课 程 设 计 报 告
设计题目：数字电子时钟的设计与实现
班
级：
学
号：
姓
名：
指导教师：
设计时间：
摘
要
钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，大大的扩展了原先钟表的报时。诸如，定时报警、按时自动打铃、时间程序自动控制等，这些，都是以钟表数字化为基础的。功能数字钟是一种用数字电路实现时、分、秒、计时的装置，与机械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。从原理上讲，数字钟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。
因此，此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟，而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及使用方法。通过此次课程设计可以进一步学习与各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。通过仿真过程也进一步学会了Multisim 7的使用方法与注意事项。
本次所要设计的数字电子表可以满足使用者的一些特殊要求，输出方式灵活，如可以随意设置时、分、秒的输出，定点报时。由于集成电路技术的发展，，使数字电子钟具有体积小、耗电省、计时准确、性能稳定、维护方便等优点。
关键词：数字钟，组合逻辑电路，时序电路，集成电路
目
录
摘要
····················································1
第1章 概述
············································3
第2章 课程设计任务及要求
·······························4
2.1设计任务············································4
2.2设计要求············································
4
第3章 系统设计 ··········································6
3.1方案论证············································6
3.2系统设计············································6
3.2.1 结构框图及说明·································6
3.2.2 系统原理图及工作原理···························7
3.3单元电路设计········································8
3.3.1 单元电路工作原理·······························8
3.3.2 元件参数选择···································14
第4章 软件仿真
·········································15
4.1仿真电路图··········································15
4.2仿真过程············································16
4.3仿真结果············································16
第5章 安装调试
··········································17
5.1安装调试过程········································17
5.2故障分析············································17
第6章 结论···············································18
第7章 使用仪器设备清单 ··································19
参考文献 ·················································19
收获、体会和建议 ·········································20
第1章 概述
数字集成电路的出现和飞速发展，以及石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度稳定度远远超过了老式的机械表，用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的数字钟在数字显示方面，目前已有集成的计数、译码电路，它可以直接驱动数码显示器件，也可以直接采用才COMS--LED光电组合器件，构成模块式石英晶体数字钟。本设计主要是用中、小规模集成电路设计的一台能显示时、分、秒的数字电子钟。
数字电子产品的发展不仅是人类文明进步的标志，同时也是科技创新的必然要求。对推动社会的进步起着不可磨灭的作用，而电子时钟作为一种普遍的电子产品，更是人们生活所不可缺少的。任何精密的仪器都必须依赖时间的计量才会拥有其存在的价值。由此可知，对于电子产品的研究与设计就变得是那样的必不可少，这是创新精神的要求，也是时代赋予我们的一份责任。
因此，此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟，而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及使用方法。数字电子钟是一个将“ 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。
通过此次课程设计可以进一步学习与各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。通过仿真过程也进一步学会了Multisim 7的使用方法与注意事项。数字电子钟是一个将“ 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。
第2章
课程设计任务及要求
2.1设计任务
设计一个数字钟，具有时、分、秒计数显示功能，以24小时循环计时，并用数码管显示从0时0分0秒到23时59分59秒。
进一步掌握数字电子技术课程所学的理论知识，并熟练加以应用。在以前所学的知识的基础上提高分析问题，解决问题的能力。
熟悉几种常见的数字电子器件，计数器、七段字形译码器等。掌握其工作原理和使用方法，并能熟练的将其组合连接，使其构成简单的24小时数字电子时钟。
基于multisim7对电路进行仿真。
主要功能：
1.能显示时、分、秒，且24小时制；
2.具有开机清零功能；
3.具有校时功能，可以分别对时、分进行单独校时，使其校正到标准时间；4.计时过程具有整点报时功能；
5.设计所需的脉冲电路；
6.用二进制集成计数器设计一个分、秒钟计数器，即六十进制计数器；
7.用二进制集成计数器设计一个24小时计数器；
8.译码显示电路显示时间；
9.设计一个秒钟发生器，输入1Hz的时钟
10.闹钟功能：可按设定的时间报时。
2.2设计要求
完成原理图设计、模拟仿真，按要求完成设计报告。
1.理论设计部分
⑴独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。
⑵画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。
⑶系统中包含的中、小规模集成电路的种类至少在六种以上。
2.模拟仿真
⑴根据理论设计用multisim 7在计算机上进行仿真。验证所设计方案的正
确性。
⑵分析电路的工作原理，写出仿真报告。
3.安装调试部分
⑴实现数字钟，并进行单元测试和系统调试。完成系统功能。
⑵若系统出现故障，排除系统故障，分析并记录系统产生故障的原因，并
将此部分内容写进报告中。
4.写出课程设计总结报告
第3章 系统设计
3.1方案论证
由于集成电路技术的发展，使数字电子钟具有体积小、耗电省、计时准确、性能稳定、维护方便等优点。
此次设计的数字时钟电子电路分为以下6个部分：
（1）振荡电路（2）时间计数电路（3）显示电路（4）校时电路（5）整点报时电路（6）闹钟功能电路。
时间计数电路是一个由计数器组成的时序逻辑电路。用555定时器构成的多谐振荡器作为秒脉冲信号源，控制秒个位的信号输入。将计数器与显示器相连接，可以将输入的二进制数翻译成可以直读的十进制数字并显示出来，显示管与计数器之间由译码器相接，作为译码驱动。电路中添加校时电路，以保证可以随时对时间进行校正。整点自动报时电路，可以使时钟在临近整点的时刻鸣叫提醒，并有指示灯闪烁。闹钟电路可以实现时钟在设定时刻鸣叫报时，并有指示灯闪烁。
3.2系统设计
3.2.1结构框图及说明
校时电路
60进制秒计数器
60进制分计数器
24进制时计数器
数码管显示器
数码管显示器
数码管显示器
数码管显示器
数码管显示器
数码管显示器
校分电路
1Hz
闹钟电路
分频器电路
整点报时电路
晶体振荡器电路
图1 整体结构框图
3.2.2系统原理图及工作原理
图2 整体电路设计图
工作原理：
1.首先，由555定时器组成一个多谐振荡器得到1HZ的秒脉冲，秒脉冲发生器的输出端接到每个计数器的时钟输入端。
2.数字钟的分、秒计数部分均为六十进制计数器（显示00～59），采用两片74LS160来实现。个位为十进制，十位为六进制，当个位计数到9时，再来一个脉冲变成0，同时产生一个进位信号，给十位提供一个脉冲，使十位计数加1。而数字钟的时计数部分为二十四进制计数器（显示00～23），也是采用两片74LS160实现。当开始计数时，个位按十进制计数，当计到23时，这时再来一个脉冲，回到“零”。所以，这里必须使个位既能完成十进制计数，又能在高低位满足“23”这一数字后，十计数器清0，图中采用了十位的2和个位的3相“与非”后再清0。当秒计数器计到59时，再来一个脉冲变成00，同时产生一个进位信号给分计数器的CP输入端；当分计数器计到59时，再来一个脉冲变成00，同时产生一个进位信号给时计数器的CP输入端；当时计数器计到23时，再来一个脉冲变成00。
3.数字钟的校正部分主要是通过开关实现的。当需要进行校正时，将开关J1打开，J2打到+5V时为分校正,J4打到+5V,J4打到上面时为时校正。
4.当计数器在每次计到整点时，需要提前十秒报时，这可采用译码电路来解决，即当分为59时，且秒计数到50时，输出一高电平，经过一系列门电路驱动灯泡发光，完成整点报时。
5.数字钟采用4片74LS85和4个拨码开关构成闹钟电路。将时钟电路显示十进制数对应的二进制数A与拨码开关所设置的闹钟时刻B做比较。从时十位到分个位，逐级比较，若均分别相等，从最低位（分个位）对应的比较器74LS85（U27）的
OAEQB输出高电平，完成闹钟功能。
3.3
单元电路设计
3.3.1单元电路工作原理
（一）振荡电路
多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。
图3 555定时器组成多谐振荡器
通过仿真，示波器输出以下波形：
图4 多谐振荡器输出矩形波
由各元件参数可知，其输出频率为1Hz，可以作为电子时钟电路的秒脉冲信号。
（二）时间计数电路
1、十进制计数器74LS160
表1 74LS160计数器功能表
CLK
RD’
LD’
EP
ET
工作状态
×
0
×
×
×
置零
↑
1
0
×
×
预置数
×
1
1
0
1
保持
×
1
1
×
0
保持（C=0）
↑
1
1
1
1
计数
图5 74LS160十进制计数器
2、六十进制计数器和二十四进制计数器的连接
电子时钟的“分”和“秒”由六十进制计数器实现，“时”由二十四进制计数器实现。因此，就需要用74160接成两个六十进制和一个二十四进制计数器。多片计数器组合，各级之间的连接方式分串行进位方式、并行进位方式。本次设计采用串行进位的方式。
六十进制计数器，由两块中规模集成十进制计数器74LS160，一块组成十进制，另一块组成六进制。组合起来就构成六十进制计数器，
二十四进制时计数器，它由两块中规模集成十进制计数器74LS160，一块组成四进制，另一块组成二进制。组合起来就构成二十四进制计数器，同理，各片均采用置零法。
图6 六十进制计数器
图7 二十四进制计数器
3、整体连接
将两片六十进制计数器和一片二十四进制计数器串联，便得到完整的电子时钟计时电路。
图8 数字钟时间计数电路
（三）显示电路
七段共阴极LED数码管：
表2七段显示译码器74LS48的功能表
十进制数
A3
A2
A1
A0
a
b
c
d
e
f
g
说明
0
×
×
×
×
×
1
1
1
1
1
1
1
1
测试灯
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
0
0
熄灭
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
灭0
0
1
×
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
显示0
1
1
×
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
显示1
2
1
×
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
显示2
3
1
×
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
显示3
4
1
×
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
显示4
5
1
×
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
显示5
6
1
×
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
显示6
7
1
×
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
显示7
8
1
×
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
显示8
9
1
×
1
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
显示9
10
1
×
1
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
无效
11
1
×
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
无效
12
1
×
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
无效
13
1
×
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
无效
14
1
×
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
无效
15
1
×
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
无效
七段共阴极LED数码管的功能：
1.正常译码显示。=1， =1时，对输入为十进制数l～15的二进制码（0001～1111）进行译码，产生对应的七段显示码。
2.灭零。当=1，而输入为0的二进制码0000时，只有当=1时，才产生0的七段显示码,如果此时输入=0 ，则译码器的a～g输出全0，使显示器全灭，所以称为灭零输入端。
3.试灯。当=0时，无论输入怎样，a～g输出全1，数码管七段全亮。由此可以检测显示器七个发光段的好坏。
称为试灯输入端。
4.特殊控制端。可以作为输入端，也可以作为输出端。
图9 七段LED数码管
（四）校时电路
数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分十位和时十位的直接计数通路，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。
本设计的校时电路的关键，是通过开关，控制电路中“秒”到“分”、“分”到“时”的进位输入端的高低电平的变化，从而实现手动调节“分”和“时”。
下面以分校时为例：
图10 分校时电路
（五）整点报时电路
电路应在整点前10秒开始报时，即在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路控制信号。
当时间59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位保持不变，分别为5、9和5，因此可将计数器十位的Qc和Qa，个位的Qd和Qa及秒计数器十位的Qc和Qa相与，从而产生报时控制信号。
图11 整点报时电路
（六）闹钟功能电路
1、4位数值比较器74LS85
图12 4位数值比较器74LS85
2、闹钟电路
闹钟电路要完成对所设置闹钟时刻与时钟显示时刻的比较。比较的数值包括时十位、是个位、分十位、分个位，并按从高到低的顺序逐级比较。因此，本次设计采用4片74LS85和4个拨码开关构成闹钟电路。
图13 闹钟功能电路
3.3.2元件参数选择
4V，0.5W灯泡（2个）
5V直流电源
电阻：100K(1个) 40K（1个） 1K（2个）
电容：0.1uf（1个）
0.01uf（1个）
第4章 软件仿真
4.1 仿真电路图
图14 数字电子钟的仿真电路图
4.2 仿真过程
1、按照实验的设计图在multisim7的工作台上连接仿真电路。
2、检查设计思路以及电路，按照设计框图原理，查看仿真电路与原理图是否吻合。不吻合则需要进行修改，反之就可以进行下一步。
3、单击运行按钮运行仿真。
4、根据仿真情况与课程设计任务对比，对于不能实现的任务修改并调试程序，重新装载并重新运行调试仿真，直到实现能完全实现所要求的功能为止。
5、进一步改进和简化程序再进行调试仿真。
4.3 仿真结果
图15 时钟正确显示00:00:59
图16 时钟正确显示00:59:59
图17 时钟正确显示23:59:59
经观察检测，仿真结果符合预定要求。
第5章 安装调试
5.1安装调试过程
可以先将系统划分为多谐振荡器、计数器、校准电路、译码显示等部分。单元电路安装好后，应该先认真进行通电前的检查，通电后，检查每片集成电路的工作电压是否正常（TTL型集成电路电源电压为5±0.25V），这是电路有效工作的基本保证。调试该单元电路直至正常工作。调试可分为静态调试和动态调试两种，一般组合电路应静态调试，时序电路应动态调试。
统调主电路的方法是将已调试好的若干单元电路连接起来，然后跟踪信号流向，由输入到输出，由简单到复杂，依次测试，直至正常工作。因此时控制电路尚未安装，需人为地给受控电路加以特定信号使其正常工作。
调试控制电路分为两步：第一步单独调试控制电路本身，施加于控制电路的各个信号可以人为设定为某种状态，直至正常工作。第二步将控制电路与系统主电路中各个功能部件联接起来，进行电路统调。
5.2 故障分析
由于连线较多较复杂，常出现连线错误、删除多余线导致断点等问题，需要反复检查才能发现，给电路正常运行造成一定
困扰。
第6章 结论
设计了一个数字钟，具有时、分、秒计数显示功能，以24小时循环计时，并用数码管显示从0时0分0秒到23时59分59秒。进一步掌握了数字电子技术课程所学的理论知识，并能熟练加以应用。在以前所学的知识的基础上提高了分析问题，解决问题的能力。
熟悉了几种常见的数字电子器件，计数器、七段字形译码器等。掌握了其工作原理和使用方法，并能熟练的将其组合连接，使其构成简单的24小时数字电子时钟。并能够基于multisim7对电路进行仿真。
电路完成了预期主要功能：
1.能显示时、分、秒，且24小时制；
2.具有开机清零功能；
3.具有校时功能，可以分别对时、分进行单独校时，使其校正到标准时间；4.计时过程具有整点报时功能；
5.设计所需的脉冲电路；
6.用二进制集成计数器设计一个分、秒钟计数器，即六十进制计数器；
7.用二进制集成计数器设计一个24小时计数器；
8.译码显示电路显示时间；
9.设计一个秒钟发生器，输入1Hz的时钟
10.闹钟功能：可按设定的时间报时。
第7章 使用仪器设备清单
序号
名 称
数 量
备 注
1
74LS160计数器
6
2
74LS85数值选择器
4
3
555定时器
1
4
七段LED数码管
6
5
跳变开关
2
6
电压控制开关
2
7
拨码开关
4
8
74LS03与非门
5
10
74LS04非门
2
11
74LS08与门
2
12
74LS21与门
1
13
4V，0.5W灯泡
2
14
5V直流电源
若干处
15
100K电阻
1
16
40K电阻
1
17
1K电阻
2
18
0.1μf电容
1
19
0.01μf电容
1
参考文献
1. 李景宏，马学文.《电子技术实验教程》.沈阳：东北大学出版社.2000
2. 王永军，李景华编著.《数字逻辑与数字系统》.北京：电子工业出版社，2002
3. 阎石编著.《数字电子技术基础》.北京：高等教育出版社，2006
收获、体会和建议
过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。
同时，在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法，也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。此外，也深刻地体会到设计一个电路前先进行仿真的重要性，更深有体会，通过仿真可以对自己设计得电路进行逐级排查和调试，找出电路中问题的所在，及时纠正自己的错误。
通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。本次实验是基于multisim7的基础上做的，通过本次实验我也比较全面的了解了multisim7软件的使用。
