原创 数字时钟（纯硬件）

时间

2009.6.8-2009.6.20

地点

电工电子实验中心

课程设计内容

一、设计任务：
  数字时钟                                                                                                

二、设计条件：
  本设计基于学校实验室Multisim2001仿真软件的调试

三、设计要求：
  显示功能：具有“时”“分”“秒”的十进制数字显示（“时”从0~23）。
  较时功能：当接通电源或数字时钟走时有偏差，能手动校时。
  整点报时：当时钟计到整点时能进行报时。

四、设计内容：
 1、设计思想：

   数字钟主要分为数码显示器、60进制和24进制计数器、频率振荡器和校时这几个部分。数字钟要完成显示需要6个数码管，八段的数码管需要译码器械才能显示，然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24进制计数器，在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。60进制可由10进制和6进制的计数器串联而成，24进制可由4进制和2进制的计数器串联而成。频率振荡器可以由晶体振荡器分频来提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1HZ。但定位于测试时的简便，和检查时的方便特把555定时器的频率调为1013HZ。
    2、电路结构与原理图：

     （1）数码显示器

在Multisim2001仿真器件中，数码管分为需要译码器显示的和无需译码直接显示的两种，需要译码器的数码管有共阳极和共阴极之分，此电路采用的是不需译码直接显示的数码管（如图1所示），这样就简化了电路，增加了调试的正确性。如图2所示的数码管需要译码器才能显示，74LS47是驱动共阳极数码管的器件，74LS48是驱动共阴极数码管的器件。 

          <?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />                                           

 图1 不需译码管的数码管           图2  需译码器的双数码显示

（2）60进制计数和24进制计数

在设计数字钟电路中，进制是最主要的一部分，它关系着显示的正确与否。关键在于了解各种器件的作用及功能，而且在调试的过程中容不容易出问题，电路会不会变得复杂，器件的选择最好要统一，以便调试成功。

①　分和秒的六十进制：

从常理可知，数字钟需要六十进制和二十四进制计数器，而六十进制可通过十进制和六进制串联而成，从而完成数码显示。因为同步加法计数器74LS160可构成10进制以下的计数器，所以此电路中分和秒的计时都采用74LS161来进行设计。而小时是24进制计数，依然用74LS160，但电路作了改进。

在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的，在电路的设计中我采用的是统一的器件74LS160N的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，图3是用74LS160构成六进制计数器的结构图，图4  74LS161构成的十进制的计数器的结构图
图5   74LS160构成的刘十进制计数器的结构图
               
图3  74LS161构成的六进制计数器的结构图     图4  74LS161构成的十进制的计数器的结构图
  
           
            图5   74LS160构成的刘十进制计数器的结构图

     ②小时的二十四进制：

数字钟的小时要用到二十四进制，本题中用的74LS160为同步十进制计数器，故可以简略到十进制计数器的构成，运用同步置数法，将两片74LS160构成二十四进制的计数器。图6  74LS160 构成的二十四进制计数器的结构图，图7  校时电路

           
  图6  74LS160 构成的二十四进制计数器的结构图            图7  校时电路
   （3） 校时

由于Multisim可以仿真，并有函数发生器，最简单的校时方法就是通过开关用函数发生器对CLK端输入脉冲以改变显示的数值。此电路的设计就是采用这种方法校时的，虽可以只用一个函数发生器来实现同步，但调试时结果不能体现出来，所以用另外的函数发生器来实现校时。

校时的具体设计方法是：用一个单刀四掷开关切换计数功能与校时功能，另一端接计数器的脉冲输入端，开关置于函数发生器这一端便可以校时，置于计数器的进位端便是计时
    （4）振荡器          

    振荡器可由晶振组成，也可以由555定时器组成。图7是由555定时器构成的1KHZ的自激振荡器，其原理是0.7(2R₃+R₄+R₅)C₄=1ms，f=1/t=1KHZ。计时是1HZ的脉冲才是1S计一次数，所以需要分频才能得到1HZ的脉冲，在仿真时，1HZ的频率太慢了，在实际中得到的时间不是1S计数一次，所以仿真都是用1013HZ的脉冲代替，所以在数字钟总电路图中没有振荡器。

图8  555定时器构成的1013HZ的脉冲信号结构图
                                             图9  555脉冲的测试图

3、元器件详单：

  4、实验设计和使用说明

 本实验开始时使用74LS161记数器工作，但对比器件及日常的实验设计，74LS161比较繁琐不太容易弄明，故重新选用了74LS160作为本实验的重要元件。在设计校时电路时遇到了很大的麻烦，不会运用学到的知识，根据从网上学到的设计了这个校时电路，也算比较圆满。再用555定时器作脉冲信号时考虑到测试时的简便，和检查时的方便特把555定时器的频率调为1013HZ。因为至今没有弄清Multisim2001仿真软件的内部时钟，故选择了1013HZ作为基础脉冲工作。
     使用时在仿真的过程中，按键盘上的A和B控制单刀四掷开关，从而完成时钟的校时，可以打开示波器同时观看555定时器的工作状态。等待看时钟在运行过程中是否会出现错误。

五、参考资料：
数字电路基础
网上的资料

六、附录：                                                           

实习收获

整个过程花了我不少时间，可当做完时才发现做这个数字钟是多么简单的一件事，主要是在调试时花了不少时间，其间换了不少器件，有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以调试花了我不少时间，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。Multisim软件有时会出问题，在理论上可行的电路在调试中未必能显示出来，这就需要不断地尝试才能得出正确的答案。

在实际的操作过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来，并在调试中会遇到各种各样的问题，电路的调试提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题。似乎所有的事都得自己新手去操作才会在脑海中留下深刻的印象，这个小小的课程设计让我可以熟练的操作Multisim软件，也了解了不少器件的功能的应用，也加深了对数字电路认识和理解。

整个过程都是我们独立完成的，虽简单，但收获不小，发现调试的过程并不是想象中的那样简单，需要耐心、仔细地分析和解决问题，可以让我的性格更加沉稳。这样的课程设计很能培养我们的能力，让我们不再局限于书本上的知识。

本次课程设计主要是用软件仿真，如果是实际加工电路板就更加锻炼我们的动手能力了，因此，我们的能力还有待提高。

            学生：

                （手写签名）            

                                         年   月   日

成绩评定

优秀

良好

中等

及格

不及格

指导教师：                                     2009年6月20日