣叫一次，而每次鸣叫持续的时间则为1秒，总共响5次，前四次为低音500HZ，最后一声为高音1000HZ。也就是说，利用通过的信号频率高低不同来控制喇叭鸣叫声大小的这一原理来实现设计要求，以达到给予提醒的目的，这是一种既简单又实用的方法。整点报时电路的电路原理如图10所示。

整点报时电路主要由控制门和音响电路两部分组成。

1：控制门电路部分

由与非门1~8组成。图中与非门1，3，5的输入信号Q4、Q3、Q2、Q1分别表示“分十位”“分个位”“秒十位”和“秒个位”的状态，下标中D、C、B、A分别表示组成计数的四个触发器的状态。

由图10可以看出：Y1=QC4QA4QD3QA3

Y2=Y1QC2QA2

Y3=Y2QD1QA1f1（1KHZ）

Y4=Y2QD1QA1f2（500HZ）

根据设计要求，数字钟电路要去在59分51秒、53秒、55秒、57秒和59秒时各鸣叫一次。

当计数器计到59分50秒时，分、秒计数状态为：

QD4QC4QB4QA4=0101（分十位）

QD3QC3QB3QA3=1001（分个位）

QD2QC2QB2QA2=0101（秒十位）

QD1QC1QB1QA1=0000（秒个位）

要求音响电路工作，计数器状态的变化仅发生在59分50秒至59秒之间。因此，只有秒个位的状态发生变化，而其他计数器的状态无需变化，所以可保持QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不变。将它们相与Y=QC4QA4QD3QA3QC2QA2=1。将此信号作为与非门5 .6的控制信号。

由图10可以看出：Y5=Y3Y4=Y3+Y4=Y2QD1QA1f1（1KHZ）+Y2QD1QA1f2（500HZ）

可见要使Y5=1，在Y2=1的情况下（即59分50秒不变的前提下）有以下两种情况：（1）当1000HZ信号输入时，应使1的状态为1，即QD1QC1QB1QA1=1001，即59秒。（2）当500HZ信号输入时，应使QD1QA1的状态为1，即QD1=0，QA1=1，我们把Q1状态的真值表列于表1中。

由表1可以看出QD1=0，QA1=1所有状态组合只有四种，即0001，0011，0101，0111，它们分别表示51秒、53秒、55秒和57秒。

2：音响电路

音响电路采用射极输出器，推动8欧姆的喇叭，三极管基极串联1千欧姆限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭，集电极串联51欧姆限流电阻，三极管选用高频的小功率管即可。

当Y5端为高电平时，三极管T导通，有电流经喇叭，使之发出鸣叫声。通过以上分析可以知道，当计时至59分51、53、55、57秒时，频率为500HZ的信号通过喇叭，当计时至59分59秒时，频率为1000HZ的信号通过喇叭，因而发出四低一高的声音，音响结束是正好为59分60秒。

表1

QD1 QC1 QB1 QA1 1

0 0 0 0 0

0 0 0 1 1

0 0 1 0 0

0 0 1 1 1

0 1 0 0 0

0 1 0 1 1

0 1 1 0 0

0 1 1 1 1

元器件清单：与非门：22

LED七段数码管：6

电源+5～10 CC7555定时器 CC4518 :3

开关:3 石英振荡器 C150:3 非门：6 喇叭：1

C:0.01U(1) 240PF(1) 三极管一个（NPN） 可变电容一个：0 ~30pf

电阻：R

11个 1K 可变电阻一个1K

心得：通过本次设计。对电子元器件的应用有了一个总的了解。培养了自己综合分析的能力，设计电路的能力。另外在查找材料的过程中，认识了一些芯片，增长了课外知识，对各个电路的单个设计到整体的组合，在集体的讨论中解决了一些问题。另外掌握了protel软件的应用。最重要的还是将所学知识应用到实践中，不仅加深了对课本知识的印象，也培养了自己的兴趣。