目 录
摘要... I
1 数字钟的构成... 1
2 数字钟单元电路的设计... 3
2.1 振荡器电路设计... 3
2.2 时间计数单元设计... 3
2.2.1 集成异步计数器74LS90. 3
2.2.2 用74LS90构成秒和分计数器电路... 5
2.2.3 用74LS90构成时计数器电路... 6
2.2.4 时间计数单元总电路... 6
2.3 译码显示单元电路设计... 7
2.3.1 译码器74LS48 . 7
2.3.2 显示器LG5011AH.. 9
2.3.3 译码显示电路... 10
2.4 校时单元电路设计... 11
3 数字钟的实现电路及其工作原理... 12
4 电路的安装与调试... 13
5 课程设计心得体会... 14
参考文献.... 15
附录1. 16
摘 要
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字电子钟，从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。数字电子钟有以下几部分组成：振荡器，分频器，60进制的秒、分计时器和24进制计时计数器，秒、分、时的译码显示部分及校正电路等。采用74LS系列（双列直插式）中小规模集成芯片进行硬件的焊接。
关键词：数字钟 振荡器 计数器 译码驱动
1 数字钟的构成
数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。主要由振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，通常使用石英晶体震荡器，然后经过分频器输出标准秒脉冲，或者由555构成的多谐振荡器来直接产生1HZ的脉冲信号。秒计数器满60后向分计数器进位，分计数器满60后向小时计数器进位，小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。由于计数的起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路上加一个校时电路，当计时出现误差时，可以用校时电路校时、校分。如图 1-1所示为数字钟电路系统的组成框图。
图1-1数字钟电路系统的组成框图
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，一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。通常选用石英晶体构成振荡器电路构成振荡器。也可以由555定时器组成。
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及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，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。
译码驱动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。
显示电路的组成主要是数码管，数码管由7个发光二极管组成，行成一个日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极，本设计中为共阴极七段显示LED数码管。
当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正，所以数字钟应具有分校正和时校正功能。对校时电路的要求是：在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。
2 数字钟单元电路的设计
2.1振荡器电路设计
图2-1 用555定时器组成振荡器的电路
2.2时间计数单元设计
时间计数单元由时计数、分计数和秒计数等几个部分组成。时计数单元为24数器计数，其输出为两位8421BCD码形式，分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。本实验采取了用两块74LS90芯片进行级联来产生60进制和24进制计数器。
2.2.1集成异步计数器74LS90
74LS90是异步二—五—十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。如图2-2为74LS90引脚图，表2.1为74LS90的功能表。
图2-2 74LS90引脚图
表2-1 74LS90的功能表
通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能，而且还可借助R01、R02对计数器清零，借助S91、S92将计数器置9。其具体功能详述如下：
(1)计数脉冲从INA输入，QA作为输出端，为二进制计数器。
(2)计数脉冲从INB输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。
(3)若将INB和QA相连，计数脉冲由INA输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，
则构成异步8421码十进制加法计数器。
(4)若将INA与QD相连，计数脉冲由INB输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，
则构成异步5421码十进制加法计数器。
(5)清零、置9功能。
a) 异步清零
当R01、R02均为“1”，S91、S92中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。
b) 置9功能
当S91、S92均为“1”；R01、R02中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝1001。
2.2.2 用74LS90构成秒和分计数器电路
秒个位计数单元为10计数器，无需进制转换，只需将QA与INB相连即可。INA与1HZ秒输入信号相连，QD可作为进位信号与十位计数单元的INA相连。秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。将10进制计数器转换为6进制计数器的电路连接方法为：将QB ，QC分别与两个清零端R01，R02相连接。QC可作为进位信号与分个位的计数单元的INA相连，如图2-3所示。
图2-3 秒和分计数器的连接电路图
分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，也是分个位计数单元的QD作为进位信号与分十位计数单元的INA相连，分十位计数单元的QC作为进位信号应与时个位计数单元的INB相连。秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换，将10进制计数器转换为6进制计数器的电路连接方法为：将QB ，QC分别与两个清零端R01，R02相连接。
2.2.3用74LS90构成时计数器电路
时个位计数单元电路结构仍与秒个位计数单元相同，但是要求整个时计数单元应为24进制计数器，所以在两块74LS90构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。清零方法为：将两片74LS90的两个清零端R01和R02分别连接起来，再将时个位的QB 与R01相连，将时十位的QC 与R02相连接。如图2-4所示电路
图2-4 时计数器连接电路图
2.2.4 时间计数单元总电路
如图2-5所示电路为数字钟的时间计数单元电路连接图，从图中可以看出，所有的置9端及接地端都接地，所有74LS90的VCC都接上电源。
图2-5 数字钟的时间计数单元电路连接图
2.3译码显示单元电路设计
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为七段数码管的正常工作提供足够的工作电流。
译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的工作是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信号等。译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。用于驱动LED七段数码显示常用的有74LS48。
2.3.1译码器74LS48
74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。其功能是把输入的8421BCD码ABCD译成七段输出a-g，再由七段数码管显示相应的数。由74LS48和LED七段共阴极数码管组成一位数码显示电路。若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字显示。在译码器输出与数码管之间串联的R为限流电阻。当数字钟的计数器在CP脉冲的作用下，就应将其状态显示成清晰的数字符号，
74LS48的管脚如图2-6。在管脚图中，管脚LT、RBI、BI/RBO都是低电平是起作用，作用分别为：
LT为灯测检查，用LT可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。
BI是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。
RBI是灭零输入，可以按照需要将显示的零予以熄灭。BI/RBO是共用输出端，RBO称为灭零输出端，可以配合灭零输出端RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提高视图的清晰度。
图2-6 74LS48 的管脚图
74LS48的功能：74LS48的功能表如下表所示：
表2-2 74LS48 BCD七段译码驱动器功能表
（1）译码功能：将LT，RBI和BI/RBO端接高电平，输入十进制数0~9的任意一组8421BCD码（原码），则输出端a~g也会得到一组相应的7位二进制代码（74LS48驱动共阴极，输出3FH、06H、5BH…；74LS47驱动共阳极，输出COH、F9H、A4H…）。如果将这组代码输入到数码管，就可以显示出相应的十进制数。
（2）试灯功能：给试灯输入加低电平，而BI/RBO端加高电平时，则输出端a~g均为高电平。若将其输入数码管，则所有的显示段都发亮。此功能可以用于检查数码管的好坏。
（3）灭灯功能：将低电平加于灭灯输入时，不管其他输入为什么电平，所有输出端都为低电平。将这样的输出信号加至数码管，数码管将不发亮。
（4）动态灭灯功能：RBI端为灭零输入端，其作用是将数码管显示的数字0熄灭。当RBI=0，且DCBA=0000时，若LT=1，a~g输出为低电平，数码管无显示。利用该灭零端，可熄灭多位显示中不需要的零。不需要灭零时，RBI=1。
2.3.2显示器LG5011AH
图2-7是共阴极式LED数码管的原理图，使用时公共阴极接地，使每个发光二极管都处于导通状态，而且这7个发光二极管a到g分别由相应的BCD七段译码器来驱动。
图 2-7 共阴极LED数码管的原理图
在这里，我们选用型号为LG5011AH的数码管，LG5011AH的管脚功能图如图2-8所示，
图2-8 LG5011AH的管脚图
2.3.3译码显示电路
译码显示电路由共阴极译码器74LS48和七段数码管LED组成。74LS48和LG5011AH的连接图如图2-9所示。
图2-9，译码显示电路
2.4 校时单元电路设计
当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正，所以数字钟应具有分校正和时校正功能。对校时电路的要求是：在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数，所以，必须要有两个控制开关分别控制分个位和十个位的脉冲信号。在校时时，应截断分个位或者时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。
图2-10为校“时”、校“分”电路。其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关。
图2-10 校时电路
3 数字钟的实现电路及其工作原理
数字钟的完整电路图如图3-1所示：
数字钟的工作原理：首先给秒个位的INA端输入一个标准秒脉冲信号（此信号即为555脉冲发生器产生的标准脉冲信号。
（1）J3，J4开关都打向上边时，数字钟开始计数，其中，秒、分为60进制计数，时为24进制计数。
（2）J3打向上边，J4打向下边时，可以进行校分功能：手动产生单次脉冲作校时脉冲，即每拨动校时开关J1一个来回，计数器计数一次，多次拨动开关J1就可以进行准确校时。
（3）J3打向下边，J4打向上边时，可以进行校时功能，其方法与校分的方法相同。
图3-1 数字钟原理图
4电路的安装与调试
安装与调试步骤：按照图3.1所示的数字钟系统组成框图，先将秒个位、秒十位、分个位、分十位、时个位、时十位分级焊接，在经过调试没有出现问题后再将它们一一逐级级联，级联后再进行整体计时电路的调试，若此电路能够进行正常计数，那么一个完整的计时电路就出来了。最后分别进行秒脉冲发生器及调时电路的安装，经调试没有出现问题，再将它们与计时电路连接。最后进行整体电路（即数字钟）的调试。
在焊接实物与调试这个阶段，出现了比较多的问题，但是经过我们几个人的讨论及分析，最终找到了解决方案。
首先，在刚开始焊板子的时候，由于不熟悉，不小心把管脚焊错，甚至将整个底座的极性搞反，导致电路不工作。解决方法就是用吸锡器把焊错地方的锡先吸走，再一个人拿烙铁，一个人拔底座，将底座弄出来重新焊上去。
其次，由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测，发现有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好,其解决方法为把芯片拔出，根据板子孔的的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入面包板中，此后发现能正常显示。
在检测驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。 用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。
在进行分十位的调试时，发现数码管的七段显示中有一段不亮，检查电路发现数码管与译码管相连接的七个应该是200Ω的电阻，有一个却误焊上了100Ω。解决方法就是将那个电阻换上正确阻值的电阻。
在测试校准电路时发现拨动一次脉冲开关，计数器并不能准确加1，有时会出现加2的现象。究其原因发现仅仅由开关构成的校准电路有抖动现象，使得计数器计时不准确。解决方法就是在原有的校准电路中加焊一个防抖动电路，用基本RS触发器就可以实现这个目的。
5课程设计心得体会
通过本次课程设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.我这毕业设计由于我采用的是数字电路来实现的,所以电路较复杂,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.
时间很紧，这一周又在忙碌中过去了，经过一周的数电课程设计，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够设计复杂的数字钟电路，并且能够实现电路的仿真与实物板的制作与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢地熟悉了数字电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的要求设计出合适的电路，作出电路的实物并对电路进行调试。
本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的数字钟，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对数字钟的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理、译码驱动原理和校时原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图买到我们所需的原件，制作出电路板，并调试电路板。
课设的这段日子真的是给我留下了很深的印象。我总结出，在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。
虽然我现在已经初步学会了如何设计符合要求的数字钟电路，但是离真正能够利用已学的数电知识自由设计使用电路的还有一段的距离。课设的这段时间我确实受益匪浅，不仅是因为它发生在特别的实践，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步，因为进步总是让人快乐的。
参考文献
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[8] 邓勇等主编. 数字电路设计完全手册. 国防科技大学出版社，20##年6月
附录1：
元器件清单
