电子技术综合训练设计 报告 多功能电子钟的设计

1、电子技术综合训练设计报告题目多功能电子钟的设计姓名：*学号：。*班级：。*同组成员：*指导教师：*日期：“*摘要数字电子钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。它将 “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，另外应有校时功能和报时等附加功能。因此， 一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时” “分” “秒”计数器，校时电 路、报时电路和振荡器组成。干电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数 器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统 的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用振荡

2、器加分频器来实现。将标 准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，译码显示电路将 “时”、“分”、“秒”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED 七段显示器显示出来。关键词：电子钟调试制作目录 TOC o 1-5 h z 1设计任务和要求41.1设计任务41.2设计要求4 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 2系统设计42.1方案设计42.2 系统工作原理5 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 3 单元电路设计53.1直流电源53.1.1电路结构及工作原理53.2秒脉冲

3、发生电路73.2.1电路结构及工作原理73.2.2电路仿真83.3计时秒计数（六十进制）电路83.3.1电路结构及工作原理83.4计时分计数（六十进制）电路123.4.1电路结构及工作原理123.5时计数（二十四进制）电路133.5.1电路结构及工作原理123.6报时电路14电路结构及其工作原理143.7校时电路17结构及其工作原理电路17 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 4系统仿真19 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 5电路安装、调试与测试195.1电路安装195.2电路调试195.3

4、测试结果及分析206 结论20 HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 参考文献21 HYPERLINK l bookmark139 o Current Document 总结、体会和建议22元器件列表23设计任务和要求1.1设计任务：设计一个多功能电子钟,且能实现基本功能。1.2设计要求：（1）、数字形式显示时、分、秒，在分和秒之间显示“:”，并按1次/秒的度闪 烁；（2）、每日以24小时为一个记时周期；（3）、有校正功能，能够在任何时刻对电子钟进行方便的校正；（4）、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即 可，

5、不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足 电路要求）（5）、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim 或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成 调试、测试，撰写设计报告。发挥部分：（1）、有定时闹叫功能，能够按照任意预先设置的时间闹叫，驱动小型扬声器 工作，并要求在闹叫状态能够手动消除闹叫；（2）、整点时刻通过扬声器给出提示。系统设计2.1方案设计方案一:纯硬件电路系统。各功能采用分离的硬件电路模块实现。用时序逻 辑电路实现时钟功能，用555定时器实现闹钟的设定。（计数电路可用不同计数功 能的集成块构

6、成，例如可用74LS160,74LS161,74LS290,74LS90，74LS192等集成 块分别构成，也可用多种方法实现）方案二:用可编程逻辑器件（PLD）实现。这种方案与前一种相比，可靠性增 加，同时可以很好的完成时钟的功能。同时这种方案只能选用数码管显示，显示的效果不够理想，无法很好的完成扩展功能的要求。同时，系统的灵活性不够。方案三:采用AT89C52单片机作为系统的控制核心。时钟功能采用单片集成 的时钟芯片PCF8563来实现，可以使用液晶显示时间及闹铃提示信息，有着智能 化的人机界面。上述三种方案中：我们所选的是第一种方案，集成块用74LS192构成计数电 路。（由于课题所限）

7、2.2系统工作原理数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的 起始时间不可能与准确时间相一致，故需要校时电路，能够随时对电路进行校时， 且产生秒脉冲的电路必须准确稳定以满足设计要求。此设计中采用石英振荡器电 路作为秒脉冲产生电路。（图1系统原理图）单元电路设计3.1整流电路3.1.1工作原理及电路结构电源电路本电路要求用220V的交流电供电。而我们的数字钟电路需要的是318V的直流稳 定电压，一般在5V左右。这就要求我们设计一个直流稳压电源，使输入为220V 的交流电，输出为5V左右的直流稳定电压。其电路图。U1U1V1220 Vrms 50 Hz 0：a（图2直流电

8、源电路）220V的交流电网电压u1经过变压器变成整流电路要求的交流电压u2其中整 流电路是由四个二极管组成的桥式电路。u2经过整流电路输出的恒定直流分量U =0.9U2然后通过一个电容进行滤波。虚线框内是三端固定式集成稳压器7806输出 固定电压的典型电路图，电路中接入电容C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压 器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4是电解电容，以减小稳压电 源输出端由输入电源引入的高频干扰。经过稳压后，可在1、2端我们可得到5V 的稳定电压，1端送到译码电路作为电源。2端送到其他电路作为电源。其中电容 C5作为停电时用的备用电源，经计算（室温T=25C时，记时部分工作

9、总平均电流 为 IDD （Typ） = 0.24. A （CD4060为0.04. A，CD4013B 为0.02. A，CD4518为4* 0.04. A，CC4081为0.01. A ，CC4073为0.01. A），且各芯片最低工作电压为3 V，所以充电电容在没电的时候充当电源，供记时部分工作，它的电压变化范围 U=5.3-3V=2.3V，则其储存电荷量Q=C*AU=2.3C，则停电可提供记时电路正常 工作时间 T=Q/IDD （Typ） =2.3C/ （0.24*10-6. A） =.333s2662.037h；记时部分工作最大总电流为VDD（MAX）=26.5. A（CD4060为5

10、p A，CD4013B为川A， CD4518为4*5. A，CD4081 为0.25. A，CC4073为0.25. A），则 TMIN=Q/IDD （Typ） =2.3C/ （26.5*10-6. A） =.453s24.109ho ）它最少可维持24小时。停电时译码 器断电，停止工作，数码管就停止显示。3.2秒脉冲发生电路3.2.1电路结构及工作原理秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和质量决定了数字钟的质 量，通常用品体振荡器产生32768Hz的脉冲经过整形，15次分频获得1Hz的脉冲， 电路图如下：R145-32.768kHzTH67C130 pFC2牛 3DpF二一京=s三一

11、.rrrr70整60BD_69-LPRR145-32.768kHzTH67C130 pFC2牛 3DpF二一京=s三一.rrrr70整60BD_69-LPRIB U20A1Q74LS74D 1CLS -LQ-1CLR（图3秒脉冲发生电路）1）品体振荡器电路品体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。附图S ZZ-2所示电路通过CMOS非门饭成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个 电路中，CMOS非门5与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形 功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻 R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的

12、功能近似于一个高增益 的反相放大器。电容C1、C2与品体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控 制功能，同时提供了一个18 0度相移，从而和非门饭成一个正反馈网络，实现了 振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率 的稳定和准确。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为1MQ10MQ。 本设计中取10MQ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。附图SZZ-2晶体振荡器电路2）分频器电路因为，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。通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用 多级2进制计数器来实现

13、。将振荡信号分频为1Hz的分频倍数为（215），即实 现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器。这里用一个14级2进制计数器 和一个1级2进制计数器。本设计中采用CD4060来构成14级分频电路。石英晶 体频率产生的频率通过CD4060的2次分频得到2Hz的频率，2Hz的频率再通过 一个74LS74分频得到1Hz的频率。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。3.2.2电路仿真如图所示：（图4秒脉冲发生电路仿真图）3.3计时秒计数电路计数器（计数器可以用多种集成块实现，但考虑各种因素选用74LS192） 十进制同步加/减计

14、数器（双时钟）逻辑符号:54192/74192 54LS192/74LS192简要说明：192为可预置的十进制同步加/减计数器，共有54192/74192， 54LS192/74LS192两种线路结构形式。其主要电特性的典型值如下： 型号 fc PD 54192/74192 32MHz 325mW54LS192/74LS192 32MHz 95mW192的清除端是异步的。当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU） 状态如何，即可完成清除功能。192的预置是异步的。当置入控制端（PL）为低 电平时不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（P0 P3）相一致的

15、状态。192的计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4个触发器上 而实现。在CPD、CP上升沿作用下Q0Q3同时变化，从而消除了异步计数器中 出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个 时钟应为高电平。当计数上溢出时，进位输出端（T）为1。管脚图如下所示：Vcc P0 MR TC0 TCu PLP2 P祠 m m nri 同 rr12545B7 BPlQq CPD CPu Q2Q3 GND（图5 74LS192管脚图）CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端；LD为预置输入控制端，异步预置；CR为复位输入端，高电平有效，异步清零；CO为进位输出端：10

16、01状态后负脉冲输出；BO为借位输出端：0000状态后负脉冲输出；4线一七段译码器/驱动器（BCD输入，有上拉电阻）简要说明74LS48为有内部上拉电阻的BCD 一七段译码器/驱动器，共有54/7448、 54/74LS48两种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下： 型号 IOL VO（OFF） PD （典型） 54/7448 6.4mA 5.5V 265mW 54LS48 2mA 5.5V 125mW 74LS48 6mA 5.5V 125mW输出端（Ya-Yg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。当要求 输出0-15时，消隐输入（BI ）应为高电平或开路，对于输出为0时还要求脉

17、 冲消隐输入（RBI ）为高电平或者开路。当BI为低电平时，不管其它入端状态 如何，Ya-Yg均为低电平。当RBI和地址端（A0-A3）均为低电平，并且灯测试 输入端（LT）为高电平时，Ya -Yg为低电平，脉冲消隐输出（RBO）也变为低电 平。当BI为高电平或开路时，LT为低电平可使Ya-Yg均为高电平。48与248的 引出端排列、功能和电特性均相同，差别仅在显示6和9,248所显示的6和9比 48多出上杠和下杠。引出端符号A0-A3译码地址输入端BI /RBO 消隐输入 （低电平有效）/脉冲消隐输出（低电有效）LT_灯测试输入端（低电平有效） RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效）Ya-Yg

18、段输出。管脚排列图如下：Vcc f g a b c d e祠 m nn FT m nn wi rr1 I I 2 I I jj I 4 | I jJ I 6 | | 了 | | 8B C LT Bl/RBO RBI D A GND（图6 74LS48管脚分布图）日 显示器七段显示器由七个段状的发光二极管组成，这七个段状的发光二极管的排列可以 用来显示十进制数字或十六进制数字，也可以用来显示部分英文字母。将七个发 光二极管的阳极接在一起，就构成共阳极接法，这时要使某段亮就使相应的段输 入信号为低电平。若将七个发光二极管的阴极接在一起，就构成了共阴极接法， 这时要使某段亮就使相应的段输入信号为高电

19、平。此电路用的七段显示器为共阴 极接法。七段显示器如下所示:（图7七段数码管显示器）秒计时电路（六十进制电路）如下图所示:IArs100DT914R4100Q也8513133412345G7L= =5 =_禺快机MU13隹74LS48D-?K= WIArs100DT914R4100Q也8513133412345G7L= =5 =_禺快机MU13隹74LS48D-?K= W定 i5V VCC44M - O u Q O O jji ji j, g r rU8S192D舞赢 = U ，ej i = 秒计数器模块 位74LS192的砰&图8秒计时电路*M O u Q O O .j ri ；ji尊 |r

20、 r（六十进制电路）l-J M fV H = q i u 1 *N为六十进制计数。秒的个BQA为1010时通过进位输出Ot 给秒十位移脉冲，而自身清72L1位计数单元为十进制计数器，当个零又从0000开始计数，如此重复。最后当秒十位计到0110时，通过一与门使其 清零同时通过进位输出OC向分个位输入一脉冲，在如此重复。3.4计时分计数（六十进制）电路分计数电路与秒计数电路一样为六十进制电路，电路原理图如图所示:83131334=E 取一 =，_7 fj666快俱U14 云,.wirDrhR4100Q也12345G75V VCCU13矣83131334=E 取一 =，_7 fj666快俱U14

21、云,.wirDrhR4100Q也12345G75V VCCU13矣74LS48D-+（图9分计时时分计数器模块也是60进制，分的个位计数单元为十进制计数器，当个位的IQDQCQBQA为1010时通过进位输出 又从0000：开始计数，-M口 -j零同时通过进位输出- Pl C-I p h SJ I 吐74LS1ia92给秒十位移脉网如此重复。最后当分十位计到olio时，OC向时个位输入一冲，而自身清零 过一与门使其清m.脉冲，在如立此重复 如三矗 VU q i* e-i 也 m. m.时计数器整？曜块是24进制，时的个位计数单元为十进制计数器，当个位 74LS192的QDQCQBQA为1010时

22、通过进位输出OC给秒十位移脉冲，而自身清零 又从0000开始计数，如此重复。最后当分个位计到0100同时十位计到0100时， 通过一与门使其两位同时清零。CKR9 100Q4R8100Q咕gCKU6U5M粉奖癸五18 74LS48D|M奖奖癸命F74LS48D g我口 = 口 I i I VCCCKR9 100Q4R8100Q咕gCKU6U5M粉奖癸五18 74LS48D|M奖奖癸命F74LS48D g我口 = 口 I i I VCC5V芍吉旦MB74LS192DL4 fq = U74LS1WU11兰兰=UW，心RST OUTDISTHKTRI：O3KGKDAR280BUZZER200 Hz3

23、5 555 TIIER RATEIUW，心RST OUTDISTHKTRI：O3KGKDAR215kl81R3 15kOU23儒器5签1A1T噤如盅74LS04DC3C41mF4-79VCC5VVCC=（图12报时电路）3.7校时电路当数字钟走时出现误差时，需要校正时间。校正电路实现对“时” “分” “秒”的校准。在电路中设有正常计时和校对位置。此电路对“时”和“分”进行校对。对校时的要求是，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“时”和“秒”的正常计数。我们用一多路选择开关来进行校时。（在实际电路中我们采用了一按键开关进行校时）校时开关的功能表:S1S2功能11计数01校分

24、10校时4系统仿真将各个部分电路级联起来便可构成整个电路如下图所示:与善邑吕目阜旱74LS192Q U1?龄龄告Key = By善目吕目祥74LS192Q U1?M瘤|vc(t. 1于 一与善邑吕目阜旱74LS192Q U1?龄龄告Key = By善目吕目祥74LS192Q U1?M瘤|vc(t. 1于 一福藉我 4068P_5VR145-32.768kHz一t1a R1卜1kQC1C2中知pF左30pFy善目吕目祥74LS192Q U=1= A一四皿占趣一 TM 三 Ta U20A1Q74LS74D（图13整个电路部分）经过所接电路的系统仿真，能够按照预计的时钟模型进行计时功能且各个部分工

25、作均正常。在仿真中所遇到的问题：在multisim软件里有些集成块的管脚与我们所了解的知识有冲突，所连接 起来的电路不能实现功能。有些集成块在软件里找不到，于是我们换了另一款软件重新连接电路实现功 能。秒脉冲发生器部分第一次用器品体振荡器完成连接，但仿真不出结果。于是 我们用555定时器替代品体振荡器实现秒脉冲发生功能重新连接电路，最终仿真 出了结果。显示器部分我们在仿真时所用的是四输入的LED显示器，但买集成块时无 四输入的只有七输入的显示器。发生冲突。于是重新连接电路进行仿真。5电路安装、调试与测试5.1电路安装（电路焊接）焊接的步骤主要有三步：烙铁头上先熔化少量的焊锡和松香，将烙铁头和焊

26、锡同时对准焊点；在烙铁头上的助焊剂尚未挥发完时，将烙铁头和焊锡丝同时接触焊点，开 始熔化焊锡；当焊锡浸润整个焊点后，同时烙铁头和焊锡丝。焊接顺序：把每个元器件焊接在焊板上，然后把时，分，秒的显示电路分别焊接出 来。然后再焊接1Hz脉冲发生器和单脉冲发生器，最后把开关的线路连上， 最后把所有VCC和GND链接出来。5.2电路调试将电路VCC总线接5V电源，GND总线接地；时校，分校，秒校开关都往上拨，这时电源产生的连续1Hz脉冲将接入秒 个位时钟端，观察各个数码管显示是否连续正确跳变，即秒个位跳变是否为1Hz， 各个数码管的进位是否正常。在测跳变速度是否为1Hz时，可以将电路产生的连 续1Hz脉

27、冲与标准1Hz脉冲共同接到两个发光二极管上，观察两个发光二极管是 否同步变化。拨动开关分别对秒，分，时进行校对，观察校对是否正常。用校时开关将时间调至23:59:00，接入1Hz脉冲，如果1分钟后时间变 为00:00:00,则说明功能正常。对于调试中出现的问题数码管显示不正常，通过外用表检查，发现数码管的短接。秒进位不正常，计数器与非门之间连接有误。电路产生的1Hz脉冲过快，在晶振和10管脚之间要接一个150K的电阻才 能产生1Hz的脉冲。最终电路焊接成功时无法实现全部功能。设计总结：短短的三周课程设计结束了。看着自己设计、连线、调试成功的数字电子钟，彳艮 有成就感。真的很有收获，体会到了什么

28、是学以致用，理论与实践的差别到底有 多大。以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以前学的东西做出有实 际价值的东西。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如： 怎么设计一个六十、十二进制计数器，如何实现校时等等。但也碰到了不少的挫 折，有时碰到了一个错误怎么找也找不到原因所在，找了老半天结果却是接头的 方向接错了，有时更是忘接地了。在学习中的小题目在课堂上不可能犯，在动手 的过程中却很有可能犯。特别是在接电路时，一不小心就会出错，而且很不轻易 检查出来。在调试主板电路时，十位不进位，检查电路，以为没有什么问题，后 来一步一步的检查，发现总的地线没接，接上总的地线，一切正常。

29、但还是会发 现问题，第一次是计数太快了，正常一秒，我们设计的数字电子表却可以走两三 秒，显然输入不是1日2的脉冲信号；第二，我们的校时电路连接正确，可是每次 校时，开关S1或S2为“0”或“1”时，会产生抖动，无法正常校时。针对这两个问 题，我们进行了分析，进而转化为实际的操纵。我们在+5V电压和地线之间分别 加了两个电容，通过滤波，选择我们需要的1Hz脉冲信号。对于无法正常校时的 问题，在设计中接入一个由RS触发器组成的防抖动电路来控制校时。数字电子 钟已经成功完成了。我的动手能力又有了进一步的提高，我感到十分的兴奋。同时学到了课本上 没有的东西，也锻炼了自己独立解决问题的能力。这在以后的学习和生活中会有很大的用处。7参考文献【1】童诗白 模拟电子技术基础M北京：高等教育出版社，2000, 10【2】成 立 数字电子技术M北京：机械工业出版社，2004, 1【3】阎 石 数字电子技术M北京：高等教育出版社，2000, 5【4】孙肖子 邓建国陈 男 电子设计指南M北京：高等教育出版社, 2006, 10【5】潘 松 黄继业EDA技术实用教程（第二版）M北京：科学出版社， 2006, 6【6】康华光电子技术基础 数字部分（第五版）高等教育出版社【7】康华光 电子技术基础-模拟部分M北京：高等教育