张慧慧

浙江万里学院电子学院《数字电子技术》课程设计报告通信022张慧慧02022572

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0

数字电子技术课程设计报告

题目：数字钟的设计与制作

学年：03/04学年学期：第二学期

专业：通信班级：通信022

学号：02022572姓名：张慧慧

指导教师及职称：钱裕禄

讲师

时间：2004年6月28日—2004年7月7日

浙江万里学院电子信息学院

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1

数字电子技术课程设计报告

一、设计目的

数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高

的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

数字钟从原理上讲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，我们此次设计与制做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实用

方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻

辑电路与时序电路的原理与使用方法.

二、设计要求

（1）设计指标

①时间以12小时为一个周期；

②显示时、分、秒；

③具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；

④计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；

⑤为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。

（2）设计要求

①画出电路原理图（或仿真电路图）；

②元器件及参数选择；

③电路仿真与调试；

④PCB文件生成与打印输出。

（3）制作要求自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。

（4）编写设计报告写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

三、原理框图

1．数字钟的构成

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

间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的

1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。

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（a）数字钟组成框图

2．晶体振荡器电路

晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，可保证

数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡

器电路。一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用ＴＴＬ门电路构成；

另一类是通过ＣＭＯＳ非门构成的电路，本次设计采用了后一种。如图（b）所示，由ＣＭ

ＯＳ非门Ｕ１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，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容Ｃ１、Ｃ２与晶体构成一

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１８０度相移，从而和非门构

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。

（b）CMOS晶体振荡器（仿真电路）

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3．时间记数电路

一般采用10进制计数器如74HC290、74HC390等来实现时间计数单元的计数功

能。本次设计中选择74HC390。由其内部逻辑

框图可知，其为双2-5-10异步计数器，并每

一计数器均有一个异步清零端（高电平有效）。

秒个位计数单元为１０进制计数

器，无需进制转换，只需将ＱＡ与ＣＰＢ（下降

沿有效）相连即可。ＣＰＡ（下降没效）与１ＨZ秒输入信号相连，Ｑ３可作为向上的进位信

号与十位计数单元的ＣＰＡ相连。

秒十位计数单元为６进制计数器，需要进制转换。将１０进制计数器转换为６进

制计数器的电路连接方法如图２.４所示，其中Ｑ２可作为向上的进位信号与分个位的计数

单元的ＣＰＡ相连。

十进制-六进制转换电路

分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只

不过分个位计数单元的Ｑ３作为向上的进位信号应与分十位计数单元的ＣＰＡ相连，分十位计

数单元的Ｑ２作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣＰＡ相连。

时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单

元应为１２进制计数器，不是１０的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体

才能进行１２进制转换。利用１片７４ＨＣ３９０实现１２进制计数功能的电路如图（d）

所示。

（d）十二进制电路

另外，图（d）所示电路中，尚余－２进制计数单元，正好可作为分频器２Ｈ

Z

输出信号转化为１Ｈ

Z

信号之用。

4．译码驱动及显示单元电路

选择ＣＤ４５１１作为显示译码电路；选择ＬＥＤ数码管作为显示单元电路。由

CD4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。这里的LED数码

管是采用共阴的方法连接的。

计数器实现了对时间的累计并以8421BCD码的形式输送到CD4511芯片，再由4511

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芯片把BCD码转变为十进制数码送到数码管中显示出来。

5．校时电路

数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，

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。即为用COMS与或非门实

现的时或分校时电路，In1端与低位的进位信号相连；In2端与校正信号相连，校正信号可

直接取自分频器产生的1H

Z

或2H

Z

（不可太高或太低）信号；输出端则与分或时个位计时输

入端相连。当开关打向下时，因为校正信号和0相与的输出为0，而开关的另一端接高电平，

正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处于正常计时状态；当开关打向上时，情况

正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态。

实际使用时，因为电路开关存在抖动问题，所以一般会接一个RS触发器构成开关消

抖动电路，所以整个较时电路就如图（f）。

（f）带有消抖电路的校正电路

6．整点报时电路

电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期

间时，报时电路报时控制信号。

当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，

分别为5、9和5，因此可将分计数器十位的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。

报时电路可选74HC30来构成。74HC30为8输入与非门。

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5

1

2

3

4

5

6

11

12

8

U1

74HC30D

IO1

IO2

IO3

IO4

IO5

IO6

说明：当时间在59分50秒到59分59秒期间时

分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5，9和5；

因此，可以将分计数器十位的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。

分计数器十位

的Qc和QA

分计数器个位

的QD和QA

秒计数器十位

的QC和QA

5V

VCC

X1

4V_0.5W

5V

VCC

数字钟设计－整点报时电路部分

四、元器件

1．四连面包板1块（编号A45）

2．镊子1把

3．剪刀1把

4．共阴八段数码管6个

5．网络线2米/人

6．CD4511集成块6块

7．CD4060集成块1块

8．74HC390集成块3块

9．74HC51集成块1块

10．74HC00集成块4块

11．74HC30集成块1块

12．10MΩ电阻5个

13．500Ω电阻14个

14．30p电容2个

15．32.768k时钟晶体1个

16．蜂鸣器10个（每班）

1）芯片连接图

1)74HC00D2)CD4511

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3)74HC390D4)74HC51D

2．面包板的介绍

面包板一块总共由五部分组成，一竖四横，面包板本身就是一种免焊电板。

面包板的样式是：

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面包板的注意事项：

1．面包板旁一般附有香蕉插座，用来输入电压、信号及接地。

2．上图中连着的黑线表示插孔是相通的。

3．拉线时，尽量将线紧贴面包板，把线成直角，避免交叉，也不要跨越元件。

4．面包板使用久后，有时插孔间连接铜线会发生脱落现象，此时要将此排插孔做记号。

并不再使用。

五、各功能块电路图

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，可以由许多中小规模集成电路组成，所以可

以分成许多独立的电路。

（一）六进制电路

由74HC390、7400、数码管与4511组成，电路如图一。

U1A

74HC00D

1

2

3

U2A

74HC00D

1

2

3

U3A

74HC390D

1QA

3

1QB

5

1QC

6

1QD

7

1INA

1

1INB

4

1CLR

2

U4

DA

7

DB

1

DC

2

DD

6

OA

13

OD

10

OE

9

OF

15

OC

11

OB

12

OG

14

~EL

5

~BI

4

~LT

3

4511BD

U5

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

5V

VCC

V1

32Hz5V

将十进制计数器转换为

六进制的连接方法

（二）十进制电路

由74HC390、7400、数码管与4511组成，电路如图二。

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8

U1A

74HC390D

1QA

3

1QB

5

1QC

6

1QD

7

1INA

1

1INB

4

1CLR

2

U2

DA

7

DB

1

DC

2

DD

6

OA

13

OD

10

OE

9

OF

15

OC

11

OB

12

OG

14

~EL

5

~BI

4

~LT

3

4511BD

V1

60Hz5V

5V

VCC

U3

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U4A

74HC00D

1

2

3

U4B

74HC00D

4

5

6

十进制接法测试仿真电路

（三）六十进制电路

由两个数码管、两4511、一个74HC390与一个7400芯片组成，电路如图三。

（四）双六十进制电路

由2个六十进制连接而成，把分个位的输入信号与秒十位的Qc相连，使其产生进位，电路

图如图四。

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9

U1A

74HC00D

1

2

3

U1B

74HC00D

4

5

6

U3A

74HC390D

1QA

3

1QB

5

1QC

6

1QD

7

1INA

1

1INB

4

1CLR

2

U3B

74HC390D

2QA

13

2QB

11

2QC

10

2QD

9

2INA

15

2INB

12

2CLR

14

U2

DA

7

DB

1

DC

2

DD

6

OA

13

OD

10

OE

9

OF

15

OC

11

OB

12

OG

14

~EL

5

~BI

4

~LT

3

4511BD

U5

DA

7

DB

1

DC

2

DD

6

OA

13

OD

10

OE

9

OF

15

OC

11

OB

12

OG

14

~EL

5

~BI

4

~LT

3

4511BD

5V

VCC

V1

100kHz5V

U4

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U1C

74HC00D

9

10

8

U1D

74HC00D

12

13

11

U6

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U7

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U8A

74HC390D

1QA

3

1QB

5

1QC

6

1QD

7

1INA

1

1INB

4

1CLR

2

U9

DA

7

DB

1

DC

2

DD

6

OA

13

OD

10

OE

9

OF

15

OC

11

OB

12

OG

14

~EL

5

~BI

4

~LT

3

4511BD

U10A

74HC00D

1

2

3

U11B

74HC00D

4

5

6

5V

VCC

U12B

74HC390D

2QA

13

2QB

11

2QC

10

2QD

9

2INA

15

2INB

12

2CLR

14

U13

DA

7

DB

1

DC

2

DD

6

OA

13

OD

10

OE

9

OF

15

OC

11

OB

12

OG

14

~EL

5

~BI

4

~LT

3

4511BD

U14

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U15C

74HC00D

9

10

8

U16D

74HC00D

12

13

11

5V

VCC

（五）时间计数电路

由1个十二进制电路、2个六十进制电路组成，因上面已有一个双六十电路，只要把它与十

二进制电路相连即可，详细电路见图五。

U1

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U2

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U3

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U4

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U5

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U6

SEVEN_SEG_COM_K

ABCDEFG

Com

U7

D

A

7

D

B

1

D

C

2

D

D

6

O

A

1

3

O

D

1

0

O

E

9

O

F

1

5

O

C

1

1

O

B

1

2

O

G

1

4

~

E

L

5

~

BI

4

~

L

T

3

4511BD

U8

D

A

7

D

B

1

D

C

2

D

D

6

O

A

1

3

O

D

1

0

O

E

9

O

F

1

5

O

C

1

1

O

B

1

2

O

G

1

4

~

E

L

5

~

BI

4

~

L

T

3

4511BD

U9

D

A

7

D

B

1

D

C

2

D

D

6

O

A

1

3

O

D

1

0

O

E

9

O

F

1

5

O

C

1

1

O

B

1

2

O

G

1

4

~

E

L

5

~

BI

4

~

L

T

3

4511BD

U10

D

A

7

D

B

1

D

C

2

D

D

6

O

A

1

3

O

D

1

0

O

E

9

O

F

1

5

O

C

1

1

O

B

1

2

O

G

1

4

~

E

L

5

~

BI

4

~

L

T

3

4511BD

U11

D

A

7

D

B

1

D

C

2

D

D

6

O

A

1

3

O

D

1

0

O

E

9

O

F

1

5

O

C

1

1

O

B

1

2

O

G

1

4

~

E

L

5

~

BI

4

~

L

T

3

4511BD

U12

D

A

7

D

B

1

D

C

2

D

D

6

O

A

1

3

O

D

1

0

O

E

9

O

F

1

5

O

C

1

1

O

B

1

2

O

G

1

4

~

E

L

5

~

BI

4

~

L

T

3

4511BD

U13A

74HC390D

1

Q

A

3

1

Q

B

5

1

Q

C

6

1

Q

D

7

1

I

N

A

1

1

I

N

B

4

1

C

L

R

2

U14A

74HC390D

1

Q

A

3

1

Q

B

5

1

Q

C

6

1

Q

D

7

1

I

N

A

1

1

I

N

B

4

1

C

L

R

2

U15A

74HC390D

1

Q

A

3

1

Q

B

5

1

Q

C

6

1

Q

D

7

1

I

N

A

1

1

I

N

B

4

1

C

L

R

2

U16B

74HC390N

2

Q

A

1

3

2

Q

B

1

1

2

Q

C

1

0

2

Q

D

9

2

I

N

A

1

5

2

I

N

B

1

2

2

C

L

R

1

4

U17B

74HC390N

2

Q

A

1

3

2

Q

B

1

1

2

Q

C

1

0

2

Q

D

9

2

I

N

A

1

5

2

I

N

B

1

2

2

C

L

R

1

4

U18B

74HC390N

2

Q

A

1

3

2

Q

B

1

1

2

Q

C

1

0

2

Q

D

9

2

I

N

A

1

5

2

I

N

B

1

2

2

C

L

R

1

4

V1

1000Hz5V

5V

VCC

U19A

74HC00D

12

3

U20B

74HC00D

45

6

5V

VCC

U20C

74HC00D

910

8

U20D

74HC00D

1213

11

5V

VCC

U21A

74HC00D

12

3

U22B

74HC00D

45

6

U23C

74HC00D

910

8

U24D

74HC00D

1213

11

5V

VCC

5V

VCC

5V

VCC

U25A

74HC00D

12

3

U26B

74HC00D

45

6

时，分，秒计时电路图

（六）校正电路

由74CH51D、74HC00D与电阻组成，校正电路有分校正和时校正两部分，电路如图六。

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10

U1

74HC51D

8

6

1

12

13

9

10

11

2

3

4

5

U2A

74HC00D

1

2

3

U2B

74HC00D

4

5

6

U2C

74HC00D

9

10

8

U2D

74HC00D

12

13

11

U3A

74HC00D

1

2

3

U3B

74HC00D

4

5

6

5V

VCC

R3

10Mohm

R4

10Mohm

R2

10Mohm

R1

10Mohm

J1

Key=A

J2

Key=B

IO1

IO2

IO3

IO4

IO5

IO6

时计数器

分计数器

正常输入信号

校正信号

正常输入信号

校正信号

小时校正电路

分钟校正电路

分校正时锁定

小时信号输入

注意：分校时时，不会进位到小时。

数字钟设计－校时电路部分

图中采用基本RS触发器构成开关消抖动电路，

其中与非门选用74HC00；对J1和J2，因为校正

信号与0相与为0，而开关的另一端接高电平，正

常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处

于正常计时状态，当开关打向上时，情况正好与

上述相反，这时电路处于校时状态。

（七）晶体振荡电路

由晶体与2个30pF电容、1个4060、一个10兆的电阻组成，芯片3脚输出2Hz的方波信

号，电路如图七。

（八）整点报时电路

由74HC30D和蜂鸣器组成，当时间在59:50到59:59时，蜂鸣报时，电路如图八。

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8

U1

74HC30D

IO1

IO2

IO3

IO4

IO5

IO6

说明：当时间在59分50秒到59分59秒期间时

分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5，9和5；

因此，可以将分计数器十位的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。

分计数器十位

的Qc和QA

分计数器个位

的QD和QA

秒计数器十位

的QC和QA

5V

VCC

X1

4V_0.5W

5V

VCC

数字钟设计－整点报时电路部分

六、总接线元件布局简图

整个数字钟由时间计数电路、晶体振荡电路、校正电路、整点报时电路组成。

其中以校正电路代替时间计数电路中的时、分、秒之间的进位，当校时电路处于正常

输入信号时，时间计数电路正常计时，但当分校正时，其不会产生向时进位，而分与时的校

位是分开的，而校正电路也是一个独立的电路。

电路的信号输入由晶振电路产生，并输入各电路。

简图如图九。

七、芯片连接总图

因仿真与实际元件上的差异，所以在原有的简图的基础上，又按实际布局画了这张按

实际芯片布局的接线图，如图十。

八、总结

1．实验过程中遇到的问题及解决方法

①面包板测试

测试面包板各触点是否接通。

②七段显示器与七段译码器的测量

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把显示器与CD4511相连，第一次接时，数码管完全没有显示数字，检查后发现是

数码管未接地而造成的，接地后发现还是无法正确显示数字，用万用表检测后，

发现是因芯片引脚有些接触不良而造成的，所以确认芯片是否接触良好是非常重

要的一件事。

③时间计数电路的连接与测试

六进制、十进制都没有什么大的问题，只是芯片引脚的老问题，只要重新插过芯

片就可以解决了。但在六十进制时，按图接线后发现，显示器上的数字总是100

进制的，而不是六十进制，检测后发现无论是线路的连通还是芯片的接触都没有

问题。最后，在重对连线时发现是线路接错引脚造成的，改过之后，显示就正常

了。

④校正电路

因上面程因引脚接错而造成错误，所以校正电路是完全按照仿真图所连的，在测

试时，开始进行时校时时，没有出现问题，但当进行到分校时时，发现计数电路

的秒电路开始乱跳出错。因此，电路一定是有地方出错了，在反复对照后，发现

是因为在接入校正电路时忘了把秒十位和分个位之间的连线拿掉而造成的，因此，

在接线时一定要注意把不要的多余的线拿掉。

2．设计体会

通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。

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。

3．对设计的建议

我希望老师在我们动手制作之前应先告诉我们一些关于所做电路的资料、原理，以

及如何检测电路的方法，还有关于检测芯片的方法。这样会有助于我们进一步的进

入状况，完成设计