數字鐘設計

侯林伶　張立　蔣旭　鄒順華

摘 要 該系統由四個部分組成：555時基電路組成的多諧振蕩器、校時電路、計數進位電路以及數碼管顯示電路。同時也可以劃分為三大模塊即振蕩器產生脈沖電路模塊、計數校時電路模塊、數碼管顯示模塊。振蕩器產生脈沖模塊用555時基電路組成多諧振蕩器產生1HZ的秒脈沖信號；計數校時模塊則在秒脈沖的作用下開始計數進位同時可以進行時、分的校驗；數碼管顯示電路主要是顯示計數脈沖的結果。這就是該數字鐘電路系統的主要原理框架。

關鍵詞 555多諧振蕩器 數碼管顯示 計數器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

0前言

這次課程設計的任務是設計一個數字鐘電路，數字鐘是采用數字電路實現對時、分、秒數字顯示的計時裝置，廣泛用于個人家庭、車站、碼頭、辦公室等公共場所，已成為人們日常生活中不可少的必需品，由于數字集成電路的發展和石英晶體與555振蕩器的廣泛應用，使得數字鐘的精度遠遠超過老式鐘表，鐘表的數字化給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。盡管設計的數字鐘電路計時不夠精確，也不能起到定時鬧鐘等功能，所用的器件也只是555時基電路、計數器74ls90、數碼管顯示CC4511等器件。但在這次的數字鐘電路設計中我得到了更多的實踐，幫助我發現了在書本上不會出現的問題，也就是在此次設計的過程中遇到的許多問題。最終還是在老師的指導下完成了整個數字鐘電路的設計工作。數字鐘電路是由555時基電路構成的多諧振蕩電路來提供1khz的信號脈沖，秒信號脈沖用來驅動計數器，后計數器記錄的數字由4511與數碼管組成的顯示電路顯示出來，最后可以使用校時電路來檢驗該電路的分、時計數進位是否正確。

（1）設計目標。

本課程設計中準備應用中小規模集成芯片設計數字時鐘，能夠實現精確計時功能。構成簡單數字時鐘主要構成部件有數碼管顯示譯碼器CD4511、計數器74LS190和74ls92和多諧振蕩器。

1總體方案設計

1.1方案比較

1.1.1方案一

方案一的數字電子鐘邏輯框圖由555集成芯片構成的多諧振蕩電路、計數器、數碼管顯示器和鬧鐘定時電路組成。555集成芯片構成的振蕩電路產生的信號經過分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計數器，計數結果通過“時”、“分”、“秒”譯碼器顯示。

1.1.2方案二

工作時，由555時基電路構成多諧振蕩器產生的秒脈沖信號。并送計秒電路計數，當秒計數器計滿60秒時，輸出秒進位脈沖，送計分電路計數，當計分器計滿60分時，輸出分進位脈沖，送計時電路計數，當計時電路滿24時，時、分、秒計數器同時復零，又開始新一天的計時，可以用校時電路進行校時。

1.2方案論證

兩種方案都可行，方案二的電路系統由四部分電路組成，既由多諧振蕩電路、計數電路、數碼管顯示電路以及校時電路組成。而方案一，比方案二少了校時電路，但多了一個鬧鐘定時電路。第二個方案比較的實用，但沒有第一個方案簡單容易實現，而且第一個方案中的校時電路對數字鐘來說比鬧鐘定時電路必要的多。基于電路復雜程度以及時鐘的功能必要性，我選擇方案二。

圖1：方案二的原理框圖

2單元模塊設計

2.1各單元模塊功能介紹及電路設計

本系統主要分為4個單元模塊，它們分別是：多諧振振蕩器模塊、計數模塊、譯碼顯示模塊和校時模塊。各單元模塊功能及相關電路的具體說明如下。

2.1.1振蕩器設計

一般說來，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。本設計中采用由集成由555振蕩器、電阻和電容組成。由于555定時器內部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，所以用555定時器組成的多諧振蕩器的震蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。由555的3腳輸出的頻率為1HZ的方波。

2.1.2計時器模塊設計

計數部分共由4個74ls90和兩個74ls92芯片相應的門電路組成。秒計數部分由一個74ls90和一個74ls92構成構成60進制計數器，每過60s產生一個進位信號給分計數器。（分計數器采用的元器件以及相關原理和秒計數器是一樣的，所以電路原理圖和秒計數電路一致。

當秒計數夠60的時候分計數器自動計入1，工作原理與秒計數器相同，每過60分鐘，產生一個進位給時計數器。

小時計數部分為24進制計數器，當分部分記錄滿60的時候，時自動計入一。當到23再次計入一后自動清零。

2.1.3譯碼顯示模塊設計

顯示電路由譯碼器CD4511和8位共陰數碼管構成，計數器所記的數字經譯碼器譯碼，而后又有數碼管顯示。

2.1.4校時模塊設計

校時電路是數字鐘不可缺少的部分，每當數字鐘與實際時間不符時，需要根據標準時間進行校時。當數字鐘接通電源或者計時出現錯誤時，需要校正時間，校時是數字鐘應具備的基本功能。對校時電路設計要求是在“時”校正時不影響分計數器的正常計數， 在“分”校正時不影響小時的正常計數， 校時方式有快校時和慢校時兩種。當剛接通電源時或計時出現誤差時， 都需要對時間進行校正。S1， S2分別是時、分校正開關。不校正時， S1、S2是斷開的。當進行“時”校正時， 需要把S2開關閉合以切斷分進位脈沖信號同“時”計數器的聯系， 校時電路將由1Hz脈沖自動校正“時”計時器， 校正完畢后把S2斷開。“分”校時和“時”校時方法是一致的。

3軟件調試

3.1多諧振蕩器模塊仿真調試

555時基電路組成的多諧振蕩能否為電路提供標準為1Hz的基準信號，決定本設計的數字鐘能否準確的計時，所以對多諧振蕩器模塊進行仔細調試十分必要。首先在Proteus中打開設計好的仿真圖，接好示波器，可以看到仿真電路如圖2所示。

圖2：仿真界面

4結論

（1）本數字鐘設計由555多諧振蕩器產生頻率為1Hz的信號作為秒脈沖信號，分和秒為00-59六十進制，小時為00-23二十四進制，能準確顯示時間，當數字鐘接通電源或出現計時誤差時，能對電路進行校準。

（2）在使用proteus仿真軟件時，由于軟件自身的不足，仿真過程中仍然存在誤差，proteus仿真軟件只適用于低頻率的仿真，在頻率過高的時候，則會失去真實性，會產生錯誤的結果。

（3）要注意各個元器件的實時工作電壓范圍，一般都是在4.5V—5.5V之間，在通電之前必須調節好電源。

（4）該設計任然有很多不足的地方，首先就是電路設計看上去有些復雜，元器件種類有點多，它們會耗費掉一定的電力；其次就是本設計最核心的部分多諧振蕩器并不能很精準的產生1hz的秒脈沖信號，如果需要更精準的秒脈沖信號，可能需要使用晶體振蕩來產生；最后我覺得數碼管顯示部分任然有許多不足，只能使用單個的數碼管進行顯示，而不能使用兩個或四個的，略顯累贅，這些不足之處仍有待解決。

（5）本次設計時間有限，且受到能力限制，所以這個設計還有它的不足之處，它功能比較單一，還需要增加很多實用性的功能。例如鬧鐘定時等。

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