数字电子钟的组装与调试
一、 课程设计的目的
1. 熟悉中规模集成电路计数器的功能及应用； 2. 熟悉中规模集成电路译码器的功能及应用； 3. 熟悉LED数码管及其驱动电路的工作原理。 4. 初步学会综合安装调试的方法。
二、课程设计的要求
1. 设计的数字钟能直接显示“时”，“分”，“秒”，并以24小时为一计时周期；
2. 当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能。
三、实验仪器和器材
1. 面包板
250x300mm
1块 2片 1片 2+6片 1片 1片 1片
1
2. 74LS 163 3. 74LS 160 4. 74LS 90 5. 74LS 00 6. 74LS 04
同步四位二进制计数器 同步十进制计数器
异步二-五-十进制计数器 四、2输入与非门 六反相器
7. 74LS 112
双J-K触发器
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8. 74LS 48 BCD七段译码驱动器 9. 数码管 七段共阴极数码管
10. CD 4060
14二进制串行计数/分频器 11. 74LS 175 4D触发器 12. 石英晶体
32 768 Hz
13. 数字电路实验箱 TPE-D 14. 电阻
10K 15. 点动开关
16. 可变电容
3/40PF
17. 电阻 22M 18. 电容
22PF
6片 6片 1片 1片 1片 1台 4只 2只
1只 2只 1只
2
四、工作原理 电子技术课程设计 3
数字钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分
图1 数字电子钟的原理框图 组成，这些都是数字电路中应用最广的基本电路。数字钟的原理框图如图1所示。
石英晶体振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成每秒一次的方波秒信号。“秒”信号送入计数器进行计数，并把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的60进制计数电路实现；“分”的显示电路与“秒”相同，“时”的显示由两级计数器和译码器组成的24进制计数电路来实现。所有计时结
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果由六位数码管显示。以上组成部分现分别介绍如下：
1. 石英晶体振荡器
振荡器是电子钟的核心，用它产生标准频率信号，再由分频器分成“秒”时间脉冲。振荡器振荡频率的精度与稳定度基本上决定了电子钟的准确度。由于石英晶体的频率稳定度可达10－10～10－11，输出波形近似于正弦波，可用反相器整形而得到矩形脉冲输出。所以可获得频率非常稳定的振荡信号。
数字电子钟振荡电路由石英晶体、微调电容与集成反相器等元件构成，原理图如图2所示。
图2 晶体振荡器 图中1门、2门是反相器，1门用于振荡，2门用于缓冲整形，Rf为反馈电阻，反馈电阻的作用是为反相器提供偏置，使其工作在放大状态。反馈电阻Rf的值选取太大，会使放大器偏置不稳甚至不能正常工作；Rf值太小又会使反馈网络负担加重。图中C1是频率微调电容，一般取5/35pF。C2是温度特性校正电容，一般取20pF~40pF。电容C1、C2与晶体共同构成p型网络，以控制振荡频率，并使输入、输出相移180°。
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2. 分频器
时间标准信号的频率很高，目前多数石英电子表的振荡频率为215=32 768 Hz。要得到秒脉冲，需要分频电路，可选用以下两种方法：
（1）用1片14位二进制计数器（CD 4060）进行214分频后，再用D触发器完成一次分频，即可得到1Hz的秒脉冲信号（215次分频信号）；
（2）也可采用6片异步二-五-十进制计数器（74LS 90）直接实现。 3. 计数器
图5 60 进制计数器 （1）
60进制计数
“秒”计数器的电路形式很多，通常都是由一级10进制计数器和一级6进制计数器组成。图5所示是用两块中规模集成电路74LS160按反馈置零法串接而成。“秒”计数器的十位和个位，输出脉冲除用做自身清零外，同时还作为“分”计数器的输入信号。本实验图6则是由74LS163与
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74LS90及门构成“秒”计数器电路。
“分”计数器电路与“秒”计数器相同。 （
2）24进制计数
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图3 分频电路1
图4 分频电路2
1Hz
10 Hz
102 Hz
103 Hz 104 Hz 105 Hz
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图6所示为24进制小时计数器，是用两片74LS160组成的。 也可用两块中规模集成电路74LS161和与非门构成。 上述计数器原理读者自行分析。
4. 译码和显示电路
译码就是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态，用于驱动LED七段数码管，只要在它的输入端输入8421码，七段数码管就能显示十进制数字。
5. 校准电路
校准电路实质上是一个由基本R-S触发器组成的单脉冲发生器，如图7所示。从图中可知，未按按钮SB时，与非门G2的一个输入端接地，基本R-S触发器处于1状态，即Q＝1，Q＝0。再看图1，这时数字钟正常工作，分
10KΩ 10KΩ
7
图6 24 进制计数器 图7 单脉冲发生器 电子技术课程设计 8
脉冲能进入分计数器，时脉冲也能进入时计数器。按下按钮SB时，与非门G1的一个输入端接地，于是基本R-S触发器翻转为0状态Q＝0，Q＝1。再看图1，若所按的是校分的按钮SBl，则秒脉冲可以直接进入分计数器而分脉冲被阻止进入，因而便能较快地校准分计数器的计数值。若所按的是校时的按钮SB2，则秒脉冲可以直接进入时计数器而时脉冲被封锁，于是就能较快地对时计数值进行校准。校准后，将校正按钮释放，使其恢复原位，数字钟继续进行正常的计时工作。
本实验电路图6未加校准电路，读者可在图7电路中加入校准电路。
五、 实验步骤
根据本实验所给元件，按图8所示电路在实验箱上组装调试。依次观察各数码管显示的数据是否正确。
六、实验报告要求
（1）画出数字钟的全部逻辑图，简述各部分工作原理。 （2）总结调试中遇到的问题及解决方法。 （3）谈谈你的收获、体会及改进意见。
七、备用方案
数字电子钟的实现方案有多种，图9是另外一种实现方案。该电路也含有振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分电路，但是该电路所使用的集成组件与图8电路的组件不同。此外该电路还具有校
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正功能和整点报时功能。读者可自己分析图9中各部分电路的原理，现仅把图9的整点报时电路的原理分析如下。
在图9中，当分计到59min时，将分触发器置1，而等到秒计数到54s时，将秒触发器置1，然后通过与相“与”后，再和1s标准秒信号相“与”，输出控制低音喇叭鸣叫，直到59s时，产生一个复位信号，使清0，低音鸣叫停止；同时59s信号的反相又和相“与”，输出控制高音喇叭鸣叫。当分、秒计数从59:59变为00:00时，鸣叫结束，完成整点报时。电路中的高、低音信号分别由CD4060分频器的输出端Q5和Q6产生。Q5输出频率为1 024 Hz，Q6为512 Hz。高、低两种频率通过或门输出驱动三极管VT，带动喇叭鸣叫。
八、预习要求
（1）复习中规模计数器、译码器的逻辑功能。
（2）试用本实验所提供的集成芯片画出24进制和60进制计数器的接线图（管脚图见附录）。
（3）画出数字电子钟的全部逻辑电路图。要求： ① 具有“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示式电子钟。
② 具有整点报时功能，在离整数点10s时，便自动发出鸣叫声，声长1s，每隔1s鸣叫1次，前4响是低音，后1响为高音，共鸣叫5次，最后1响结束时为整点（低音频为500 Hz，高音频为1 000 Hz）。
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③ 具有稳定可靠的校时功能（时、分）。 10
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四位二进制同步计数器 74LS163
前面所讲述的74LS 90其清零方式通常称为“异步清零 ”，即只要 Q 0(1) = Q 0(2) = 1，不管有无时钟信号，输出端立即为 0；而且它的计数方式是异步的，即CP不是同时送 到每个触发器。下面将要讲述的74LS163，不但 计数方式是同步的，而且它的清零方式 也是同步的：即使控制端CLR＝0，清零目的真正实现还需等待下一个时钟脉冲的上升沿到来以后才能够变为现实。这就是“ 同步清零 ”的含义。
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计数器计数时钟频率为1 Hz，由晶体振荡器产生的32 768 Hz时钟，经过A17、A18 两片计数器2分频得到。计数器的输出通过数码管驱动译码器 A1~A6去驱动共阴极数码管显示时间，显示的时间值为时、分、秒。
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CD4060BC
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74L160-十进制同步计数器（异步清除）
160 的清除端是异步的。当清除端/MR 为低电平时，不管时钟端CP 状态如何，即可完成清除功能。160 的预置是同步的。当置入控制器/PE 为低电平时，在CP 上升沿作用下，输出端Q0－Q3 与数据输入端P0－P3 一致。对于54/74160，当CP 由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端CEP、CET为高电平，则/PE 应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160 无此种限制。
160 的计数是同步的，靠CP 同时加在四个触发器上而实现的。当CEP、CET 均为高电平时，在CP 上升沿作用下Q0－Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于54/74160，只有当CP 为高电平时，CEP、CET 才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS160的CEP、CET 跳变与CP 无关。
160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成N 位同步计数器。
引出端符号： TC 进位输出端 CEP 计数控制端 Q0－Q3 输出端 CET 计数控制端
CP 时钟输入端（上升沿有效）
/MR 异步清除输入端（低电平有效） /PE 同步并行置入控制端（低电平有效）
输入 输出 MR 0 1 1 1 1
PE X 0 1 1 1 CET X X 1 0 X CEP X X 1 X 0 CP X 1 1 X X P3 X D3 X X X P2 X D2 X X X P1 X D1 X X X P0 X D0 X X X Q3 0 D3 Q2 0 D2 计数 保持 Q1 0 D1 Q0 0 D0 保持(TC=0) 14
电子技术课程设计 15 74LS112双J-K触发器引脚功能
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数字电子钟的组装与调试
实验仪器和元器件清单
附件1：（共计40套）
1. 74LS 163 同步四位二进制计数器 2. 74LS 90 异步二-五-十进制计数器 3. 74LS 00 四-2输入与非门 4. 74LS 04
六反相器
5. 74LS 112 双J-K触发器
6. 74LS 48 BCD七段译码驱动器 7. 数码管 七段共阴极数码管
8. CD 4060
14二进制串行计数/分频器 9. 74LS 175 4D触发器 10. 石英晶体 32 768 Hz
11. 74LS 161 四-2进制计数器
共计：
附件2：
1. 面包板 250mmx300mm
2. 独石电容 1 PF、22 PF
2片 8片 3片 1片 2片 6片 6片 1片 1片 1片 5片
50块 200个
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3. 独石电容 0.047uF
200个 各100个 200个 各200个
4. 电解电容系列 1uF、10 uF 、100 uF 5. 可变电容 3/40 PF
6. 电阻系列 100Ω~ 100KΩ / 0.25W 7. 电阻系列
8. 铜导线
9. 剥线钳 10. 点动开关 共计：
1MΩ~20MΩ/ 0.25W
单股 Φ0.8 多颜色
各100个
600米
10把 60个
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