数字电子技术实验课程
24小时制数字时钟设计与制作
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前言
钟表给人们的生活、学习、工作带来极大地方便，早已成为日常生活的必需品。随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断地提高。时钟已不仅仅被看成一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。数字时钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置，以其显示的直观性、走时准确稳定而受到人们的欢迎。本实验要求用以数字逻辑器件为主设计一个数字计时器，可以完成0分00秒-23小时59分59秒的计时功能，并在控制电路的作用下有准确校时、整点报时等功能。
一、设计要求
1、设计一个有“时”，“分”，“秒”（23小时59分59秒）显示的数字钟。 2、数字钟具有“时”，“分”的调时功能。
3、扩展功能：具有整点报时功能，即在某分某秒能输出某一音频信号。 4、可以根据自己的设计添加其它功能。
二、设计方案的选择与论证
一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器和秒脉冲信号发生电路组成。 方案一：
用555定时器加上一些基本元件构成一个振荡周期为一秒的标准秒脉冲发生器。再用若干十进制计数器和与门、非门电路分别组成两个六十进制及一个二十四进制的计数器分别作秒、分、时的计数电路。将标准秒脉冲信号作为秒计数电路时钟脉冲输入，把秒计数电路进位输出作为分计数器时钟脉冲，同样，将分计数电路进位输出作为时计数电路时钟脉冲输入。三个计数电路的输出连接到译码器，再将译码器输出接到数码管进行显示。这样，电路就能实现基本的由00:00:00到23:59:59的计时功能。 方案二：
单片机外接数码管，再将能实现数字时钟功能的编程代码烧进单片机，同样能实现基本的由00:00:00到23:59:59的计时功能。 方案三：
首先，设计一个由频率为32.768KHz的石英晶体振荡器、十四位分频器及二 分频器组成一个振荡周期为一秒的标准秒脉冲发生电路。再用若干十进制计数器和与门、非门电路分别组成两个六十进制及一个二十四进制的计数器分别作秒、分、时的计数电路。将
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秒脉冲信号作为秒计数电路时钟脉冲输入，把秒计数电路进位输出作为分计数器时钟脉冲，同样，将分计数电路进位输出作为时计数电路时钟脉冲输入。再将十进制计数器的输出经译码后连接到数码管进行显示。这样，电路也能实现基本的由00:00:00到23:59:59的计时功能。
方案比较：
首先排除方案二，因为尽管其较易实现，但本实验的目的是熟悉基本集成逻辑器件的使用和应用，故本实验不能使用单片机。
比较方案一和方案三易看出两种方案的区别主要在于秒脉冲信号发生电路的不同。方案一的秒脉冲发生电路元器件较少且结构简单，但产生的秒脉冲信号相对而言较为不稳定，且精确度不高；而方案三，电路元器件不多且结构也不是很复杂，但产生的脉冲信号精确度高，而秒脉冲信号的精确度直接影响数字时钟计时的精确度，同时考虑到数字时钟的功能扩展（整点报时可能需要用到不同频率的脉冲信号），故选择方案三为最终的设计方案。
在方案三中，十四位分频器、二分频器分别采用CD4060、CD4013；考虑到尽量让电路简洁和节约成本，十进制计数器采用CD40110。CD40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能，能很好地满足本实验的要求。假如采用单纯的十进制计数器，如74ls90，要想将数据用数码管显示出来，还要经过译码器译码有才能实现，这样既增加了电路的复杂性，同时也提高了成本。而系统的供电部分，则直接使用9V叠层电池，后面接个LM7805和电容滤波组成5V电源电路。
三、硬件系统框图及原理分析
硬件系统框图
数码管数码管数码管数码管数码管数码管时十位时个位分十位分个位秒十位秒个位CD40110（两个）24进制CD40110（两个）60进制CD40110（两个）60进制进位脉冲进位脉冲校时校分D触发器CD4013（二分频）整点报时晶振32.768KHz14位分频器（CD4060）电路脉冲2Hz秒脉冲 - 3 -
（一） 硬件系统总体分析：
首先，系统要有秒脉冲：32.768KHz的石英晶振作为十四位分频器CD4060的晶振输入，将CD4060的十四分频输出（即2Hz脉冲）作为D触发器CD4013的时钟信号，则CD4013可输出频率为1Hz的秒脉冲。
然后，用若干十进制计数器（CD40110）和若干与门、非门电路分别组成两个六十进制及一个二十四进制的计数器分别作秒、分、时的计数电路，将CD4013输出地秒脉冲信号作为秒计数电路时钟脉冲输入，把秒计数电路进位输出作为分计数器时钟脉冲，同样，将分计数电路进位输出作为时计数电路时钟脉冲输入。再将十进制计数器的输出经译码后连接到数码管进行显示。这样，电路也能实现基本的由00：00：00到23：59：59的计时功能。
最后，（1）在时、分计数电路的脉冲输入端加上以轻触开关为主的校时、校分电路；（2）将分计数电路的进位输出作为控制整点报时的脉冲，而整点报时电路主要由蜂鸣器构成，其输入频率由CD4060提供，根据需要可选不同的频率，在本设计中选择1024Hz的频率；（3）直接使用9V叠层电池，后面接个LM7805和电容滤波组成5V的系统电源电路。
（二）数字时钟系统各单元电路的分析 1、石英晶体振荡电路
图1
图中U1、U2门是反相器，U1门用于振荡，U2门用于缓冲整形。非门可选4009R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），R的值选取太大，会使放大器偏置不稳甚至不能正常工作，而R值太小又会使反馈网络负担加重，又由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R可选为10MΩ（较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性）。
C2是频率微调电容，一般取5-35pF；C1是温度特性校正电容，一般取20-40pF； X1为石英晶体振荡器，它与电容C1、C2共同构成∏形网络，以控制振荡频率。在这里石英晶体振荡器X1的振荡频率选为32768Hz。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低且稳定，有利于减少分频器级数。 2、分频电路
分频器的功能主要有两个：一是产生标准的时钟秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路
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