数字钟设计报告
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目 录
一、 绪 论
1.1 课程认知
数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒，数字显示的计时装置。早已成为人们日常生活中不可少的必需品，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展，数字钟的设计已经是个课程的基础。由电子电路实现一个自动数字钟，完成秒分时自动调节及其相关功能，加强学生手动实践能力成为合适首选的方案之一。
数字钟是现代计时器，也可用作时间控制的时钟源。数字钟由于其具有走时准，显示直观，款式新颖，附加功能多等优点而受到人们的欢迎。设计一个具有整点报时，可对时的数字钟 。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。如闹铃、按时自动打铃、等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
以数字电子为基础，分别对1S时钟信号输出、秒计时显示、分计时显示、小时计时显示、整点报时等进行设计，然后将它们组合，来完成功能。
并通过本次设计加深对数字电子技术的理解以及更熟练使用计数器、触发器和各种逻辑门电路的能力。电路主要使用集成计数器，例如74LS161，译码集成电路，例如74LS48，数码管，分频器电路，例如CD4060，及各种门电路和基本的触发器等，方便快捷，很适合在日常生活中使用。
1.2 设计任务
设计一个数字钟，数字钟具有基本记时和校时功能。以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。在电路中，其要用到振荡电路提供的1Hz脉冲信号。在计时出现误差时电路还可以进行校时和校分，为了使电路简单所设计的电路不具备校秒的功能。要用数码管显示时、分、秒，各位均为两位显示。
实验设计目的：掌握各芯片的逻辑功能及使用方法；掌握数字钟的设计方法和计数器相互级联的方法；进一步掌握数字系统的设计和数字系统功能的测试方法；熟悉集成电路的使用方法。
1.3 功能要求
设计一个高精度、高稳定度的时钟信号源。用秒脉冲作信号源，数字钟具有显示时、分、秒的24小时制功能和显示星期的功能。数字钟具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间。计时过程具有整点报时功能。可设定夜间某个时段不报时，上电后从“00：00”开始显示。
二、 电路设计
2.1 设计方案
根据设计要求首先建立了一个多功能 数字钟电路系统的组成框图，框图如图1所示。
由图1可知，电路的工作原理是：振荡器产生的高脉冲信号作为数字钟的振源，再经分频器输出标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器个位进位，分计数器计满60后向小时计数器个位进位并且小时计数器按照“24翻1”的规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时电路进行校时、校分、校秒。
时显示器 分显示器 秒显示器
时译码器 分译码器 秒译码器
时计数器 分计数器 秒计数器
校时电路
振荡器 分频器
2.2 单元电路设计
数字电子钟的设计方法很多种，例如，可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等。
在本次设计，电路是由许多单元电路组成的，因此首先必须对各个单元电路进行设计。下面总体进行各个部分介绍。
1.晶体振荡器电路
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。此外还有一校正电容可以对温度进行补偿，以提高频率准确度和稳定度，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
2.分频器电路
分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。
3.计数器电路
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。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。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。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。
4.译码显示电路
译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。在译码显示电路输出信号的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。译码显示电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
5.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，加之电路中其它原因，数字钟总会产生走时误差的现象。因此，电路中就应该有校准时间功能的电路。
6.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59秒时，正好报整点。
2.2.1振荡电路
数字电路中的时钟是由晶体振荡器产生的，振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。它利用某种反馈方式产生时钟信号。对数字电路来说，振荡器的输出的幅度范围为0v—5v的方波信号而不是锯齿波、三角波或其他形式。
方案一：采用集成定时电路555与RC组成的多谐振荡器，该振荡器的频率为 ，其中调整R１，Ｒ2与C可让振荡器输出1K赫兹的信号再经分频得到1赫兹的秒钟信号。
方案二：采用晶体振荡器电路，常取晶振的频率为32768Hz，因此需要外加15级2分频电路就可以正好得到1Hz的标准脉冲。
方案比较：振荡器是数字电路的核心，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，555定时器构成的多谐振荡器与迟滞比较器虽然构成简单但是稳定度与精确度都不高，且不易与调试，而晶振不但具有其它方案的优点：构成简单，而且稳定度与精确度高，易于调试。所以本实验采用晶体振荡器。
通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到１Ｈz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。本电路由谐振频率为32768Hz的石英晶体震荡器及分频器组成集成电路CD4060和D触发器74LS74组成。其中使用的CD4060的10、11脚之间并接石英晶体和反馈电阻与其内部的反相器组成一个石英晶体振荡器。电路产生的32768Hz的信号经过内部十四级分频后由3脚，输出脉冲频率为2Hz，再通过一个二分频器分频就得到了1Hz的时钟信号，也就是1S。采用CD4060来构成分频电路。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。分频器采用D触发器来完成分频功能输出秒脉冲。
原理图如下图所示：
在如上图中所示，CD4060只使用其16、12、11、10、8、3脚，其中16脚接电源正极12脚与8脚接地，10脚与11脚之间接石英晶体。电路产生的2Hz脉冲由3脚输出。74LS74为D触发器，其中1、4脚接高电平，2脚得到6脚的反馈，从而通过CD4060给的2HZ输入后实现二分频功能。
电路中的微调电容C2为频率校准电容，用来校准因各种因素造成的震荡频率偏差使电路输出准确的“秒”信号，另外CD4060的6脚5脚分别可以输出为512Hz和1024Hz,为报时电路提供音频信号。
2.2.2 电路设计
计数器是一种计算输入脉冲的时序逻辑网络，被计数的输入信号就是时序网络的时钟脉冲，它不仅可以计数而且还可以用来完成其他特定的逻辑功能，如测量、定时控制、数字运算等等。
数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和“24翻1”计数电路实现的。数字钟的计数电路的设计可以用反馈清零法。当计数器正常计数时，反馈门不起作用，只有当进位脉冲到来时，反馈信号将计数电路清零，实现相应模的循环计数。以六十进制为例，当计数器从00，01，02，……，59计数时，反馈门不起作用，只有当第60个秒脉冲到来时，反馈信号随即将计数电路清零，实现模为60的循环计数。
所以下面介绍“60进1”和“24进1”计数原理
2.2.2.1二十四进制电路设计
首先将每片74LS90构成十进制计数器；然后级联组成100进制计数器；最后采用“整体反馈清零”方法实现：
0 - 1- 2- ……- 23 00000000 – 00000001 - …………
00100011
(00100100为过渡状态)
即用十位的QB 和个位的QC送R0(1) 和 R0(2)，这样，计数范围变为 00～24即24进制计数器。
74LS90的真值表：
电路中，74LS90作为十位计数器，在电路中采用六进制计数；74LS90作为个位计数器在电路中采用十进制计数。当74LS90的14脚接振荡电路的输出脉冲1Hz时74LS90开始工作，它计时到10时向十位计数器74LS92进位。下面对电路中所用的主要元件及功能介绍。
十进制计数器 74LS90
74LS90是二—五—十进制计数器，它有两个时钟输入端CPA和CPB。其中，CPA和
组成一位二进制计数器；CPB和
组成五进制计数器；若将与
相连接，时钟脉冲从
输入，则构成了8421BCD码十进制计数器。74LS90有两个清零端R0（1）、R0（2），两个置9端R9（1）和R9（2）。
2.2.2.2六十进制电路设计
同样用2片74LS90的元件构成60进制的计数器，其构成图如下：
2.2.3 校时电路的设计
校时电路的作用是：当数字钟接通电源或者出现误差时，校正时间。校时是数字钟应具有的基本功能。一般电子表都具有时、分、秒等校时功能。为了使电路简单，在此设计中只进行分和小时的校时。
只要将2个开关接74LS90的A端和QD端即可。
（图中第一块为24进制的第二块74LS90）
2.2.4 译码和显示电路
可以用译码器加数码管连接构成。其实我们可以看到这里为共阴极大数码管，在数码管接地处接上一个470电阻，但是其实这样是不够稳定的。之后改进为数码管的每个引脚都应该接上470电阻连接到74ls48译码器。
2.2．5完整的原理图
综合上述原理，我们把相关元器件按照一定顺序连接起来，完整原理图如下图：
三、仿真以及制作
这次我使用的是Proteus软件，其实首先接触它是因为单片机的学习中有所接触，而现在听说数字钟可以进行仿真调试，便尝试着学习使用这款软件。其实这个软件功能相当强大。不仅可以实现各种仿真需求，接着根据仿真图进行PCB图的制作。在仿真过程中，你可以发现各种元件库，仿真信号输入，甚至还有示波器，电压表等一系列的仿真仪表，也可以提供信号变化图，这是类似于示波器显示信号变化图之类的，从而反映芯片变化，这也可以说成是电路测试等等。
之前我也有说，在学习单片机过程中有了解到些关于proteus软件的知识。借着数字钟的制作过程，真正上手开始使用这个软件。其实使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计真的对单片机的学习有很大帮助，对大家学习使用单片机有很大的实际制作的感觉，不需要硬件的使用，最大限度的使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高的推广利用价值。
因此在这里使用proteus，根据原理图绘制仿真图进行仿真。模拟数字钟的运行。
仿真图如下：
1、PCD出图
根据上述的原理分析，我们根据设计出来的原理图，相应的制作出了PCD图。布线过程要注意细节，很多地方都需要注意。首先从布局，走线方式，到之后飞线的连接，都需要动脑想，才能够减少飞线，甚至晶振的稳定也与布局有关。比如说电源底座插口的摆放，实际接插是否能够实现，插口是否对外；一些容易发热的器件的摆放问题；器件之间也会有相互影响，导致其功能受到影响，所以放置过程中同样需要注意；在实现功能的前提下，也可以尽量保持布线美观。
在这次制作过程中，由于是初次设计，其实在这其中还是走了些弯路。一开始自动布线，就发现有红蓝线错综复杂，而在这时候进行改画不会比自己设计简单，所以之后选择手动布线。当然手动布线还是有很多小细节要注意，比如因为芯片方向而存在的不同摆放方式，还有飞线的确定，如果要连接一条线会引起多少条飞线，以及横竖方向连线的选择，比如横方向上连线后竖方向的连线就会受到影响而不得不进行飞线。但是等一切都画好之后，才发现出现了严重问题，这就是规则的设置。便是线宽设置，以及线与线之间距离。
四、转印及制版过程
把做好的PCD图在转印纸上打印出来，后用热转印机把打印出的内容转印在铜板上面。为了跟好的出图，我们的铜板过了3次热转印机。
在转印纸上打印
这个过程还是比较麻烦的。因为转印纸上还是会被打印机弄坏的。一点要小心。这次转印过程中却使得转印的位置出现错误。看到下图中的转印纸周围的焦黄就可以发现，这张纸就是因为我的那种弄坏了不得以抱着试试的心态用这张遗弃的转印纸，结果却是成功了。
3、腐蚀铜板
把没用的部分用用胶带贴起来，可以有效的减少腐蚀时间。把转印好的铜板放入稀释了的三氯化铁中，用镊子反复的抬起和放下，直至铜板上多余的铜被腐蚀。
腐蚀铜板
4、转孔
用0.1mm的转孔机把必要的孔给转出来，以备以后的焊接。
5、完成数字钟
走完了1-5步骤后，数字钟就完成了。完成图片正面如下：
背面如图：
7、数字钟调试
可以看到下图中大致是我们焊接数字钟以及连接飞线的图，这是调试到最后的图。
五、调试及实验小结
从数字钟原理图、仿真图、PCB图，再到制版、焊接、调试，足足经历了一个多月的时间了。这样一个过程让我学会了很多，虽然结果是很不理想的。咳。不得不说我比较失败。本来老师还说要做交通灯的，我却连数字钟都没搞定。
首先，接到这个任务的时候，先听老师讲解了大致的方向，然后就开始考虑使用芯片的类型，从160、161到390，还有可以节约很多芯片的CD40110，想了好几种，也画了好几版的原理图，都因为太复杂，或者是仿真不出来就使工作一直滞后着。例如CD40110，本来是很想用这芯片来着，由于新接触怕弄错，本来仿真一下应该没问题的，但是仿真图中找不到40110芯片，貌似只有用89S52单片机芯片去改装才好。之前有找老师请教这个问题，老师也发给我了改装的方法，可是我只看会到了keil uvision4中的程序，在proteus中却不能够打开文件，我不够果断，就只选择最好确定的7490加7448来完成功能。
至于频率发生设计中，由于555不够稳定，所以从一开始就打算使用之前就有所了解的晶振加上CD4060和D触发器来实现1 HZ的输出。
5V电压输出的设计，由于有所接触到220V转5V的方法，就具体请教了一下，便打算用直接插电源的方式，当然至于连接交流插口和板子直接的线已经有了，还有一些7805之类的都有。但是后来发现其实老师有很方便的方法，所以就删除了这一部分。直接使用电源插头加上类似于充电器的连接线。貌似方便了许多。
确定好了原理图一直不敢导入PCB中，怕自己的设计错误，但是后来越来越发现，自己心中必须有谱，有把握，总是担心这个担心那个的什么也做不好。于是最后再检查几遍原理图，确定有把握了便下定决心转PCB了。
一开始画PCB的时候不是很清楚，于是发现自动布线特别多的飞线，而且进行修改也很不方便，还是选择手动布线吧。慢慢的，从芯片布局，连线方式等去考虑，尽量使得飞线最少，不过最后还是出现十几条的飞线。可是当我本以为自己画好之后却被老师和同学指点出来线宽以及线与线之间的距离、焊盘等一系列规则都没有考虑，导致很多地方都出现绿线，手忙脚乱的。咳。至于蜂鸣器部分知道了要转印的关键时候才发现原来自己理解有误，没办法，看到那么多同学都制出板子，心里着急，最后连整点报时也省了。
制版过程中有的惊心动魄，我的那么平整的转印纸却没有转印成功。但高兴地是居然一张用过的废了的转印纸却完美的印制出来了。总的来说老天帮我，成功了。之后洗铜，打孔都还是很方便的。
其实在这次protel设计图中有个比较大的失误就是没有设置焊盘。导致最后在连接飞线的时候出现一个引脚上有两三条线连着的现象，这显然不能很好的完成。焊接的时候有点困难，电焊棒又臭又烫，焊的很糟糕。焊锡总是一大堆粘在上面，把板子焊黄色了，或者松香弄了很多在板子上。二十几条飞线就这样很无奈的弄上去了。本以为这样基本完成了任务，想着之后用电源上电，有点小兴奋。但是第二天结果却发现，数字钟显示很暗的光线，而且基本是乱码，时钟也没有走。咳。
接下来就是调试的过程了。经过老师的指导，也了解了调试的方法。本来因为盲目而有的抵触心理消除了，准备静下心来进行调试。主要出现以下几个现象：
1）数码管亮度明显很小。一开始很烦躁，老师拿万用表教我怎么去检查错误，根据原理去测量电压值。我选择的是共阴的大数码管，本来应该为0V的地方却是2V多的电压，细细地检查才发现，有个刚连接起来的地方铺好的铜给焊坏了，于是用焊锡丝连接起来就解决了问题。
2）CD4060电压值为0。我将各个芯片的高低电压进行测量，确定压降。于是发现CD4060与电源接口处相连，而电源插头正极连接处虽然焊了那么多，却因为底部铜损坏而出现虚焊的现象。
3）D触发器的1、4脚为VCC，7脚为地，4和7之间有将近5V，但是1和7之间为0V。发现1和4之间出现虚焊现象，没有连接上。
4）以前一插电源直接亮数码管，现在插进电源却不能及时使数码管亮，而要摆动电源和底座。还有本来说即使是摆动电源也只会是出现数码管亮与不亮的问题，但是现在却是会出现数码管显示变化的现象。
5）电源插口依旧存在问题，完全的接触不良。还有我摆动出现过一次数码管非常正常的亮度，那鲜艳的红啊。不管我如何去焊接都会不能够正常点亮连接了。之前还是因为连接电源5V处底座的晶振发生部分出现了虚焊，现在给我弄的却是如此的糟糕。出于无奈，我只好把电源底座拔下来，用线通过确保无误的焊点处直接连接住。可是却更加的使得数码管再也不亮了。
6）现在出现的最大的问题就是，我的电源插座报废了。彻底焊坏了。这是个相当严重的问题啊。咳。都来不及挽救了。等我能够拿到新的电底源座什么都晚了。