数字钟的设计与仿真.doc

《数字钟的设计与仿真.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字钟的设计与仿真.doc（37页珍藏版）》请在沃文网上搜索。

1、 第 34 页 共 34 页 毕业设计（论文）中文摘要数字钟的设计与仿真摘要：数字时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，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字时钟在设计上包括组合逻辑电路和时序电路，根据设计要求和使用的简便性，采用常见的中等规模集成电路芯片，在Multisim平台上完成数字时钟的设计和仿真，同时使用Altium Designer软件平台完成原理图的绘制和PCB的制板设计。数字时钟包括时钟模块、计数器模块、译码器和驱动显示模块、报时模块等。在本次电路设计中，对采取不同设计方案的电路进行优劣分析，对各个模块

2、的输出波形时序图进行测量和记录，及时发现仿真和调试中存在的问题，保证顺利完成设计和仿真任务。通过此次数字时钟的设计和仿真，可以提高个人在电路设计方面的能力，进一步熟悉和了解数字电路中常见元件器的功能和作用，并为毕业以后从事电路方案设计的工作打下基础。关键词：数字时钟；模块；仿真；设计毕业设计（论文）外文摘要Digital Clock Design And SimulationAbstract: Digital clock is a kind of device that reckons by hours,minutes and seconds when using a digital circ

3、uit technology. Compared with the mechanical clock, digital clock possesses higher accuracy,intuition and longer service life with no mechanical device. For this reason digital clock has been widely used.It includes combinational logic circuit and sequential circuit for its design. According to the

4、design requirements and the simplicity of use,the design and simulation of digital clock are often completed in the software platform of multisim while medium scale integrated circuit chips are used.Digital clock covers clock module, counter module,decoder and drive display module, time module and s

5、o on. In the circuit design, to take a different analysis of advantages and disadvantages in several designing schemes will be executed. All the output waveforms of each module in the circuit diagram will also be measured and recorded.So the problems existing in the simulation and debugging would be

6、 detected. The above measures will certainly ensure smooth completion of the design and simulation tasks.The digital clock design and simulation can improve the ability of individuals in the aspect of circuit design and promote ones being familiar with and understanding the function of common compon

7、ents and the function of the digital circuit. Most important of all,the foundation will be laid during the work of circuit design after graduation.Keywords: Digital Clock; Module; Simulation; Designation目 录1 绪论11.1 课题研究的意义11.2 国内外研究现状、水平和发展趋势21.3 本文设计目的和研究内容31.3.1 本文设计目的31.3.2 本文研究内容42 EDA软件和数字电路设计4

8、2.1 仿真软件Multisim42.2 Altium Designer62.3 数字电路设计72.4 数字时钟电路方案设计73 电路逻辑和方案设计83.1 系统原理框图93.2 时钟脉冲产生电路103.3 时间计数器电路113.4 译码及驱动显示电路133.5 校时校分控制电路163.6 报时电路164 单元电路设计及分析184.1 时钟脉冲产生电路设计184.2 计数器电路设计204.2.1 六十进制计数器的设计204.2.2 二十四/十二进制计数器的设计214.3 译码及驱动显示电路234.4 校时控制电路设计244.5 报时电路设计244.6 数字时钟整体电路图264.6.1 Mult

9、isim电路图264.6.2 Altium Designer 电路图29结 论31致 谢32参 考 文 献33附录 原件清单341 绪论1.1 课题研究的意义古往今来，时间，是一个任何物种都无法避开的话题。植物生长需要时间，人类成长需要时间，完成作业需要时间，上班要准时，开会需要有时间限制，工业生产中，每一道工序都需要有严格的时间限制，才能够做到井然有序，严谨的科技研究中，时间更是重中之重。然而时间的存在必须要有度量的仪器，才能让主宰世界的人类更加直观的看到时间的流逝，因此人类发明了时钟，使得各项生产和生活得以度量和持续。古时科技落后，但人类也可以根据日照的变化来计量时间的流逝；随着人类科技文

10、明的发展，时钟的变革被加快，人类不再仅仅满足于日出而作、日落而息的生活，在日常生活中对时钟的要求也不断提高。在公元1300年以前，人类主要是利用天文现象和流动物质的连续运动来计时。例如，日晷是利用日影的方位计时；漏壶和沙漏是利用水流和沙流的流量计时。东汉张衡制造漏水转浑天仪，用齿轮系统把浑象和计时漏壶联结起来，漏壶滴水推动浑象均匀地旋转，一天刚好转一周，这是最早出现的机械钟。1350年，机械打点塔钟被设计出来，设计者是意大利的丹蒂，这款时钟实现了日差从15到30分钟，但是只有时针，缺少分针和秒针；从1500年到1510年，一直使用的重锤被钢发条取代，使用冕状轮擒纵机构的小型机械钟被创造出来，创

11、造者是德国的亨莱思；1582年前后，重力摆被发明出来；1657年，通过把重力引入机械时钟，摆钟被一名荷兰人惠更斯设计出来。1819世纪，钟表制造业已逐步实现工业化生产，并达到相当高的水平。20世纪，随着电子工业的迅速发展，电池驱动钟、交流电钟、电机械表、指针式石英电子钟表、数字式石英电子钟表相继问世，钟表的日差已小于0.5秒，钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期。从古代的滴漏更鼓到近代的机械钟，从电子表到目前的数字时钟，为了适应生活、科技等领域对时间准确的测量和记录的要求，人类一直在努力改进计时工具。数字化的电子技术已经成为几乎所有电子技术的应用及发展趋势，数字信号在与模拟信号相

12、比时，体现出了其对信号处理方面的优势，为研究及应用电路逻辑、器件集成上发挥着无可替代的作用。在实际应用中，各行各业的数字电子技术已深入研究应用的各个领域。比如，20世纪中叶，开始随着微电子和信息产业的发展，新技术有力的支持电能表的革新，先是有高精度电子式标准电能表的出现满足了校验技术的要求，继而70年代已开始商业化应用电子式电能表于大工业用户电能计量。数字跑表，是一种现代计时装置，采用了数字电路设计技术，实现了“时”、“分”、“秒”显示功能，更值得一提的是其“百分秒”功能，具有更改的精度，而且与机械秒表相比，可靠性更高、显示也直观，没有类似机械秒表的机械磨损，因而被应用与生活中的方方面面，比如

13、工作、体育运动等方面。目前，数字跑表的功能越来越强大，已经发展为使用单片机进行控制跑秒，或者使用更复杂的可编程逻辑器件进行控制，比如可编程逻辑控制器（PLC）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）等可编程器件。数字时钟则是以数字电路为基础，综合了模拟电路和电路基础知识设计出来的一种对时、分、秒进行时间数字显示的装置。它是以不同的计数器为基本单元构成的，用途十分广泛，只要有计时、计数的存在，便要用到数字钟的原理及结构，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表，在给人们生活带来了极大的方便之外，大大的扩展了钟表原先的报时功能。目前，数字钟的功能越来越强，不仅仅是

14、一个数字电路，它在其他领域也有相当大的发展空间，诸如按时自动闹铃、定时启闭电路、定时自动报警器、定时开关烘箱、通断动力设备、时间程序自动控制、定时广播，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。1.2 国内外研究现状、水平和发展趋势现今，OrCAD、Protel、Saber、Multisim等电路仿真软件的功能越来越强大，在电子技术中的应用越来越广泛。采用软件仿真的方法，在计算机上虚拟出元器件品种齐全、含有丰富测试仪器的电子工作台，可以克服条件限制，避开实验室的不良实验条件，减少了物理实验时的物理损坏等不利情况。使用基于计算

15、机平台的电路设计和仿真软件，可以完成电路的性能分析、功能设计、时序测试，甚至完成PCB自动元器件排序、布线，这样大大提高了工作效率，也提高了电路设计的准确率，减少出错，这是人工实验和设计所无法比拟的。有关专家分析指出，我国电子商务的基础设施日益完善，三网合一潮流势不可挡，高速宽带互联网将扮演越来越重要的角色，移动通讯将成为进行电子商务的主要媒介。而今，我们已进入了数字时代，数字钟的使用将会越来越受欢迎。数字钟未来将呈现出个性化、专业化的趋势，而且每个网站在资源方面总是有限的，客户的需求又是全方位的，所以不同类型的网站以战略联盟的形式进行相互协作也是必然趋势，数字钟的实现，更体现了这一点。数字钟

16、正在快步的走进千家万户，给人们带来方面。由于人们生活环境在不断改善和美化，在许多场合可以看到数字电子钟。在城市的主要营业场所、车站、码头等公共场所使用的LED数字电子钟已经成为一种时尚。但目前市场上各式各样的LED数字电子钟大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂，功率损耗大等缺点。因此有必要对数字电子钟进行改进。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，深受广大消费者的喜爱，而且大大的扩展了钟表原先的报时功能，与机械钟相比具有更高的准确性和直观性，具有更长的寿命。随着科学技术的发展，电子产品更新速度越来越快，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信

17、息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向迅速发展，电子技术的发展有力的推动社会生产力的发展。在高科技快速发展的当下，人们对电子产品的要求更是越来越高，其中，时钟被赋予了新的内容和含义，其所表现出来的形式和功能也不尽相同。具有基础计时功能的时钟，被设计成闹钟、手表、怀表、电子时钟、电子秒表、数字式智能时钟、LED显示时钟等等，外形有桌面式、手表式、挂式、液晶显示式等等不一而足，甚至当前所有的电子设备把计时功能作为最基础的产品功能点；大众化的时钟均具备了计时、闹钟、正点报时、日历显示、待办事务提醒等功能，这些功能

18、的实现均以数字化为导向，并不断推进时钟的发展。 目前国内外已有多种数字时钟设计成果：（1）采用规范的硬件描述语言VHDL语言设计的多功能数字钟；（2）运用低成本数字集成电路和配套的LED显示器组成的数字钟；（3）利用汇编语言编程、单片机为中心控制单元，设计的数码管或液晶显示时、分、秒的时钟等等；数字时钟具有走时准确、校时方便、设计和使用简单的特点，同时能实现定时和报时功能，它已经成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在这个讲究效率的年代，时钟更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。通过Multisim软件对数字时钟设计和仿真具有很好的实际意义，为了满足生活中存在的各式各样的需求，

19、设计出更多更丰富的时钟形式也成为科研人员不断努力的方向，可以预见先进的电子钟的研究有着良好的发展前景和市场潜力。1.3 本文设计目的和研究内容1.3.1 本文设计目的本文是以数字电路为设计基础，探究多功能数字钟的设计方法。数字钟由组合逻辑电路和时序电路组成，通过对数字钟的设计，可以更好的了解、学习和掌握组合逻辑电路和时序电路的原理知识和使用方法，同时，本设计是基于Multisim软件实现电路设计和仿真，使用Altium Designer软件完成原理图绘制和PCB制板，在电路设计的过程中，采用由简入深、由原理框图到实际电路图的模式，明确设计步骤，理清设计的各个环节，将各个电路功能模块化，使得整体

20、的电路更加清晰易懂。1.3.2 本文研究内容本课题主要是根据数字电子钟的工作原理和经典基本电路，实现数字钟基本功能，使用Multisim仿真软件完成调试和仿真，利用Altium Designer完成原理图绘制和PCB制板。同时，添加整点报时和手动校时功能模块，完善数字钟功能，增强其实用性。课题主要完成一个小时从00到23（24小时制）或从00到11（12小时制），具有时、分、秒的十进制数字显示的计数器，同时，这个计数器具有一些功能，比如:具有自动校时、校分的功能、在每个整点完成相应点数的报时功能，另外，利用Multisim软件完成电路设计的同时进行电路逻辑分析，进而得到仿真波形。在实现电路设计

21、和仿真的过程中，加深对设计所用中等规模集成电路的理解，包括从功能上、设计逻辑上以及电路设计上。在电路设计时，由于同一个功能的实现可以采用不同的集成电路芯片实现，因此，了解几个常用的逻辑电路的引脚功能和设计方法是非常有必要的。经过此次电路设计和仿真，不仅仅提高了自己对基础知识的掌握能力，还进一步加深了对电路设计的理解。根据以往的电路设计经验，在电路设计和搭建过程中会遇到各种各样的问题，而如何较好的解决这些问题，是一个电路设计人员必须具备的能力。本次实验收获足够的电路设计和调试经验也是研究内容之一。2 EDA软件和数字电路设计这里介绍一下仿真软件Multisim、电路设计软件Altium Desi

22、gner以及它们的使用方法，重点介绍电路设计的方法和在使用软件进行电路设计时需要注意的问题。2.1 仿真软件MultisimMultisim以Windows操作系统为基础，是由美国国家仪器有限公司（National Instrument，简称NI公司）推出的仿真工具。Multisim软件是迄今为止在电路级仿真上表现最为出色的软件，相对于其他EDA软件，它具有更加形象直观的人机交互界面，并且提供更加丰富的元件库、仪表库和各种分析方法，有了Multisim软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真和分析工作。当然，Multisim软件不仅仅局限于电子电路的虚拟仿真，

23、其在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真等技术方面都有更多的创新和提高，属于EDA技术的更高层次范畴。本次试验使用的Multisim版本主要为NI Multisim 10版本，其主要性能特性如下：（1）NI Multisim 10从一定程度来说，实现了软件与物理元器件特性的结合，根据实际使用的元器件特性虚拟出对应的电子元器件，甚至电工仪器和仪表，完成了物理实验到软件实验的过渡，降低了实验成本。（2）NI Multisim 10提供了内置的元器件库，其中包含有数千种供实验选用的电路元器件，当然也可以自己新建元器件库或者扩充已有的元器件库。通过查询元器件官方数据手册，获取对应元器件的性能参数，就可以

24、开始建库操作，因此也便于在实际工程应用中使用。（3）NI Multisim 10不仅有丰富的元器件，还含有根据实际测量仪器仪表设计的虚拟测试仪器仪表，电路设计要求不同，可以选择合适的虚拟测量仪器，方便的完成测试和测量工作。虚拟测试仪器仪表包括一般实验使用的通用仪表，比如函数信号发生器、直流电源、万用表，还包括实验室少有或者无法配备的高级仪表仪器，比如波特图仪、逻辑分析仪、失真仪和网络分析仪等。（4）NI Multisim 10具备有一般EDA软件都有的电路设计功能，更优秀的特性是它还具有丰富的电路分析功能，能够实现多种物理实验中难以实现的逻辑分析、线性分析等，例如可以完成电路的时域和频域分析、

25、离散傅里叶分析、瞬态和稳态分析、电路零极点分析、器件的线性和非线性分析、交直流灵敏度分析、电路的失真分析和噪声分析等。（5）NI Multisim 10可以演示在电路设计时可能会遇到的各种电路故障，同时使用它的虚拟测量仪器和仪表完成电气特性测试和设计。例如可以软件模拟开路、漏电和短路等，观察不同故障状况下的电路工作情况，这时还可以存储测试点的数据，给出仿真电路中所有元器件的型号、数量等，用于实验分析。（6）NI Multisim 10支持VHDL和Verilog HDL语言，可进行该硬件编程语言下的电路仿真和设计。还含有丰富的帮助功能，其中包括软件操作指导，元器件的功能介绍、功能表说明，便于在

26、进行电路设计时查看和参考。NI Multisim 10一个相当流行的功能就是支持与Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，而且可以进行类似Protel中的进行PCB电路设计制板，所以功能比较强大。（7）NI Multisim 10是一款强大的EDA电路仿真和设计软件，可同时实现电路设计和实验，方便修改和测试；含有丰富的元器件库和测量仪器仪表，为电路设计提供了极大的方便；可以方便的进行电路参数调整和分析，完成各种类型的电路设计实验，可完整获取测试结果和图形，便于打印后分析。另外，因为NI Multisim 10是基于软件实现的电路设计和仿真，因此不会消耗物理元器件，环保又方便，实验

27、成本低、速度快，效率也更高，而且与实际的物理电路设计电气特性相差不大，可以直接用于物理电路的设计和制板。总体来说，NI Multisim 10简单易用，方便电子、通信等专业的学生自学，也便于学生课堂上开展综合性的设计和实验，有利于培养学生的综合分析能力、开发和创新能力。但在使用NI Multisim 10进行电路图绘制和设计时必须注意几个问题，总结如下：（1）在选择芯片时，可能会遇到同类型的芯片参数名称不一致的情况，比如74LS192N和74LS192D，这两款芯片实际上在性能和电气特性上是一致的，只是在封装上有些差别，D表示封装为SOIC，N表示封装为PDIP，即一个为贴片封装，一个直插封装

28、。（2）电路设计时，各个元器件的排布尽量紧凑合理，电气连接线尽量短而有序，不同功能的模块电路也尽可能分开排布，这样在完成电路设计后可以减少对电路理解的难度。（3）芯片选型时，由于同种功能的芯片种类较多，必须充分考虑电路设计的简便性，选择可以减少电路设计难度、减少电路连接线的芯片；另外，同种芯片在电路图中选择合适的旋转方向，也可以减少连线难度，减轻设计工作量。（4）使用仿真功能之前，必须进行交互式仿真设置，设置最大时间步长为一个合适的数值，比如0.1，可以减少仿真运行时间。（5）电路设计后期，必须进行电路整体调试，以提前发现电路设计存在的问题，这时要充分利用Multisim提供的虚拟测试仪表，其

29、中经常需要利用的虚拟测试仪表包括：万用表、示波器、函数信号发生器、频率计、逻辑分析仪等。（6）电路调试时，注意虚拟测试仪表参数的选择和控制。比如，逻辑分析仪在使用时，设置时钟为内部时钟源，时钟频率要与设计电路的时钟一致。2.2 Altium Designer Altium Designer 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合了电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer在单一设计环境中集成了板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造、现代设计数据管理等功能，这使得Altium Designer一跃成为电子产品开

30、发的完整解决方案一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。PCB制版设计流程如下：（1）准备原理图和网络表。（2）提出PCB设计要求。应当清楚PCB大致布局图，重要单元、核心电路的摆放位置，应当对电路板的叠层方案、一般信号线宽/间距、关键信号特性及界面说明、电源设计、晶振/扣板等特殊元件布放位置和间距等一系列问题有一个清晰的思路。（3）规划电路板。电路板的规划主要包括选择电路板的叠层、电路板的尺寸、电路板与外界的界面形式、特殊元件的放置位置等方面。（4）将原理图文件导入到PCB文件中。（5）设置PCB设计规则。（6）PCB布局。元件布局应当从机械结构、热设计、电磁干扰、布线方便性等方面进行

31、综合考虑。先布置有定位要求的元件，然后放置核心元件，并按照信号流向完成元件的放置，最后放置外围的小元件。（7）PCB布线。PADS Layout提供自动布线和手工布线两种方法。自动布线可以节约布线时间，加快项目进度，但是对于一些关键信号，自动布线很难满足设计要求需要进行手工调整。（8）PCB设计规则检查。在设计基本完成后，可以应用PADS Layout的设计规则检查功能，检查设计是否满足设计规则，其中包括间距错误、宽度错误、长度错误、未布线网络以及信号完整性等一系列检查项目。（9）PCB设计后期处理。在PCB布局、布线完成后，还需要一些后续处理，包括敷铜、补泪滴、添加标注、添加Mark点等。这

32、些处理对于增强PCB的抗干扰能力、提高产品的成品率以及增强产品的可读性有很重要的作用。（10）PCB设计评审。作为个人用户，按照PCB自检流程进行最后一次自我审查。（11）PCB设计资料输出。在PCB设计完成并审核无误后，可以生成Gerber文件、钻孔文件等生产文件送交制板厂商。2.3 数字电路设计本次电路设计的内容以数字电路设计课程为基础。数字电路课程从模拟电路入手，主要介绍内容包括数字IC，基本逻辑门电路的种类和工作原理，计数器、触发器、定时器、移位寄存器和时钟电路的设计方法。在完成数字电路课程后基本上就可以使用EDA仿真软件进行电路设计了。在进行数字电路设计的过程中存在很多注意点，如果稍

33、不留意或者对数字电路设计原理理解不透彻，很可能导致失败的电路设计。（1）尽量减少使用元器件的规格和型号，例如在电路设计中需要使用电阻，尽量减少电阻阻值的规格和型号选择，能统一最好。对于IC的选择，优先选择市场上比较流行的芯片。（2）为了使电路设计的可靠性更高，尽量简化电路。（3）功能模块电路尽量选择别人已经在使用的成熟的模块，这样可以保证电路设计的成功率。（4）在进行N进制计数的设计时，可以利用次态/卡诺图法，画出次态逻辑函数和进位输出函数的卡诺图，求出电路的驱动方程，从而画出逻辑电路图。（5）数字电路设计时，需要充分理解IC芯片的真值表或者官方datasheet提供的功能表，然后使用数字电路

34、设计方法，设计出合理的电路。2.4 数字时钟电路方案设计数字时钟电路可以采用多种设计方式实现，比如单片机控制实现方式，又比如采用纯粹的逻辑数字电路设计实现方式。根据设计要求，数字时钟包括以下几个模块：计数器模块、显示模块、校时校分模块和报时模块。采取单片机控制方式实现时，由于单片机起到控制中心的作用，可以通过程序编程，分别控制不同的芯片，比如时钟芯片、显示驱动电路、报时电路等，实现数字时钟的功能设计，一般的电路原理框图如图1所示。报时电路按键输入电路时钟电路89C51单片机LED显示驱动电路LED显示器图1 数字时钟单片机控制设计方案通过51单片机控制按键输入、时钟电路、报时电路以及数码管显示

35、电路，完成数字时钟的设计。这样的设计电路简单，所用元器件和控制芯片较少，仅需要了解所用控制芯片的功能，然后有针对性的进行设计即可，而且关键部分在于控制程序的编写和调试，应该说该设计方案汇集了硬件电路设计和软件设计，对于本次课程设计来说，偏于复杂。另一种设计方案是采用纯粹的逻辑数字电路设计实现，该方案充分利用数字电路基础课程中学到的数字电路设计基础知识进行设计，利用常见的计数器芯片或者逻辑门电路，综合其功能表对数字时钟电路进行设计，可以深入考察对数字电路课程的掌握情况和仿真软件的使用情况。详细设计方案在后文中提及。3 电路逻辑和方案设计本次逻辑电路的设计方案灵感来源于数字电路技术基础中的多进制计

36、数器设计电路，在经典计数器电路的基础上，根据数字时钟的特点和相关逻辑，完成各个功能点的设计和调试，包括时钟脉冲产生电路、校时校分控制电路、时间计数器电路、译码驱动及显示单元电路和报时电路。下面将首先从整体上对电路仿真图的设计原理进行介绍，然后分别就不同的逻辑电路设计方案进行分析和说明。3.1 系统原理框图数字时钟包括多个模块，根本上是对标准时钟（1HZ）进行计数的计数电路，通过数码管在数字逻辑电路的控制下实现不同小时制（12/24时制）的显示。本次设计在完成基本要求的基础上，增加了根据当前时间完成对应点数的报时功能、12/24小时制切换功能、静默功能以及自动校时功能（非手动）。图2所示为本次数

37、字时钟设计的详细系统原理框图。显示器显示器显示器译码器译码器译码器24进制时计数器60进制分计数器60进制时秒数器闹钟递减计数器校时校分多谐振荡器图2 系统原理框图（1）时钟脉冲产生电路：用于为校时、校分电路以及秒计数器提供基准时钟，通过设置555定时器周边电路阻容元件的参数为某一理想值，从而使其输出频率稳定在1HZ，24进制时计数器和60进制分计数器的进位信号则分别由60进制分计数器和60进制秒计数器的十进位计数器74LS390N输出触发。（2）校时校分控制电路：校时和校分电路用于独立校准分显示和时显示情况，互不影响。555定时电路为其提供校准时钟，而无需采取传统方式，即频繁按键触发校准脉冲

38、的方式，就可以完成时显示和分显示的调整，简化操作，提高按键寿命。（3）时间计数器电路：时间计数器由个位和十位计数器构成，分为60进制秒计数器、60进制分计数器和24/12进制时计数器，时计数器的进制计数情况可以由单独的按键控制，可实现快速切换。为防止7段数码管显示出现乱码，在不同进制计数器的输出和输入端设计逻辑电路进行控制，提高显示效果的稳定性。（4）译码驱动电路：计数器输出8421BCD码到译码驱动电路，然后转换为7段数码管所需要的逻辑电平状态，完成对应8421BCD码字段的显示。其中，该驱动电路还为数码管提供足够正常工作的驱动电流。（5）报时电路：报时电路由闹铃电路和递减计数器电路组成。由

39、于要实现对应时间点数的响铃次数，采用获取到当前时间然后递减计数至0的方式完成相应的响铃功能，递减计数器脉冲取自60进制秒计数器十进制位的输出脉冲，从而实现响铃持续时间和间隔时间均为1秒钟。3.2 时钟脉冲产生电路一般情况下，时钟脉冲可以由多种设计电路产生，如石英晶体振荡器、集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器和由集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。石英晶体振荡器稳定度高、频率精确，因此可以产生精准的时间标准信号，如图3所示，使用32768HZ的晶振为核心产生时间标准信号。图3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器虽然稳定度高，但是需要使用CD4060和二分频数字电路进行二次分频

40、才能获得1HZ的脉冲信号，增加了逻辑电路的设计负担。集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器，其振荡周期不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阈值电压VTH，由于VTH容易受到温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能用于对频率稳定性要求不高的场合。而对于由集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器，从基于Multism设计平台来讲，其设计方案简单易懂，仅需要555定时器和外围阻容元件的逻辑连接即可实现1HZ时钟脉冲的输出。555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器，由于使用方便灵活，555定时器一般应用在测量与控制、波

41、形的产生与交换、电子玩具、家用电器等许多领域中。本次电路设计则在仿真软件Multisim环境中将其与RC连接构成多谐振荡器。标准的555定时器与RC组成的多谐振荡器电路如图4所示。图4 555与RC组成的多谐振荡器图图中，输出时钟脉冲频率计算公式为：F = 0.7*(R1+2*R2)*C，实际逻辑电路设计时可根据此公式进行大概估算，得出C、R1和R2的理论值，再利用示波器工具测量输出信号波形，以1HZ的时钟频率为标准，对C、R1和R2的值进行校准。3.3 时间计数器电路计数器根据各触发器的翻转是否受同一个CP脉冲控制而分为异步计数器和同步计数器，根据计数进制的不同分为二进制、十进制和任意进制计

42、数器，根据计数过程中计数的增减不同又分为加法计数、减法和可逆计数器，比如74LS161同步二进制计数器、74LS93异步4位二进制加法计数器、74LS192同步十进制计数器等。一般来说，实现时间计数单元的计数功能都采用十进制计数器。为减少器件使用量和电路连接复杂程度，可选用74LS390。其内部逻辑框图如图5所示。该器件为LSTTL型双四位十进制计数器，A和B触发器都有独立的时钟，可以构成两个2分频和两个5分频计数器，每个计数器都有一个清除输入和一个时钟输入，功能表如图6所示。图5 74LS390内部逻辑框图BCD计数顺序计数输出QDQCQBQA0LLLL1LLLH2LLHL3LLHH4LHL

43、L5LHLH6LHHL7LHHH8HLLL9HLLHH=高电平 L=低电平对于BCD（十进制）计数，输出QA连到输入B计数图6 74LS390功能表时、分和秒计数器的十位和个位单元均设置为BCD计数方式，即将输出端QA连接到输入B计数。秒和分计数器为60进制，其个位计数单元为10进制计数器保持不变，只需将其输出QD连接到十位的输入端A（下降沿有效），而十位计数单元则需更改为6进制计数器，只需将十位计数单元的输出端QB和QC相与后连接到输入CLR用于清零即可，为防止出现超过60以上的乱码，还需要将十位的相应输出端相或后连接到CLR清零端。对于时计数器，为12进制或24进制计数器，需要将个位单元和

44、十位单元相应的输出端相与后连接到两者的CLR清零输入端，为防止出现超过24以上的乱码，也需要将相应的十位单元输出端相或后连接到CLR清零端。由于闹钟响铃要求持续时间一秒后暂停一秒，可以将秒计数器的个位单元输出端QA的输出脉冲作为闹钟响铃时的递减计数器的秒冲输入，无需再为闹钟另设一个时钟脉冲，从而保持整个电路的时钟同步。3.4 译码及驱动显示电路译码驱动电路，即译码器，可对具有特定含义的二进制码进行识别，并转换为相应控制信号的中等规模集成电路，包括二进制译码器、二十进制译码器、七段数码显示译码器。由于要将“秒”、“分”、“时”计数器的输出二进制码转换为七段数码管可以识别的控制信号，这里使用七段数

45、码显示译码器74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且低电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。该器件的功能表如图7所示。 INPUTS OUTPUTS DECIMAL OR FUNCTIONLT(_)RBI(_)DCBABI/RBO(_)abcdefgNOTE0HHLLLLHHHHHHHL11HXLLLHHLHHLLLL12HXLLHLHHHLHHLH3HXLLHHHHHHHLLH4HXLHLLHLHHLLHH5HXLHLHHHLHHLHH6HXLHHLHLLHHHHH7HXLHHHHHHHLLLL8HXHLLLHHHHHHHH9HXHLLHHHHHLLHH10HXHLHLHLLLHHLHDECIMAL OR FUNCTIONLT(_)RBI(_)DCBABI/RBO(_)abcdefgNOTE11HXHLHHHLLHHLLH12HXHHLLHLHLLLHH13HXHHLHHHLLHLHH14HXHHHLHLLLHHHH15HXHHHHHLLLLLLLBIXXXXXXLLLLLLLL2RBIHLLLLLLLLLLLLL3