课程设计——数字时钟

目录

• 一、技术指标要求
• 二、总体方案设计
• 三、各部分单元电路设计
• 四、安装、布线、调试注意事项
• 五、调试中遇到的问题和故障分析
• 六、设计结果情况
• 七、心得体会
• 附录

一、技术指标要求

1.具有时、分、秒计时及显示；

计时范围：00时00分00秒 ---- 23时59分59秒

2.具有手动校时、校分功能；

3.能整点报时；从59分51秒开始，逢单响一下( 持续1秒 )，前4响频率为500Hz，最后1响频率为1000Hz。也可逢双响。

4.脉冲信号发生（1Hz、512Hz、1024Hz）。

二、总体方案设计

1.模块功能划分

如图1所示，本方案分六个模块，分别是“秒”模块、“分”模块、“时”模块、“校分模块”、“校时模块”和“报时模块”。其中，“秒”、“分”、“时”模块由各自的计数器、译码器、显示器组成；“校分模块”、“校时模块”各由校分、校时按钮和逻辑单元组成；“报时模块”由逻辑单元与蜂鸣器组成。

其中，“时”、“分”、“秒”三个模块具有时、分、秒计时及显示功能；校时模块与校分模块中，每按下一次校时、分按钮，时或分计数一次，秒维持不变。

2.面包板上集成电路布局

如图，实验箱上的面包板左半区域里是时钟模块，右半区域是报时模块。时钟模块从上至下依次是数码管、译码器、计数器。根据元件连接的就近原则，计数器的逻辑模块布置在各位之间。报时模块中，由于逻辑模块直接与计数器连接，而选择器再与逻辑模块、触发器连接，因此逻辑模块布置在该区域的右侧，更接近时钟模块的位置。

3.十进制、六进制显示设计

十进制、六进制显示部分分别由数码管、译码器、计数器组成。计数器将BCD码输出给译码器，译码器将信号输出给数码管。六进制计数器是通过与非门控制十进制计数器的LD管脚实现的。

十进制计数器：

六进制计数器：

4.六十进制、二十四进制计数器设计

如图所示，六十进制、二十四进制计数器分别由两个计数器和多个与非门组成。其中，个位与十位计数器采用并行进位的方法级联，且同时置“0”。

六十进制计数器：

二十四进制计数器：

5.校时校分电路设计

校时、校分电路各由CP脉冲和多个与非门组成。当校时按钮按下或一分钟、一小时走完时分别向分、时计数器输出一个周期的脉冲时钟信号。

6.报时模块

报时模块由数据选择器、D触发器和逻辑电路组成。在59分51、53、55、57秒时给蜂鸣器输出500Hz信号，在59分59秒时给蜂鸣器输出1000Hz信号。

三、各部分单元电路设计

1.“秒”模块

“秒”模块设计的本质是一个带显示的六十进制计数器，由一个数码管、一个计数器、一个译码器和一个集成与非门组成。

A.单个个位与单个十位

CD4029芯片是同步置数的4位二进制或BCD码十进制加减计数器，其管脚如图所示。

引脚功能：

1: 当LD为高电平时，计数器同步将Qn置为Dn；

2：输出第三位；

3：置数第三位；

4：置数第零位；

5：进位输入；

6：输出第零位；

7：进位输出；

8：电源负极；

9：当B/D’为低电平时，以十进制计数，反之为二进制计数；

10：当U/D’为高电平时，为加计数，反之为减计数。

11：输出第一位；

12：置数第一位；

13：置数第二位；

14：输出第二位；

15：脉冲信号输入；

16：电源正极；

要实现要求的功能，则需将计数器芯片的VDD与VSS端分别与电源正负极相连，给芯片供电；将U/D’与接高电平，B/D’接低电平，使其工作在十进制加计数工作状态；将芯片置数输入端接低电平，使每次置数为“0”。

芯片的CP、LD、CI’、C0’在秒个位、十位级联时再进行连接。

本方案采用CD4511作为译码器，CD4511是一个用于驱动共阴数码管的 BCD 码—七段译码器，它能将输入的四位BCD码A3A2A1A0译为七段数码管特殊的7位编码YaYbYcYdYeYfYg。

芯片引脚图如下：

其中，7、1、2、6脚分别是译码器BCD码由低位到高位的输入端；

9-15脚为译码器的8位输出端；

3、4脚分别是测试输入端与消隐端，接高电平时正常工作。

16脚和8脚分别是电源正负极。

BCD—七段显示译码器真值表如下表：

接下来对数码管的工作原理和使用方法进行详细介绍。

LED数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。本方案采用多个1位数码管实现多位数字的显示的解决方案。

此外，数码管按单元连接方式可划分为共阳数码管和共阴数码管。如图，共阳数码管将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在使用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。而共阴数码管将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在使用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

本方案采用的是BS207共阴数码管。由于CD4511正是用于驱动共阴数码管的 BCD 码—七段译码器，因此可以将CD4511译码器输出直接送给BS207共阴数码管。

将译码器电源正负分别接电源正负、LT’与BI’接低电平，使之能正常工作，将共阴数码管的输入与CD4511译码器的对应的输出相连，使译码器能将输出信号传输给数码管，并将数码管共阴极接电源负极，使数码管能被点亮，这样就完成了数码管与译码器之间的连接，该部分接线如下图所示。

再将计数器的输出端Q3Q2Q1Q0依次连接译码器的A3A2A1A0，使计数器能将输出信号传输给译码器进行译码，这样就完成了译码器与计数器之间的连接。

B.个位与十位之间的连接

秒的个位与十位组成一个六十进制计数器，要实现本功能，首先应使计数器处于正确的逻辑工作状态。参照《数字电子技术基础》第300页例6.3.4特殊进制的计数器的设计(见附录)，采用两个同步十进制计数器并行进位的方式来实现。而本方案选择采用CD4029芯片连接成六十进制计数器，与书中的74160芯片连接成二十九进制计数器略有不同。

由于个位与十位之间的进位关系，须将个位计数器的进位输出端CO’接至十位计数器进位输入端CI’；又因个位计数器是秒的最低位，所以将个位计数器的进位输入端CI’接低电平。由于CD4029是十进制计数器，而此处需要的是六十进制计数器，因此需要逻辑门电路作为逻辑模块，使在计数器满足一定输出时通过控制LD为高电平，将Q3Q2Q1Q0置为D3D2D1D0(0000)。值得注意的是，个位与十位应同时置数“0”，须将个位与十位计数器的LD相连；同时并行进位要求多位计数器同时接入相同CP脉冲，须将个位与十位计数器的CP相连。

本方案采用74LS00四2输入与非门组成逻辑门电路，74LS00芯片的逻辑功能与管脚如图所示。

由于CD4029是同步计数器，要实现六十进制计数器功能，须在“秒”十位输出“6”（即0110）时控制LD为有效，将其置数为“0”，LD逻辑表达式为：

LD=Q2（十位）·Q1（十位）

但由于74LS00为与非门，因此需要两次与非实现上述表达式，即：

1Y=(Q2（十位）·Q1（十位）)’

2Y=(1Y·1)’= Q2（十位）·Q1（十位）

完成74LS00部分的接线，可将秒个位或十位接入1Hz时钟信号，打开电源进行测试和验证。

2.“分”模块

“分”模块设计的本质与“秒”模块类似，也是一个带显示的六十进制计数器，由一个数码管、一个计数器、一个译码器和一个集成与非门组成。其连接与“秒”模块基本相同，仅CP时钟不同。

从逻辑上讲，秒每置零一次，分计数一次。因此“分”模块的两个计数器的CP应同时接入“秒”模块的LD，使“分”CP信号的周期为“秒”CP信号周期的六十分之一。

完成此部分连接，可打开电源进行测试和验证。

3.“时”模块

“时”模块设计的本质是一个带显示的二十四进制计数器，由一个数码管、一个计数器、一个译码器和一个集成与非门组成。其连接与“分”“秒”模块类似，但CP时钟与进位逻辑不同。

由于CD4029是同步计数器，要实现二十四进制计数器功能，须在“时”十位输出“2”（即0010）且“时”个位输出“4”（即0100）时控制LD为有效，将其置数“0”，LD逻辑表达式为：

LD= Q1（十位）·Q2（个位）

但由于74LS00为与非门，因此需要两次与非实现上述表达式，即：

1Y=( Q1（十位）·Q2（个位）)’

2Y=(1Y·1)’= Q1（十位）·Q2（个位）

从逻辑上讲，分每置零一次，时计数一次。因此“时”模块的两个计数器的CP应同时接入“分”模块的LD，使“时”CP信号的周期为“分”CP信号周期的六十分之一。

完成此部分连接，可打开电源进行测试和验证。

4.校分模块

一个功能完整的电子钟需要校时与校分功能。在之前的电路中，秒每置零一次，分计数一次，而校分电路要求在每次按下CP脉冲时，分也能进行一次计数，本方案通过一个74LS00与非门来实现该功能。校分逻辑表达式为：

CP（分）=LD（秒）+P2

但由于74LS00为与非门，因此需要两次与非实现上述表达式，即：

Y1=(LD（秒）·1)’=LD（秒）’

Y2=(Y1·P2’) =LD（秒）+P2

该部分74LS00电路连接如下所示：

值得注意的是，在接完此部分电路后，须移除原来“秒”模块的LD与“分”模块的CP之间的连接线，否则会导致校分功能不正常。

5.校时模块

校时模块与校分模块类似。在之前的电路中，分每置零一次，时计数一次，而校时电路要求在每次按下CP脉冲时，时也能进行一次计数，本方案通过一个74LS00集成与非门来实现该功能。校分逻辑表达式为：

CP（时）=LD（分）+P1

但由于74LS00为与非门，因此需要两次与非实现上述表达式，即：

Y1=(LD（分）·1)’=LD（分）’

Y2=(Y1·P1’) =LD（分）+P1

该部分74LS00电路图如下所示：

与校分模块相同，在接完此部分电路后，须移除原来“分”模块的LD与“时”模块的CP之间的连接线，否则会导致校时功能不正常。

6.报时模块

报时模块的功能是，每个小时的59分51秒到57秒逢单数秒响500Hz，59秒响1000Hz。为实现此功能，需要用到一个数据选择器，59分51、53、55、57秒选通500Hz频率，59分59秒选通1000Hz频率，输出给蜂鸣器。

实验箱上只有1000Hz的函数信号发生器，因此需要通过触发器来分频，这里本方案采用74LS74双D上升沿触发器芯片。首先将D触发器的Q’与D相连，组成一个T’触发器（见《数字电子技术基础》第226页），其表达式为：

Q*=Q’

再将1000Hz接入D触发器时钟信号输入端CP。由于74LS74是上升沿D触发器，因此D触发器输出Q会在时钟信号由0变为1时进行翻转，即每两个周期翻转一次。因此D触发器输出500Hz的方波信号。

注：参照《数字电子技术基础》第278页，此处也可以用计数器来实现。

如上图所示，本方案采用74LS153作为数据选择器；采用74LS20作为四2输入与非门；采用74LS04作为反相器；采用74LS74作为D触发器。各芯片管脚及功能如下图所示。

其中74LS153是双4选1数据选择器，其输出表达式为：

Y=(A1’A0’)D0+(A1’A0)D1+(A1A0’)D2+(A1A0)D3

我们将500Hz输入D0，1000Hz输入D1，因此在59分51、53、55、57秒时，A1A0=0（即A1=0且A0=0），选通D0；在59分59秒时A1’A0=0（即A1=1且A0=0），选通D1。

59分时，分十位计数器输出为：0101，分个位计数器输出为：1001；

50秒以后的奇数秒时，秒十位计数器输出为：0101，秒个位计数器输出为：0001。

可参照下表：

分	秒	奇偶	分十位	分个位	秒十位	秒个位	A0	A1	选通
59分	50秒之前	奇数秒	0101	1001	Q2Q0不为1	XXX1	1	X
偶数秒	0101	1001	Q2Q0不为1	XXX0	1	X
50秒之后，58秒之前	奇数秒	0101	1001	0101	XXX1	0	0	选通D0
偶数秒	0101	1001	0101	XXX0	1	1
59秒	奇数秒	0101	1001	0101	1001	0	1	选通D1

因此A1的输入表达式应为：

A1=Q2（分十位）Q0（分十位）Q3（分个位）Q0（分个位）Q2（秒十位）Q0（秒十位）Q0（秒个位）

由于仅有双四输入的与非门74LS20和74LS04六反相器，因此须将表达式改成：

A1=((Q2（分十位）Q0（分十位）Q3（分个位）Q0（分个位）)’)’·((Q2（秒十位）Q0（秒十位）Q0（秒个位）·1)’)’

该式可以拆分为：

Y1=(Q2（分十位）Q0（分十位）Q3（分个位）Q0（分个位）)’ 74LS20实现

Y2=(Q2（秒十位）Q0（秒十位）Q0（秒个位）·1)’ 74LS20实现

Y3=Y1’= Q2（分十位）Q0（分十位）Q3（分个位）Q0（分个位） 74LS04实现

Y4=Y2’= Q2（秒十位）Q0（秒十位）Q0（秒个位） 74LS04实现

Y5=(Y3·Y4)’=(Q2（分十位）Q0（分十位）Q3（分个位）Q0（分个位）Q2（秒十位）Q0（秒十位）Q0（秒个位）)’ 74LS00实现

Y6=Y5’=Q2（分十位）Q0（分十位）Q3（分个位）Q0（分个位）Q2（秒十位）Q0（秒十位）Q0（秒个位） 74LS04实现

59秒时，秒个位计数器的输出为：1001，因此A0的输入表达式为：

A0= Q3（秒个位）Q0（秒个位）

由于仅有双四输入的与非门74LS20和74LS04六反相器，因此需通过一次与非再一次非实现：

Y1=(Q3（秒个位）Q0（秒个位）)’ 74LS00实现

Y2=Y1’=Q3（秒个位）Q0（秒个位） 74LS04实现

将此部分电路接好，即可测试整个电路。

四、安装、布线、调试注意事项

1.电子技术实验箱的接插安装与布线

目前，在实验室中常用的各类电子技术实验箱上通常有数块多孔插座板(或称面包板)。利用这些多孔插座板可以直接接插安装和连接实验电路而无需焊接。然而，正确和整齐的布线在这里显得极为重要。这不仅是为了检查、测量的方便，更重要的是可以确保线路稳定可靠地工作，因而是实验顺利进行的基础。实践证明，草率的和杂乱无章的接线往往会使线路中出现难以排除的故障，以致最后不得不重新接插和安装全部实验电路，浪费很多时间。为此，在多孔插座板上接插安装时应注意做到以下几点：

(1)首先要弄清楚多孔插座板和实验箱的结构，然后根据实验箱的结构特点来安排元器件位置和电路的布线。一般应以集成电路为中心，并根据输入、输出分离的原则，所有器件按照就近布局、缺口朝左、跨槽放置的原则布局好，匀称分布。最好先画出实物布置图和布线图，以免发生差错。

(2)接插元器件和导线时要非常细心。接插前，必须先用钳子或镊子把待插元器件和导线的插脚弄平直，弯管脚拨直后用，断管脚的不用。接插时，应小心地用力插入，以保证插脚与插座间接触良好。实验结束时，应用镊子一一轻轻拔下元器件和导线，切不可用力太猛。注意接插用的元器件插脚和连接导线均不能太粗或太细，一般以线径0.5mm左右为宜，导线的剥线头长度约5mm。

(3)布线的顺序一般是先布电源线与地线，然后按布线图布线。在布电源线与地线时应将所有IC的电源端串接在一起，接数字箱上的Vcc（+）端； 将所有IC的地端串接在一起，接数字箱上的GND（-）端；确保数字箱上电源和地不短路，（如果指示灯不亮，数字箱上电源和地可能短路），确保所有IC接上电源和地、数字箱上电源不短路，再依次连接好各元器件和接线。在可能条件下应尽量做到接线短、接点少，但同时又要考虑到测量的方便。

(4)在接通电源之前，要仔细检查所有的连接线。特别应注意检查各电源的连线和公共地线是否接得正确.查线时仍以集成电路的引脚为出发点，逐一检查与之相连接的元件和连线，在确认正确无误后方可接通电源。

2.正确的接线规则

仪器和实验板间的接线要用颜色加以区别，以便于检查，如电源线(正极)常用红色，公共地线(负极)常用黑色。接线头要拧紧或夹牢，以防因接触不良或脱落而引起短路。应接高电平的管脚就近接其Vcc端，应接低电平的管脚就近接其GND端。

3.测试前的准备

在线路按要求安装完毕后即将通电测试前，应做好以下准备工作：

(1)先检查各种仪器面板上的旋钮，使之处于所需的待用位置。切勿在调整电压前随意与实验电路板接通。

(2)对照实验电路图，对实验电路板中的元件和接线进行仔细的寻迹检查，检查各引线

有无接错，并注意防止碰线短路等问题。经过认真仔细检查，确认安装无差错后，方可按前述的接线原则，将实验电路板与电源和测试仪器接通。

4.调试的方法与步骤

调试前，应先用数字电压表检查实验箱电源正负极是否正常输出5v电压；用小灯泡和示波器检查脉冲输出是否能输出所标频率的脉冲。若实验箱部分功能故障则需要用直流电源、函数信号发生器等仪器替代。

调试的时候要注意分模块调试、试验，做完一部分电路立刻进行该部分电路的调试。这样不仅可以缩小故障与错误的范围，也能一定程度上避免相同故障或错误的再次发生。而将电路一口气连完后再调试是不现实的，这样很难找出故障与错误的位置，最终只能将电路重新连接，浪费许多时间。

当故障或错误发生时，应先检查线路的连接是否正确，尤其是电源正负极是否正确连接、芯片是否与面包板接触良好。若仍不能排除错误，则可以利用实验箱上的小灯泡，依次对各芯片进行输入输出逻辑验证。值得注意的是，有的实验箱的部分小灯泡可能断路或短路，应先将小灯泡接电源正测试是否能正常点亮和熄灭。若测试结果不符合设计，则可能是导线接触不良或是芯片故障，此时需要更换导线或者芯片进行故障排除。

五、调试中遇到的问题和故障分析

1.进制错误故障

a) 十进制出现在不应是十进制（应是二进制、四进制、六进制）处

​ i. 控制进位的74LS00芯片未接电源正负极

​ ii. LD接地

​ iii. 未连接控制进位的74LSOO芯片

​ iv. 74LSOO输出Y与计数器LD间断路

b) X十进制出现在不应是X进制（应是二进制、四进制、六进制）处

​ i. 74LSOO输入端未正确接至计数器的输出端

2.数码管不亮

数码管共阴极未接地

3.报时故障

a) 报时只响59秒一声

​ i. 74LS74芯片未正常工作，输出端Q未输出500Hz信号。

​ ii. 报时逻辑出现故障

b) 报时最后一声不响

​ i. 报时逻辑出现故障

c) 报时不响

​ i. 实验箱上的1000Hz信号故障

​ ii. 蜂鸣器接触不良

4.某个位不计数

​ i. 该位CP未正确连接

​ ii. 计数器电源正极负极未正确连接、CI’没有接地

六、设计结果情况

能完成课程设计要求的时分秒计时、时分校时、整点报时功能，且功能稳定。

七、心得体会

此次课程设计进展比较顺利，由于在做课设前进行了充分的预习，因此电路的连接比较快。在连接时，我们小组两位成员分工明确，按部就班地进行测试与验收，及时发现并修正了电路中的错误。在修正错误中，我意识到了懂得电路原理的重要性。懂得原理，则可以在电路出现错误时快速地确定错误所处地位置，即使错误隐藏的比较深，也可以通过逻辑推理找出。其次，一台好的实验箱也是十分重要的，有一些箱子的脉冲、灯泡都坏了，给后期的调试带来了一些困难与阻碍。

在电路的布局上，我们提前设计好芯片的排布，使其疏密合理且不需要用到很多的长导线。在接线的细节上，我们统一用红线接电源正极、黑线接电源负极，这样比较好检查错误。每块面包板上下都可以接电源的正负极，我们充分利用面包板上的正负极，就近接线，避免导线跨越芯片给以后检查故障时替换芯片造成不便。

面包板上电路的连接需要细心与耐心，接线看图不能心急，最好能分模块调试功能，确保已经连的电路能正常工作再连接下一部分，按部就班地进行工作。但即使细心认真地连线，电路依然可能出现故障、错误。这时不应慌乱手脚，应根据“五、调试中遇到的问题和故障分析”中的方法对故障、错误进行排除。

附录

器件清单

74LS00 ×3 四 2输入与非门

74LS04 六反相器

74LS20 双4输入与非门

CD4029 ×6 二/十进制同步计数器

CD4511 ×6 译码器

74LS74 双上升沿D触发器

74LS153 双4选1数据选择器

BS207 ×6 数码管

参考资料

参考文献

[1] 阎石，王红. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2016

[2] 张丽，赵淑范，董鹏中. 电子技术实验与课程设计（第二版）. 北京：清华大学出版社，2010

[3] 吕思忠. 数字电路实验与课程设计. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2008

[4] 周文良. 电子电路设计与实践. 北京：国防工业出版社，2011

[5] 彭介华. 电子技术课程设计指导. 北京：清华大学出版社，2008

[6] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2006