第八部分：综合性实验 实验十八多功能数字钟的设计 一、 实验目的 1.掌握常见进制计数器的设计 2.掌握秒脉冲信号的产生方法。 3.复习并掌握译码显示的原理。 4.熟悉整个数字钟的工作原理。 二、实验原理 本实验要实现的数字钟的功能是： ①准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间： ②小时计时的要求为“12翻1”，分与秒的计时要求为60进制： ③具有校时功能： ④模仿广播电台整点报时（前四响为低音，最后一响为高音） 数字钟一般由晶振、分频器、计时器、译码器、显示器和校时电路等组成， 其原理框图如下： 眼点牌合留像站贸除务留志留盆網肇 胖留旺晶除留晶除岛除岛事 校时电路 整点报时电路卜分频器 品体振荡器 图18-1数字钟的原理框图 该电路的工作原理为： 由晶振产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出 标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向小时计 数器进位，小时计数器按照“12翻1”的规律计数，到小时计数器也计满后，系 统自动复位重新开始计数。计数器的输出经译码电路后送到显示器显示。计时出 现误差时可以用校时电路进行校时。整点报时电路在每小时的最后50秒开始报 时（奇数秒时）直至下一小时开始，其中前4响为低音，最后一响为高音。分别 为51秒，53秒，55秒，57秒发低音，第59秒发高音，高音低音均持续1秒
第八部分: 综合性实验 实验十八 多功能数字钟的设计 一、实验目的 1． 掌握常见进制计数器的设计。 2． 掌握秒脉冲信号的产生方法。 3． 复习并掌握译码显示的原理。 4． 熟悉整个数字钟的工作原理。 二、实验原理 本实验要实现的数字钟的功能是： ○1 准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间； ○2 小时计时的要求为“12 翻 1”，分与秒的计时要求为 60 进制； ○3 具有校时功能； ○4 模仿广播电台整点报时（前四响为低音，最后一响为高音）。 数字钟一般由晶振、分频器、计时器、译码器、显示器和校时电路等组成， 其原理框图如下： 图 18-1 数字钟的原理框图 该电路的工作原理为： 由晶振产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出 标准秒脉冲。秒计数器计满 60 后向分计数器进位，分计数器计满 60 后向小时计 数器进位，小时计数器按照“12 翻 1”的规律计数，到小时计数器也计满后，系 统自动复位重新开始计数。计数器的输出经译码电路后送到显示器显示。计时出 现误差时可以用校时电路进行校时。整点报时电路在每小时的最后 50 秒开始报 时（奇数秒时）直至下一小时开始，其中前 4 响为低音，最后一响为高音。分别 为 51 秒，53 秒，55 秒，57 秒发低音，第 59 秒发高音，高音低音均持续 1 秒
1.晶体振荡器 晶体振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度和频率的精确度决定了数字钟 计时的准确程度，通常采用石英晶体构成振荡器电路。一般说来，振荡器的频率 越高，计时的精度也就越高。在此实验中，采用的是信号源单元提供的1亚秒脉 冲，它同样是采用晶体分频得到的。 2.分频器 因为石英晶体的频率很高，要得到秒信号需要用到分频电路。由晶振得到的 频率经过分频器分频后，得到1Hz的秒脉冲信号、500Hz的低音信号和1000z 的高音信号。 3.秒计时电路 由分频器来的秒脉冲信号，首先送到“秒”计数器进行累加计数，秒计数器 应完成一分钟之内秒数目的累加，并达到60秒时产生一个进位信号，所以，选 用一片74LS90和一片74LS92组成六十进制计数器，采用反馈归零的方法来实现 六十进制计数。其中，“秒”十位是六进制，“秒”个位是十进制。 对应接数码管段码 忘士位进位账中 8688 8588 账冲信号 图18-2秒计时电路图 4.分计时电路 “分”计数器电路也是六十进制，可采用与“秒”计数器完全相同的结构， 用一片74LS90和一片74S92构成。 5.小时计时电路
1．晶体振荡器 晶体振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度和频率的精确度决定了数字钟 计时的准确程度，通常采用石英晶体构成振荡器电路。一般说来，振荡器的频率 越高，计时的精度也就越高。在此实验中，采用的是信号源单元提供的 1HZ 秒脉 冲，它同样是采用晶体分频得到的。 2．分频器 因为石英晶体的频率很高，要得到秒信号需要用到分频电路。由晶振得到的 频率经过分频器分频后，得到 1Hz 的秒脉冲信号、500Hz 的低音信号和 1000Hz 的高音信号。 3．秒计时电路 由分频器来的秒脉冲信号，首先送到“秒”计数器进行累加计数，秒计数器 应完成一分钟之内秒数目的累加，并达到 60 秒时产生一个进位信号，所以，选 用一片 74LS90 和一片 74LS92 组成六十进制计数器，采用反馈归零的方法来实现 六十进制计数。其中，“秒”十位是六进制，“秒”个位是十进制。 图 18-2 秒计时电路图 4．分计时电路 “分”计数器电路也是六十进制，可采用与“秒”计数器完全相同的结构， 用一片 74LS90 和一片 74LS92 构成。 5．小时计时电路
mU口 U611A 0611C74L T612A 8688 22911 总号 4L904 图18-3小时计时电路图 “12翻1”小时计数器是按照“01一一02一一03- -11-12 01-02- .”规律计数的，这与日常生活中的计时规律相同。在此实验中， 小时的个位计数器由4位二进制同步可逆计数器74L.S191构成，十位计数器由D 触发器741S74构成，将它们级连组成“12翻1”小时计数器。 计数器的状态要发生两次跳跃：一是计数器计到9，即个位计数器的状态为 QuQuQoQw=1001,在下一脉冲作用下计数器进入暂态1010，利用暂态的两个1即 QQ1使个位异步置0，同时向十位计数器进位使Q。l；二是计数器计到12后， 在第13个脉冲作用下个位计数器的状态应为Qa.QQoQ=0001,十位计数器的 Q=0。第二次跳跃的十位清0和个位置1信号可由暂态为1的输出端Q,Q, Qm来产生。 6.译码显示电路 译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器中每个计数器的输出状态(8421 码)，翻译成七段数码管能显示十进制数所要求的电信号，然后再经数码管把相
图 18-3 小时计时电路图 “12 翻 1”小时计数器是按照“01——02——03——.——11——12—— 01——02——.”规律计数的，这与日常生活中的计时规律相同。在此实验中， 小时的个位计数器由 4 位二进制同步可逆计数器 74LS191 构成，十位计数器由 D 触发器 74LS74 构成，将它们级连组成“12 翻 1”小时计数器。 计数器的状态要发生两次跳跃：一是计数器计到 9，即个位计数器的状态为 Q03Q02Q01Q00=1001，在下一脉冲作用下计数器进入暂态 1010，利用暂态的两个 1 即 Q03Q01使个位异步置 0，同时向十位计数器进位使 Q10=1；二是计数器计到 12 后， 在第 13 个脉冲作用下个位计数器的状态应为 Q03Q02Q01Q00=0001，十位计数器的 Q10=0。第二次跳跃的十位清 0 和个位置 1 信号可由暂态为 1 的输出端 Q10，Q01， Q00来产生。 6． 译码显示电路 译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器中每个计数器的输出状态（8421 码），翻译成七段数码管能显示十进制数所要求的电信号，然后再经数码管把相
应的数字显示出来。 译码器采用74LS248译码/驱动器。 显示器采用七段共阴极数码管。 7.校时电路 当数字钟走时出现误差时，需要校正时间。校时控制电路实现对“秒”、“分” “时”的校准。在此给出分钟的校时电路，小时的校时电路与它相似，不同的是 进位位。 U614C 9十位进位位 U615A R60 U614D74S 10 OK 2校时款冲 741L300 图18-4校时电路图 8.整点报时电路 注82}11 U619D 69 13U618B74LS20 补88+ >◇秒土位0012 气4LS04 74LS20 黎未倍8器9 U620B 1K」 U620C 秒个位Q3 1I619C 74L0 9 8 4LS00 74L800 200 U619C 报时输出6一 5 500H 74L04 图18-5整点报时电路图 当“分”“秒”计数器计时到59分50秒时，“分”十位的D40c444=0101
应的数字显示出来。 译码器采用 74LS248 译码/驱动器。 显示器采用七段共阴极数码管。 7． 校时电路 当数字钟走时出现误差时，需要校正时间。校时控制电路实现对“秒”、“分”、 “时”的校准。在此给出分钟的校时电路，小时的校时电路与它相似，不同的是 进位位。 图 18-4 校时电路图 8． 整点报时电路 图 18-5 整点报时电路图 当“分”“秒”计数器计时到 59 分 50 秒时，“分”十位的 0101 4 4 4 4 Q Q Q Q D C B A =
“分”个位的enAe0aB=101,“秒”十位的ep8ameB=0101,“秒”个位 的Qpcr99n-00,由此可见，从59分50秒到59分59秒之间，只有“秒” 个位计数，而Q,=Q4=Qm=QB=Q2=Qa=1,将它们相与，即： C=Qc,Q.22OcOn,每小时最后十秒钟C=1。在51、53、55、57秒时 “秒”个位的Qn=1,Qo=0:在59秒时，“秒”个位的Q=1,Qo=1。 将C,Qn,Q相与，让500z的信号通过，将C,Qn,Qo,相与，让1000Hz 的信号通过就可实现前4响为低音500Hz,最后一响为高音1000Hz,当最后一响 完毕时正好整点。 9。报时音响电路 报时音响电路采用专用功率放大芯片来推动喇叭。报时所需的500Hz和 1000Hz音频信号，分别取自信号源模块的500z输出端和1000Hz输出端。 三、实验设备与器材 1,双踪示波器，脉冲源（可以使用实验箱所带信号源）。 2.数字逻辑电路实验箱。 3.万用表等实验室常备工具。 四、实验内容 1.设计实验所需的时钟电路，自己连线并调试。 2.设计实验所需的分频电路，自己连线并调试，用示波器观察结果。 3.设计实验所需的计数电路部分，自己连线并调试，将实验结果填入自制 的表中。 4.设计实验所需的校时电路和报时电路，自己连线并调试，记下实验结果。 5.根据数字钟电路系统的组成框图，按照信号的流向分级安装，逐级级联， 调试整个电路，测试数字钟系统的逻辑功能并记录实验结果。 五、实验步骤 1、秒计时电路：将“秒计时脉冲”接信号源单元的1H忆脉冲信号，此时秒 显示将从00计时到59，然后回到00，重新计时。在秒位进行计时的过 程中，分位和小时位均是上电时的初值。 2、分计时电路：将“分计时脉冲”接信号源单元的1忆脉冲信号，此时分 显示将从00计时到59，然后回到00，重新计时。在分位进行计时的过 程中，秒位和小时位均是上电时的初值。 3、小时计时电路：将“小时计时脉冲”接信号源单元的1H忆脉冲信号，此 时小时显示将从01计时到12，然后回到01，重新计时。在小时位进行 计时的过程中，秒位和分位均是上电时的初值。 4、数字钟级连实验：将“秒计时脉冲”接信号源单元的1忆脉冲信号，“秒
“分”个位的 1001 3 3 3 3 Q Q Q Q D C B A = ，“秒”十位的 0101 2 2 2 2 Q Q Q Q D C B A = ，“秒”个位 的 0000 1 1 1 1 Q Q Q Q D C B A = ，由此可见，从 59 分 50 秒到 59 分 59 秒之间，只有“秒” 个 位 计 数 ， 而 4 4 3 3 2 2 1 Q Q Q Q Q Q C A D A C A = = = = = = ， 将 它 们 相 与 ， 即 ： C Q Q Q Q Q Q = C A D A C A 4 4 3 3 2 2 ，每小时最后十秒钟 C =1 。在 51、53、55、57 秒时， “秒”个位的 1 1 QA = ， 1 0 QD = ；在 59 秒时，“秒”个位的 1 1 QA = ， 1 1 QD = 。 将 C，QA1，QD1 相与，让 500Hz 的信号通过，将 C，QA1，QD1 相与，让 1000Hz 的信号通过就可实现前 4 响为低音 500Hz，最后一响为高音 1000Hz，当最后一响 完毕时正好整点。 9． 报时音响电路 报时音响电路采用专用功率放大芯片来推动喇叭。报时所需的 500Hz 和 1000Hz 音频信号，分别取自信号源模块的 500Hz 输出端和 1000Hz 输出端。 三、实验设备与器材 1． 双踪示波器，脉冲源（可以使用实验箱所带信号源）。 2． 数字逻辑电路实验箱。 3． 万用表等实验室常备工具。 四、实验内容 1． 设计实验所需的时钟电路，自己连线并调试。 2． 设计实验所需的分频电路，自己连线并调试，用示波器观察结果。 3． 设计实验所需的计数电路部分，自己连线并调试，将实验结果填入自制 的表中。 4． 设计实验所需的校时电路和报时电路，自己连线并调试，记下实验结果。 5． 根据数字钟电路系统的组成框图，按照信号的流向分级安装，逐级级联， 调试整个电路，测试数字钟系统的逻辑功能并记录实验结果。 五、实验步骤 1、 秒计时电路：将“秒计时脉冲”接信号源单元的 1HZ 脉冲信号，此时秒 显示将从 00 计时到 59，然后回到 00，重新计时。在秒位进行计时的过 程中，分位和小时位均是上电时的初值。 2、 分计时电路：将“分计时脉冲”接信号源单元的 1HZ 脉冲信号，此时分 显示将从 00 计时到 59，然后回到 00，重新计时。在分位进行计时的过 程中，秒位和小时位均是上电时的初值。 3、 小时计时电路：将“小时计时脉冲”接信号源单元的 1HZ 脉冲信号，此 时小时显示将从 01 计时到 12，然后回到 01，重新计时。在小时位进行 计时的过程中，秒位和分位均是上电时的初值。 4、 数字钟级连实验：将“秒计时脉冲”接信号源单元的 1HZ 脉冲信号，“秒
十位进位脉冲”接“分计时脉冲”，“分十位进位脉冲”接“小时计时 脉冲”，此时就组成了一个标准的数字钟。进位的规律为：秒位计时到 59后，将向分位进1，同时秒位变成00，当分位和秒位同时变成59后， 再来一个脉冲，秒位和分位同时变成00，同分位向小时位进1，小时的 计时为从01计时到12，然后回到01。 5、校时电路：拆掉上述级连时的连线。再将“秒计时脉冲”，“校时脉冲” “校分脉冲”接信号源单元的1忆秒脉冲信号，“秒十位进位脉冲”接“秒 十位进位位”，“分十位进位脉冲”接“分十位进位位”，“分校准”接“分 计时脉冲”，“时校准”接“小时计时脉冲”，此时就可以对数字钟进行校 准。S601校准分位，在校准分位的过程中，秒位的计时和小时位不受任 何影响，S602校准小时位，同样在校准小时位时，秒位和分位不受影响。 6、报时电路的：保持步骤5的连线不变，将“报时输出”接扬声器的输入 端（实验箱右下角），“报时高音”和“报时低音”分别接信号源单元的 1K2,500H2信号。将分位调整到59分，当秒位计时到51秒时，扬声 器将发出1秒左右的告警音，同样在53秒，55秒，57秒均发出告警音， 在59秒时，将发出另外一种频率的告警音，提示此时已经是整点了，同 时秒位和分位均变成00，秒位重新计时，小时位加1。 7、以上均是先连线，然后上电做实验。 六、实验预习要求 1.复习计数器、译码器及七段数码管的的原理及使用。 2.绘出实验各组成部分的详细电路图。 3.准备好实验用的表格等。 4.仔细阅读实验指导书，弄清楚每一部分的实验原理。 七、实验报告要求 1,绘出整个实验的线路图。 2.分析、总结实验结果。 3.思考：若将小时电路改为“24翻1”，则应作什么修改？若要给电路加上 整点报时功能，几点则报几声，电路又该如何修改？ 4.级连时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引起逻辑混乱，试 思考如何消除这些干扰和景影响。 5.显示中如果出现字符变化很快，模糊不清，试思考如何消除这种现象。 八、元件分布图
十位进位脉冲”接“分计时脉冲” ，“分十位进位脉冲”接“小时计时 脉冲”，此时就组成了一个标准的数字钟。进位的规律为：秒位计时到 59 后，将向分位进 1，同时秒位变成 00，当分位和秒位同时变成 59 后， 再来一个脉冲，秒位和分位同时变成 00，同分位向小时位进 1，小时的 计时为从 01 计时到 12，然后回到 01。 5、 校时电路：拆掉上述级连时的连线。再将“秒计时脉冲”，“校时脉冲”， “校分脉冲”接信号源单元的 1HZ 秒脉冲信号，“秒十位进位脉冲”接“秒 十位进位位”，“分十位进位脉冲”接“分十位进位位”，“分校准”接“分 计时脉冲”，“时校准”接“小时计时脉冲”，此时就可以对数字钟进行校 准。S601 校准分位，在校准分位的过程中，秒位的计时和小时位不受任 何影响，S602 校准小时位，同样在校准小时位时，秒位和分位不受影响。 6、 报时电路的：保持步骤 5 的连线不变，将“报时输出”接扬声器的输入 端（实验箱右下角），“报时高音”和“报时低音”分别接信号源单元的 1KHZ，500HZ 信号。将分位调整到 59 分，当秒位计时到 51 秒时，扬声 器将发出 1 秒左右的告警音，同样在 53 秒，55 秒，57 秒均发出告警音， 在 59 秒时，将发出另外一种频率的告警音，提示此时已经是整点了，同 时秒位和分位均变成 00，秒位重新计时，小时位加 1。 7、 以上均是先连线，然后上电做实验。 六、实验预习要求 1． 复习计数器、译码器及七段数码管的的原理及使用。 2． 绘出实验各组成部分的详细电路图。 3． 准备好实验用的表格等。 4． 仔细阅读实验指导书，弄清楚每一部分的实验原理。 七、实验报告要求 1． 绘出整个实验的线路图。 2． 分析、总结实验结果。 3． 思考：若将小时电路改为“24 翻 1”，则应作什么修改？若要给电路加上 整点报时功能，几点则报几声，电路又该如何修改？ 4． 级连时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引起逻辑混乱，试 思考如何消除这些干扰和影响。 5． 显示中如果出现字符变化很快，模糊不清，试思考如何消除这种现象。 八、元件分布图
数钟实验目目