數(shù)字鐘電路的基本組成框架圖如圖一所示，它主要由多諧振蕩器、計數(shù)器、譯碼器和數(shù)碼顯示器4個部分組成。
圖一 數(shù)字鐘電路的基本組成（方框圖）
2、設(shè)計方案數(shù)字鐘是一個將“時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時設(shè)計裝置。他的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒。因此，一個基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”，“分”，“秒”，計數(shù)器、校時電路和振蕩器組成。數(shù)字鐘實(shí)際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路，由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定，通常使用石英晶體振蕩器電路。
三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算1、單元電路的設(shè)計1.1時鐘模塊
考慮到數(shù)字鐘對精度要求較高，故時鐘模塊是由555計時器組成的振蕩電路，其在電路中直接產(chǎn)生頻率為1HZ的脈沖信號。圖3.1.1為由555計時器所構(gòu)成的。
圖3.1.1時鐘模塊
1.2分頻計數(shù)器
設(shè)計的60和24進(jìn)制加法計數(shù)器都大于一個74LS160N的計數(shù)范圍，所以需要級聯(lián)。當(dāng)且僅當(dāng)秒的個位計數(shù)到10的瞬間，即輸出為1010時，向本位發(fā)送一個清零信號，并同時向十位發(fā)送一個進(jìn)位脈沖。但由于74LS160N的清零方式為異步清零，這種清零方式會導(dǎo)致清零的不可靠。所以必須要把脈沖調(diào)整到一個較低的周期，才會產(chǎn)生有效地清零和進(jìn)位信號。兩片74LS160N的預(yù)置是同步的，利用預(yù)置端的ABCD四個端口來實(shí)現(xiàn)清零。把A-D接地后，當(dāng)置入控制器LOAD為低電平時，在CLK上升沿作用下，輸出端QA-QD會與數(shù)據(jù)輸入端A-D相一致。通過采用預(yù)置的方式，可以確保清零的穩(wěn)定。但為了使清零和進(jìn)位同步進(jìn)行，在清零的輸出端需要引出一根線，加上非門引入下一級計數(shù)器的輸入端。這種可以實(shí)現(xiàn)多重清零的方式，也可以實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制用10進(jìn)制顯示，而且清零和進(jìn)位的可靠性與同步性得到了極大地提高。
1.3秒計數(shù)器
由于時鐘模塊分頻后可直接產(chǎn)生1Hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖時鐘信號，所以可以直接把所得的1Hz信號作為秒位計數(shù)器的時鐘信號。使用兩片同步加法計數(shù)器74LS160N構(gòu)成60進(jìn)制加法計數(shù)器作為秒計時器，同時在設(shè)計的時候，也應(yīng)用到了74LS20N這個雙4輸入與非門集成電路，其在電路中充當(dāng)與非門的作用。在秒的個位計數(shù)到10的瞬間，向十位發(fā)送一個進(jìn)位脈沖。秒的十位加法計數(shù)器在計數(shù)到6的瞬間，向74LS20N發(fā)送清零信號。這樣就構(gòu)成了一個級聯(lián)而形成的60進(jìn)制帶進(jìn)位與清零的加法計數(shù)器。圖3.1.3為秒計時器的電路圖。
圖3.1.3秒計數(shù)器
1.4分計數(shù)器
按照同樣的方法，可以構(gòu)成分位的計數(shù)器。圖3.1.4為秒計時器的電路圖。
圖3.1.4分計數(shù)器
1.5時計數(shù)器
秒分頻計數(shù)器采用兩片74LS160和一片74LS20組成，74LS160是十進(jìn)制計數(shù)器，也就是說只能記住十個數(shù)字，計數(shù)完成后自動清零，同時產(chǎn)生一個進(jìn)位信號，而74LS20內(nèi)部由兩組4輸入與非門組成；秒分頻計數(shù)器是60進(jìn)制的計數(shù)器當(dāng)?shù)臀坏?img id="aimg_Zf6V6" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="105" height="31" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/g/160/160.004.jpg" border="0" alt="" />變?yōu)?011的同時高位的
變?yōu)?010時，將高位和低位各置1的引腳接入到74LS20的一組四輸入與非門中，此時74LS20輸出低電平，將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計數(shù)器的同步置零。
圖3.1.5為秒計時器的電路圖。
圖3.1.5時計數(shù)器
1.6校時電路
當(dāng)數(shù)字鐘走時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間。校時電路實(shí)現(xiàn)對“時”“分”“秒”的校準(zhǔn)。在電路中設(shè)有正常計時和校對位置。本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“時”“分”“秒”的校對。
對校時的要求是，在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù)，在秒校正時不影響分和小時的正常計數(shù)。圖3.1.6為校時電路。
圖3.1.6校時電路
1.7顯示模塊
現(xiàn)在的許多電器設(shè)備上都有顯示十進(jìn)制字符的字符顯示器，以直觀的顯示出電器設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。目前廣泛使用的字符顯示器是七段字符顯示器，或稱七段數(shù)碼管。常見的七段數(shù)碼管有液晶顯示數(shù)碼管和半導(dǎo)體數(shù)碼管兩種。 半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七段發(fā)光二極管（Light Emitting Diode）組成，簡稱LED。圖3.1.7是
LED的引腳及其等效電路。
圖3.1.7LED的引腳及其等效電路
顯示計數(shù)結(jié)果需要用到顯示譯碼器DCD_ HEX，如圖3.1.7.1
圖3.1.7顯示譯碼器DCD_ HEX
2、元件參數(shù)的計算2.1時鐘模塊
555定時器的內(nèi)部電路由分壓器、電壓比較器
和
、簡單SR鎖存器、放電三極管T以及緩沖器G組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.2.1所示。
圖3.2.1 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
555定時器的功能表如下表所示
555定時器功能表
用555定時器組成多諧振蕩器時，在接通電源后，電容C被充電，當(dāng)
上升到
時，使
為低電平，同時放電三極管
導(dǎo)通，此時電容C通過
和
放電，下降。 當(dāng)
下降到
時，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為
當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，
將通過
、
向電容器C充電，由
上升到所需要的時間為
當(dāng)上升到時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為
當(dāng)我們要在電路中由555振蕩電路直接產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號時，555振蕩器的參數(shù)確定:T=0.7（R1+R2）C=500ms，f=1/t=2HZ，所以參數(shù)可以確定為:C1=47uF，C2=10nF，R1=10KΩ，R2=10KΩ。
2.2秒計數(shù)器
秒分頻計數(shù)器采用兩片74LS160和一片74LS20組成，74LS160是十進(jìn)制計數(shù)器，也就是說只能記住十個數(shù)字，計數(shù)完成后自動清零，同時產(chǎn)生一個進(jìn)位信號，而74LS20內(nèi)部由兩組4輸入與非門組成；秒分頻計數(shù)器是60進(jìn)制的計數(shù)器當(dāng)?shù)臀坏?img id="aimg_pH48s" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="105" height="31" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/g/160/160.004.jpg" border="0" alt="" />變?yōu)?010的同時高位的變?yōu)?101時，將高位和低位各置1的引腳接入到74LS20的一組四輸入與非門中，此時74LS20輸出低電平，將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計數(shù)器的同步置零。
2.3分計數(shù)器
分的個位和十位計數(shù)單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和秒的是一樣的，只是它要把進(jìn)位信號傳輸給時的個位計數(shù)單元。
2.3時計數(shù)器
秒分頻計數(shù)器采用兩片74LS160和一片74LS20組成，74LS160是十進(jìn)制計數(shù)器，也就是說只能記住十個數(shù)字，計數(shù)完成后自動清零，同時產(chǎn)生一個進(jìn)位信號，而74LS20內(nèi)部由兩組4輸入與非門組成；秒分頻計數(shù)器是60進(jìn)制的計數(shù)器當(dāng)?shù)臀坏?img id="aimg_XYB61" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="105" height="31" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/g/160/160.004.jpg" border="0" alt="" />變?yōu)?011的同時高位的變?yōu)?010時，將高位和低位各置1的引腳接入到74LS20的一組四輸入與非門中，此時74LS20輸出低電平，將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計數(shù)器的同步置零。
2.4校時電路
剛接通電源或走時不準(zhǔn)時，都需要進(jìn)行時間校準(zhǔn)。理論上校時電路是可以通過直接與脈沖源相接而獲得脈沖頻率。但是因?yàn)閷?shí)物電路的硬件緣故。在按下和彈開按鈕的瞬間，數(shù)碼管的數(shù)字會因?yàn)榘粹o的接觸原因而抖動。這就導(dǎo)致了在較好之間后想結(jié)束校時，因?yàn)榘粹o抖動的原因，時間又改變了。相當(dāng)于無校時功能。實(shí)現(xiàn)校時電路的方法有很多，采用基本R-S觸發(fā)器構(gòu)成單脈沖發(fā)生器是其中的一種。RS觸發(fā)器具有置位、復(fù)位和保持（記憶）的功能，可以消除抖動，所以決定用這個比較簡單的校時電路。
4、總原理圖1. 總原理圖總原理圖如圖4.1所示
圖4.1總原理圖
2. 總原理圖分析1.1總體仿真電路1
1.2總體仿真電路2
2.1秒計數(shù)器仿真分析
圖5.2.1為秒計數(shù)器仿真分析
圖5.2.1秒計數(shù)器仿真分析
分析結(jié)果為秒計數(shù)器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。
2.2分計數(shù)器仿真分析
圖5.2.2為分計數(shù)器仿真分析
圖5.2.2分計數(shù)器仿真分析
分析結(jié)果為分計數(shù)器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。
2.3時計數(shù)器仿真分析
圖5.2.3為時計數(shù)器仿真分析
圖5.2.3時計數(shù)器仿真分析
分析結(jié)果為時計數(shù)器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。
2.4555振蕩器仿真分析
圖5.2.4為555振蕩器仿真分析
圖5.2.4 555振蕩器仿真分析
分析結(jié)果為555振蕩器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。
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