数字电子钟设计
摘 要
数字钟被广泛用于个人家庭,车站, 码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,运用超过老式钟表, 而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
数字电子钟一般由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路等组成。秒信号是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将秒信号送入秒计数器，它是六十进制计数器。每累计六十秒发出一个“分脉冲”信号，这个信号作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也是六十进制计数器，它每累计六十分钟，发出一个“时脉冲”信号，此信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用二十四进制计数器，可以实现一天二十四小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED显示器显示出来。校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。本文通过对CD4060、CD4013、74LS160、74LS48和晶体振荡器的基本原理和基本功能的介绍，结合数字电子钟的设计过程让我们对电子钟的设计有了清楚的认识。
关键词：数字钟，晶体振荡器，计数器，CD4060,74LS160
1绪论
1.1. 课题描述
在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新，培育出拥有自主知识产权的品牌。这正是中国钟表业发展的希望。
数字钟被广泛用于个人家庭,车站, 码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,运用超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。本课题所设计的电子时钟是一个最基本的数字钟。 1.2. 基本工作原理与框图
数字电子钟要想最终设计成功必须要有精确而稳定的秒信号产生，通常先用石英晶体振荡器产生32768Hz的脉冲，经过整形、分频产生1Hz的秒脉冲。分频用CD4060分出2Hz的脉冲，再用CD4013分出1Hz的脉冲。然后1Hz脉冲经过校时电路送到秒计数器的个位，秒计数器是由两块74LS160组成的六十进制计数器，其十位TC接校时电路。校时电路的CP1接分计数器个位的CLK端，分计数器也是由两块74LS160组成的六十进制计数器，分计数器的十位的TC端接入校时电路。校时电路的CP2接时计数器的CLK端，分计数器是由两块74LS160组成的二十四进制计数器。校时电路的S1、S2、S3控制“校时”、“校分”和“校秒”。各个计数器分别接译码器，各个译码器分别接显示器。电路的基本原理就是这样，下面我将介绍各个模块的具体功能及原理。以下是我在下面整合的全电路原理图。
图表 1
2各部分电路原理及器件简介
2.1 秒信号产生电路
这部分电路现有石英晶体振荡器产生32768Hz的脉冲，经过CD4060经过十四次分频后产生2Hz的脉冲。再经过CD4013产生1Hz的脉冲。原理比较简单。
CD4060是十四位二进制计数器。它内部有十四级二分频器，有两个反相器。RST为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。在CIN下降沿，计数器以二进制计数。CIN、COUT分别为时钟输入、输出端。电源电压范围为3V～15V，输入电压范围为0V～VDD。它有十六个引脚，Q4～Q10、Q12～Q14为计数器输出端。VDD接正电源，Vss接地。其引脚图如下所示：
图表 2
CD4013A为双D触发器，在CLK上升沿有效。其特性表如下：
2.2 进制计数器电路 2.2.1 74LS160功能简介
图表3
CP是脉冲输入端；CT（CO）是进位信号输出端；CEP和CET是计数器工作状态端；MR(CR)是异步清零端；PE是置数端；VCC接正电源，GND接地；P0～P4是数据输入端，Q1～Q4是计数器状态输出端。电源电压7V，输入电压7V。其状态表如下所示：
2.2.2 60进制计数器
60进制计数器是由两个74LS160十进制计数器经过一定的方式连接组成的。具体连接是这样的，一片74LS160用低位，另一片设计成六进制计数器做为高位。将高位片的Q2和Q1接入与非门，出来接入高位片的MR(CR),当高位片为0110时，MR(CR)为低电平，此时清零，实现了六十进制。其连线图如下所示：
图表 3
2.2.3 24进制计数器
24进制计数器也是由两片74LS160组成的，当各位计数状态为
Q3Q2Q1Q0=0100,十位计数状态为Q3Q3Q1Q0=0010时，计数器归零。通过把个位Q2、十位Q1接入与非门，然后接入个位、十位的MR端。令计数器清零，从而实现二十四进制计数器的功能。其连线图如下所示：
图表 4
2.3 译码显示电路 2.3.1 CC4511
本实验采用CC4511 BCD锁存器/七段译码/驱动器。其中 A,B,C,D—BCD码输入端；a,b,c,d,e,f,g—译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管；LT—测试输入端，LT=“0”时，译码输出全为“1”；BI（RL）—消隐输入端；LE—锁定端，LE=“1”时译码器处于锁定状态，LE=0为正常译码。其引脚图如下：
图表 5
下表为CC4511功能表。
2.3.2 译码显示电路图
译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。其电路图如下所示：
图表 6
2.4 校时电路
2.4.1 校时电路功能简介
校时电路是数字中不可缺少的部分，当数字显示与实际时间不符时，就要根据标准时间进行校时。其简单电路如下所示：
图表 7
S1、S2、S3分别控制校“时”、校“分”和校外“秒”。具体是这样的，当S3
断开时，G7与非门打开，正常进行计秒。当需要校秒时，闭合S3，此时G7与非门被断开，时间正确时打开S3正常计秒。需要校分时闭合S2，此时低电平经过G8与非门后变为高电平，G5与非门打开，秒信号进来，使分计数器以秒的节奏快速计数。而G6与非门此时被断开，来自秒十位的进位脉冲无效。直到显示的时间和标准时间相同时打开S2，此时G5与非门被断开，G6与非门被打开，秒十位进位脉冲进来，1Hz脉冲信号无效，分计数器正常计时。需要校准小时时，只需闭合S1此时G3与非门被断开，G1与非门接通，1Hz信号进来，使时计数器以秒的节奏快速计数。当时计数器的显示与标准时间相同时，打开S1即可。打开S1时G1与非门断开，1Hz脉冲信号无效。G3与非门打开，接受分计数器的输出进位信号，使时计数器正常计数。这就是校时电路的基本原理。
3方案的选择
3.1 时钟信号源
时钟信号源是时钟类项目的心脏，他的精确度直接影响到整个项目的性能。要产生1Hz脉冲可用石英晶体振荡器和555多谐振荡器。555多谐振荡器的优点是起振容易，振荡周期调节范围广，缺点是频率稳定性差，精度低，所以在本试验中不宜使用。石英晶体振荡器不仅选频特性极好，而且谐振频率十分稳定，其稳定度可达10～10。因此在本实验中我选择石英晶体振荡器。
3.2 分频器的实现
因为时钟信号源已选中使用32768Hz,而输出的要求是1Hz的秒时钟信号，所以分频器需要实现2的分频功能。可以采用专用分频器，如六分频，十二分频，1/60分频器，常用集成电路有74LS92，74LS56,74LS57等。也可以用各种进制计数器构成分频器，如CD4020,CD4040,CD4060，异步十进制计数器74LS90，同步十进制计数器74LS290，双时钟同步加减计数器74LS192都可以很容易构成十进制，十二进制，二十四进制，六十进制分频器。还可以用脉冲分配器，如CD4017,CD4022.除此以外还可采用带有7段译码器的十进制计数器，连接LED时可以不再需要外加译码，如CD4026,CD4033。
结合本实验的特点，最后我使用了十四位2进制计数器CD4060，它可以进行214次分频，再用CD4013尽可以完成215分频了，就得到了1Hz脉冲。
3.3 译码显示器
译码显示器可用带译码器的LED数码显示管，它的显示管可接受4输入
8421BCD编码，因其内部有译码器，比较方便。也可用译码芯片＋LED数码显示管，可采用74LS47，74LS48,CD4511等集成电路将BCD码译成段码发送给8段发光二极管数码管，当然要选择相配的共阴极或共阳极译码驱动器。在这个电路中我选择了CD4511+LED数码显示管。 15-10-11
总 结
经过近多日的努力，终于将本次课程设计做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰当的地方，请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心接受。在本次课程设计过程中，我增强了自己的动手能力和分析能力。通过跟老师和同学的交流，也通过自己的努力，我按时完成了这次课程设计。在此过程中，我学会了很多，也看到了很多自己的不足之处。在以后的学习生活中，我会努力学习专业知识，完善自我，为将来的发展做好充分的准备。
总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西，懂得了理论和实际联系的重要性。在以后的学习中，我不仅要把理论知识掌握牢固，更要提高自己的动手能力和分析能力。
致 谢
通过二周的努力，终于将数字电子钟课程设计完成了，在完成课程设计的这二周中，老师给予了我很大的帮助。他不仅是指导我完成了设计，还教会了我做设计的一般步骤、设计思想和设计方法。当我对此课程设计无从下手的时候，李如昌老师专心地为我讲解，为我解决了很多实际存在的困难和问题。他在601教室里利用自己的休假时间为我们梳理流程，讲解原理，使我对此次的课程设计能圆满完成增添了很多信心，真正的从心理和解决实际问题上为我树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到骄傲，每每对课程设计的撰写产生疑问时，他为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架，为我的写作指引了方向。在此我衷心的感谢一直不辞辛劳为我指明方向的老师，也要感谢教会我知识的学校为我提供实践的场所和实践器材，还要感谢那些耐心帮助我的同学们的同学们。通过这次的课程设计，不仅使我学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响。
在此，再次感谢我的学校、刘老师和同学们。
参考文献
[1] 数字电子技术基础简明教程 （第三版）
清华大学电子学教研组编 余孟尝主编 高等教育出版社
[2] 模拟电子技术基础简明教程 （第三版）
清华大学电子学教研组编 杨素主编 高等教育出版社
[3] 电子技术基础 模拟部分（第四版）
华中理工大学电子学教研室编 康花光主编
高等教育出版社
[4] 数字集成电路应用300例 黄继昌 人民邮电出版社
[5] 新编电子元器件选用与检测 郑凤翼 福建科学技术出版社
[6] 电子制作实训 刘进峰 中国劳动社会保障出版社
[7] 电子线路设计指导 李银华 北京航空航天大学出版社
[8] 电子电路基础（第2版）林家儒 北京邮电大学出版社
[9] 集成电路识图入门突破 胡斌 人民邮电出版社
[10] 电子电路设计基础 刘强 人民邮电出版社
数字电子钟设计
摘 要
数字钟被广泛用于个人家庭,车站, 码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,运用超过老式钟表, 而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
数字电子钟一般由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路等组成。秒信号是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将秒信号送入秒计数器，它是六十进制计数器。每累计六十秒发出一个“分脉冲”信号，这个信号作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也是六十进制计数器，它每累计六十分钟，发出一个“时脉冲”信号，此信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用二十四进制计数器，可以实现一天二十四小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED显示器显示出来。校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。本文通过对CD4060、CD4013、74LS160、74LS48和晶体振荡器的基本原理和基本功能的介绍，结合数字电子钟的设计过程让我们对电子钟的设计有了清楚的认识。
关键词：数字钟，晶体振荡器，计数器，CD4060,74LS160
1绪论
1.1. 课题描述
在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新，培育出拥有自主知识产权的品牌。这正是中国钟表业发展的希望。
数字钟被广泛用于个人家庭,车站, 码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,运用超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。本课题所设计的电子时钟是一个最基本的数字钟。 1.2. 基本工作原理与框图
数字电子钟要想最终设计成功必须要有精确而稳定的秒信号产生，通常先用石英晶体振荡器产生32768Hz的脉冲，经过整形、分频产生1Hz的秒脉冲。分频用CD4060分出2Hz的脉冲，再用CD4013分出1Hz的脉冲。然后1Hz脉冲经过校时电路送到秒计数器的个位，秒计数器是由两块74LS160组成的六十进制计数器，其十位TC接校时电路。校时电路的CP1接分计数器个位的CLK端，分计数器也是由两块74LS160组成的六十进制计数器，分计数器的十位的TC端接入校时电路。校时电路的CP2接时计数器的CLK端，分计数器是由两块74LS160组成的二十四进制计数器。校时电路的S1、S2、S3控制“校时”、“校分”和“校秒”。各个计数器分别接译码器，各个译码器分别接显示器。电路的基本原理就是这样，下面我将介绍各个模块的具体功能及原理。以下是我在下面整合的全电路原理图。
图表 1
2各部分电路原理及器件简介
2.1 秒信号产生电路
这部分电路现有石英晶体振荡器产生32768Hz的脉冲，经过CD4060经过十四次分频后产生2Hz的脉冲。再经过CD4013产生1Hz的脉冲。原理比较简单。
CD4060是十四位二进制计数器。它内部有十四级二分频器，有两个反相器。RST为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。在CIN下降沿，计数器以二进制计数。CIN、COUT分别为时钟输入、输出端。电源电压范围为3V～15V，输入电压范围为0V～VDD。它有十六个引脚，Q4～Q10、Q12～Q14为计数器输出端。VDD接正电源，Vss接地。其引脚图如下所示：
图表 2
CD4013A为双D触发器，在CLK上升沿有效。其特性表如下：
2.2 进制计数器电路 2.2.1 74LS160功能简介
图表3
CP是脉冲输入端；CT（CO）是进位信号输出端；CEP和CET是计数器工作状态端；MR(CR)是异步清零端；PE是置数端；VCC接正电源，GND接地；P0～P4是数据输入端，Q1～Q4是计数器状态输出端。电源电压7V，输入电压7V。其状态表如下所示：
2.2.2 60进制计数器
60进制计数器是由两个74LS160十进制计数器经过一定的方式连接组成的。具体连接是这样的，一片74LS160用低位，另一片设计成六进制计数器做为高位。将高位片的Q2和Q1接入与非门，出来接入高位片的MR(CR),当高位片为0110时，MR(CR)为低电平，此时清零，实现了六十进制。其连线图如下所示：
图表 3
2.2.3 24进制计数器
24进制计数器也是由两片74LS160组成的，当各位计数状态为
Q3Q2Q1Q0=0100,十位计数状态为Q3Q3Q1Q0=0010时，计数器归零。通过把个位Q2、十位Q1接入与非门，然后接入个位、十位的MR端。令计数器清零，从而实现二十四进制计数器的功能。其连线图如下所示：
图表 4
2.3 译码显示电路 2.3.1 CC4511
本实验采用CC4511 BCD锁存器/七段译码/驱动器。其中 A,B,C,D—BCD码输入端；a,b,c,d,e,f,g—译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管；LT—测试输入端，LT=“0”时，译码输出全为“1”；BI（RL）—消隐输入端；LE—锁定端，LE=“1”时译码器处于锁定状态，LE=0为正常译码。其引脚图如下：
图表 5
下表为CC4511功能表。
2.3.2 译码显示电路图
译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。其电路图如下所示：
图表 6
2.4 校时电路
2.4.1 校时电路功能简介
校时电路是数字中不可缺少的部分，当数字显示与实际时间不符时，就要根据标准时间进行校时。其简单电路如下所示：
图表 7
S1、S2、S3分别控制校“时”、校“分”和校外“秒”。具体是这样的，当S3
断开时，G7与非门打开，正常进行计秒。当需要校秒时，闭合S3，此时G7与非门被断开，时间正确时打开S3正常计秒。需要校分时闭合S2，此时低电平经过G8与非门后变为高电平，G5与非门打开，秒信号进来，使分计数器以秒的节奏快速计数。而G6与非门此时被断开，来自秒十位的进位脉冲无效。直到显示的时间和标准时间相同时打开S2，此时G5与非门被断开，G6与非门被打开，秒十位进位脉冲进来，1Hz脉冲信号无效，分计数器正常计时。需要校准小时时，只需闭合S1此时G3与非门被断开，G1与非门接通，1Hz信号进来，使时计数器以秒的节奏快速计数。当时计数器的显示与标准时间相同时，打开S1即可。打开S1时G1与非门断开，1Hz脉冲信号无效。G3与非门打开，接受分计数器的输出进位信号，使时计数器正常计数。这就是校时电路的基本原理。
3方案的选择
3.1 时钟信号源
时钟信号源是时钟类项目的心脏，他的精确度直接影响到整个项目的性能。要产生1Hz脉冲可用石英晶体振荡器和555多谐振荡器。555多谐振荡器的优点是起振容易，振荡周期调节范围广，缺点是频率稳定性差，精度低，所以在本试验中不宜使用。石英晶体振荡器不仅选频特性极好，而且谐振频率十分稳定，其稳定度可达10～10。因此在本实验中我选择石英晶体振荡器。
3.2 分频器的实现
因为时钟信号源已选中使用32768Hz,而输出的要求是1Hz的秒时钟信号，所以分频器需要实现2的分频功能。可以采用专用分频器，如六分频，十二分频，1/60分频器，常用集成电路有74LS92，74LS56,74LS57等。也可以用各种进制计数器构成分频器，如CD4020,CD4040,CD4060，异步十进制计数器74LS90，同步十进制计数器74LS290，双时钟同步加减计数器74LS192都可以很容易构成十进制，十二进制，二十四进制，六十进制分频器。还可以用脉冲分配器，如CD4017,CD4022.除此以外还可采用带有7段译码器的十进制计数器，连接LED时可以不再需要外加译码，如CD4026,CD4033。
结合本实验的特点，最后我使用了十四位2进制计数器CD4060，它可以进行214次分频，再用CD4013尽可以完成215分频了，就得到了1Hz脉冲。
3.3 译码显示器
译码显示器可用带译码器的LED数码显示管，它的显示管可接受4输入
8421BCD编码，因其内部有译码器，比较方便。也可用译码芯片＋LED数码显示管，可采用74LS47，74LS48,CD4511等集成电路将BCD码译成段码发送给8段发光二极管数码管，当然要选择相配的共阴极或共阳极译码驱动器。在这个电路中我选择了CD4511+LED数码显示管。 15-10-11
总 结
经过近多日的努力，终于将本次课程设计做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰当的地方，请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心接受。在本次课程设计过程中，我增强了自己的动手能力和分析能力。通过跟老师和同学的交流，也通过自己的努力，我按时完成了这次课程设计。在此过程中，我学会了很多，也看到了很多自己的不足之处。在以后的学习生活中，我会努力学习专业知识，完善自我，为将来的发展做好充分的准备。
总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西，懂得了理论和实际联系的重要性。在以后的学习中，我不仅要把理论知识掌握牢固，更要提高自己的动手能力和分析能力。
致 谢
通过二周的努力，终于将数字电子钟课程设计完成了，在完成课程设计的这二周中，老师给予了我很大的帮助。他不仅是指导我完成了设计，还教会了我做设计的一般步骤、设计思想和设计方法。当我对此课程设计无从下手的时候，李如昌老师专心地为我讲解，为我解决了很多实际存在的困难和问题。他在601教室里利用自己的休假时间为我们梳理流程，讲解原理，使我对此次的课程设计能圆满完成增添了很多信心，真正的从心理和解决实际问题上为我树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到骄傲，每每对课程设计的撰写产生疑问时，他为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架，为我的写作指引了方向。在此我衷心的感谢一直不辞辛劳为我指明方向的老师，也要感谢教会我知识的学校为我提供实践的场所和实践器材，还要感谢那些耐心帮助我的同学们的同学们。通过这次的课程设计，不仅使我学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响。
在此，再次感谢我的学校、刘老师和同学们。
参考文献
[1] 数字电子技术基础简明教程 （第三版）
清华大学电子学教研组编 余孟尝主编 高等教育出版社
[2] 模拟电子技术基础简明教程 （第三版）
清华大学电子学教研组编 杨素主编 高等教育出版社
[3] 电子技术基础 模拟部分（第四版）
华中理工大学电子学教研室编 康花光主编
高等教育出版社
[4] 数字集成电路应用300例 黄继昌 人民邮电出版社
[5] 新编电子元器件选用与检测 郑凤翼 福建科学技术出版社
[6] 电子制作实训 刘进峰 中国劳动社会保障出版社
[7] 电子线路设计指导 李银华 北京航空航天大学出版社
[8] 电子电路基础（第2版）林家儒 北京邮电大学出版社
[9] 集成电路识图入门突破 胡斌 人民邮电出版社
[10] 电子电路设计基础 刘强 人民邮电出版社