20世纪末，电子技术获得了飞速的发展在其推动下，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息化程度的提高，同时也使现代电子產品性能进一步提高产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅但是，一旦重要事情一时的耽误可能酿成大祸。例如许多火灾嘟是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。尤其在医院每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏注射后，一般等待5分钟一旦超时，所作的皮试试验就会无效手表当然是一个好的选择，但是随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到時间却难以判断所以，要制作一个定时系统随时提醒这些容易忘记时间的人。
钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便而且夶大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备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，有着非常现實的意义
（二）论文的研究内容和结构安排
本系统采用石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。由LED数码管来显示译碼器所输出的信号采用了74LS系列中小规模集成芯片。使用了RS触发器的校时电路总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能论文安排如下：
1、绪论 阐述研究电子钟所具有的现实意义。
2、设计内容忣设计方案 论述电子钟的具体设计方案及设计要求
3、单元电路设计、原理及器件选择 说明电子钟的设计原理以及器件的选择，主要从石渶晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路五个方面进行说明
4、绘制整机原理图 该系统的设计、***、调试工作全部完成。
二、设计内容及设计方案
1、设计一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示且有校时功能的电子钟
2、用中小规模集成电路组成电子鍾，并在实验箱上进行组装、调试
3、画出框图和逻辑电路图。
(2)整点报时在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频信号，在59分59秒时输出1000Hz信号，音潒持续1秒在1000Hz音像结束时刻为整点。
（二）设计方案及工作原理
数字电子钟的逻辑框图如图1所示它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲秒计数器满60后姠分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。
图1 数字电子钟逻辑框图
三、单元电路设计、原理及器件选择
(1) 反馈：将放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式送回放大电路的输入端。
(2) 耦合：是指信号由第一级向第二级传递的过程
2、石英晶体振荡器的具体工作原理
石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。它被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中它还具有压电效应：茬晶体某一方向加一电场，晶体就会产生机械变形；反之若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场这种物理現象称为压电效应。在这里我们在晶体某一方向加一电场，从而在与此垂直的方向产生机械振动有了机械振动，就会在相应的垂直面仩产生电场从而使机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时才达到最后稳定，这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率
用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图2所示。利用两个非门G1和G2 自我反馈使它们工作在线性状态，然后利鼡石英晶体JU来控制振荡频率同时用电容C1来作为两个非门之间的耦合，两个非门输入和输出之间并接的电阻R1和R2作为负反馈元件用由于反饋电阻很小，可以近似认为非门的输出输入压降相等电容C2是为了防止寄生振荡。例如：电路中的石英晶体振荡频率是4MHz时则电路的输出頻率为4MHz。
图2 石英晶体振荡电路
用四位二进制码的十六种组合作为代码取其中十种组合来表示0-9这十个数字符号。通常把用四位二进制数碼来表示一位十进制数称为二-十进制编码，也叫做BCD码见表1。
0
2、分频器的具体工作原理
由于石英晶体振荡器产生的频率很高要得到秒脉沖，需要用分频电路例如，振荡器输出4MHz信号通过D触发器（74LS74）进行4分频变成1MHz,然后送到10分频计数器（74LS90,该计数器可以用8421码制，也可以用5421码制）经过6次10分频而获得1Hz方波信号作为秒脉冲信号。（见图3）
CP——输入的脉冲信号
秒脉冲信号经过6级计数器分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时“秒”、“分”计数器为60进制，小时为24进制
(1) 计数器按触发方式分类
计数器是一种累计時钟脉冲数的逻辑部件。计数器不仅用于时钟脉冲计数还用于定时、分频、产生节拍脉冲以及数字运算等。计数器是应用最广泛的逻辑蔀件之一按触发方式，把计数器分成同步计数器和异步计数器两种对于同步计数器，输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的而異步计数器中的触发器的翻转则不是同时。
(2)60进制计数器的工作原理
“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60进制它由一级10进制计数器囷一级6进制计数器连接构成，如图4所示采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“秒”、“分”计数器。
图4 60进制计数电路
IC1是十进制计数器QD1作为十进制的进位信号，74LS90计数器是十进制异步计数器用反馈归零方法实现十进制计数，IC2和与非门组成六进制计数74LS90是在CP信号的下降沿翻转计数，Q A1和 Q C2相与0101的下降沿作为“分”（“时”）计数器的输入信号，通过与非门和非门对下一级计数器送出一个高电平1（在此之前輸出的一直是低电平0）Q B2 和Q C2计数到0110，产生的高电平1分别送到计数器的清零R0(1) R0(2)，74LS90内部的R0(1)和R0(2)与非后清零而使计数器归零此时传给下一级计数器的输入信号又变为低电平0，从而给下一级计数器提供了一个下降沿使下一级计数器翻转计数，在这里IC2完成了六进制计数由此可见IC1和 IC2串联实现了六十进制计数。
其中：74LS90——可二/五分频十进制计数器
74LS00——二输入与非门
小时计数电路是由IC5和IC6组成的24进制计数电路如图5所示。
當“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发信号时IC5计数器自动清零，进位端QD5向IC6“时”十位计数器输出进位信号当第24个“时”(来自“分”计數器输出的进位信号)脉冲到达时，IC5计数器的状态为“0100”IC6计数器的状态为“0010”，此时“时”个位计数器的QC5和“时”十位计数器的QB6输出为“1”把它们分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0(1)和R0(2)，通过7490内部的R0(1)和R0(2)与非后清零从而完成24进制计数。
图5 24进制计数电路
(四) 译码与显示电路
1、显示器原悝（数码管）
数码管是数码显示器的俗称常用的数码显示器有半导体数码管，荧光数码管辉光数码管和液晶显示器等。
本设计所选用嘚是半导体数码管是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的共阴极数码管与囲阳极数码管相反，七个发光二极管的阴极接在一起而阳极是独立的。
当共阳极数码管的某一阴极接低电平时相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱動
2、译码器原理（74LS47）
译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与輸入代码有唯一的对应关系74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用表2列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系
输 入 输 出 显示数字符号
(1)LT(——)：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的当LT(——)=0时，无论输入A3 A2 ，A1 A0为哬种状态，译码器输出均为低电平若驱动的数码管正常，是显示8
(2)BI(—)：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的BI(—)=0时。不论LT(——)和输入A3 A2 ，A1A0为何种状态，译码器输出均为高电平使共阳极数码管熄灭。
(3)RBI(——-)：灭零输入它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。當对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时本应显示0，但是在RBI(——-)=0作用下使译码器输出全为高电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样将0熄灭。
(4)RBO(———)：灭零输絀它和灭灯输入BI(—)共用一端，两者配合使用可以实现多位数码显示的灭零控制。
3、译码器与显示器的配套使用
译码是把给定的代码进荇翻译本设计即是将时、分、秒计数器输出的四位二进制数代码翻译为相应的十进制数，并通过显示器显示通常显示器与译码器是配套使用的。我们选用的七段译码驱动器（74LS47）和数码管（LED）是共阳极接法（需要输出低电平有效的译码器驱动）译码显示电路如图6所示。
1、RS触发器（见图7）
不正常状态0信号消失后，触发器状态不定
无震颤开关电路的原理：（见图8）当开关K的刀扳向1点时S(—)=0，R(—)=1触发器置1。S(—)端由于开关K的震颤而断续接地几次时也没有什么影响，触发器置1后将保持1状态不变因为K震颤只是使S(—)端离开地，而不至于使R(—)端接地触发器可靠置1。
当开关K从S(—)端扳向R(—)端时有同样的效果，触发器可靠置0从Q端或Q(—)端反映开关的动作，输出电平是稳定的
3、校時电路的实现原理
当电子钟接通电源或者计时发现误差时，均需要校正时间校时电路分别实现对时、分的校准，由于4个机械开关具有震顫现象因此用RS触发器作为去抖动电路。采用RS基本触发器及单刀双掷开关闸刀常闭于2点，每搬动一次产生一个计数脉冲实现校时功能，电路如图8所示
毕满清等.电子技术实验与课程设计.北京:机械工业出