电子技术综合设计：数字钟（计数、时间格式切换和闹钟功能）详解

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【电子技术综合设计】数字电子时钟（包含计数模块、12/24进制切换模块以及闹钟模块）_哔哩哔哩_bilibili

一、设计要求

1. 24小时制的时、分、秒计时；

2. 手动调时功能；

3. 闹钟功能；

4. 12/24小时制转换；

5. 星期显示。

二、总体框架设计

1. 设计60进制加法计数器，作为秒钟和分钟；

2. 设计24进制加法计数器，作为时钟；

3. 设计调时电路；

4. 设计7进制加法计数器，作为星期；

5. 组成7×24小时时钟模块；

6. 设计比较电路，作为闹钟模块；

7. 设计12进制（1-12）计数器；

8. 组合成数字钟。

三、设计步骤

1. 设计12(1-12)/24(0-23)小时计时切换模块

        采用置数法，使用2片74LS160N芯片，1片74LS00N芯片，1片74LS10N芯片，1片74LS74N芯片，实现12/24进制可切换加法计数器, 作为时钟显示电路：

（1）对于12进制，当计数到0001-0010（即12）时，置数回0000-0001（即1），故与非门12A接法如 图1 所示。

图1

        与非门12A输入端接个位片U1输出端QB，十位片U2输出端QA。

        当启用12进制并计满12位时，与非门12A输出信号为0，否则为1。

（2）对于24进制，当计数到0010-0011（即23）时，置数回0000-0000（即0），故三输入与非门24A接法如 图2 所示。​​​​​​​

​​​​​​​图2

        三输入与非门24A输入端接个位片U1输出端QB、QA，十位片U2输出端QB。

        当启用24进制并计满24位时，三输入与非门24A输出信号为0，否则为1。

（3）综上，两加法器的输入端接法如 图3 所示。

图3

        个位片U1输入端B、C、D接地，输入端A接三输入与非门24A输出信号；十位片U2输入端均接地。

（4）为实现在12或24进制时都能置数的功能，引入单刀双掷开关SS，其接法如 图4 所示；

图4

        单刀双掷开关SS输入端接入两个与非门的输出信号，输出端接入个位片U1与十位片U2的置数端LOAD’。

        当启动12（24）进制并计满12（24）位时，单刀双掷开关SS输出信号为0，个位片U1与十位片U2同时进行置数。

（5）考虑到现实中若以12进制记录时间，则需要进行两次循环才能使星期显示进1位，故采用一个D触发器实现1位二进制计数器，其接法如 图5 所示。

图5

① 脉冲端CLK接单刀双掷开关SS输出端；

② 输入端D = 输出端Q’；

③ 输出端Q接次级加法器U3的脉冲端CLK作进位信号；

④ 控制端PR’接高电平，复位端CLR’接三输入与非门B的输出信号。

        启用12进制时，PR=CLR=1，12位数计满两次才输出一次进位信号；启用24进制时，PR=1，CLR=0，只需计满一次即可输出进位信号；

（6）12/24小时计时切换模块的完整电路如 图6 所示。

图6

        当启动12进制时，十位-个位从0001-0010跳变到0001-0011的一瞬间，个位片与十位片同时进行置数，回到0000-0001，完成12进制（1-12）计数；

        当启用24进制时，十位-个位从0010-0011跳变到0001-0100的一瞬间，个位片与十位片同时进行置数，回到0000-0000，完成24进制（0-23）计数。

2. 设计7 x 12/24小时制时钟计时电路模块

（1）使用2片74LS160N芯片，1片74LS00N芯片，设计60进制加法计数电路，作为秒钟显示电路：

        ① 秒钟个位片U1的进位端RCO接到秒钟十位片U2的使能端ENP和ENT充当进位允许信号，其接法如 图7 所示。

图7

        当个位片计满一个循环后，十位片进一位；

② 实现60进制要对十位片采用清零法。U2输出端QC、QB通过与非门60A后，接回U2清零端CLR’作清零信号，其接法如 图8 所示。

图8

        当计满60位时，与非门60A输出信号为0，秒钟十位片U2进行清零，秒钟个位片U1也刚好为0；

③ 非门CS1A输入端接与非门60A输出端，其输出端接入下一级分钟个位片U3的进位端CLK作进位信号，其接法如 图9 所示。

图9

        当计满60位数时，本级清零，次级进一位；

​​​​​​​

④ 秒钟完整电路图如 图10 所示。

图10

        当十位-个位从0101-1001跳变到0110-0000的一瞬间，个位片与十位片同时回到0000，完成60进制（0-59）计数；

（2）使用2片74LS160N芯片，共用同一片74LS00N芯片，设计60进制加法计数电路，作为分钟显示电路，其接法如 图11 所示：

        思路同上，其中分钟十位片输出端Q2Q1通过与非门60C；​​​​​​​

图11

（3）以12/24小时计时切换模块为基础，使用1片74LS10N芯片，设计7进制（1-7）加法计数电路，作为星期显示电路：

        7进制采用置数法。星期片U3输入端D0接高电平；输出端Q2Q1Q0接三输入与非门7A后，接入置数端LORD’作置数信号。当输出端Q3Q2Q1Q0从0111跳变到1000的一瞬间，芯片进行置数，重新回到0001，完成7进制（1-7）计数。

图12

（4）连接12/24进制切换模块：

        分钟十位片U4输出端Q2Q1通过与非门C后，接入时钟个位片的进位端CLK作进位信号，其接法如 图13 所示。

        ​​​​​​​注意：此时星期片、时钟十位片、时钟个位片分别为U7、U6、U5。

图13

        当计满60位数时，本级清零，次级进一位；

问：为什么进位信号需要经过一个非门再接入次位的个位片？

答：因为74LS160为上升沿触发。当十位片不为0110（即6）时，与非门60A的输出信号为1，此时若不经过非门而直接接入次位的个位片，会使其直接进一位，这就是为什么当电路刚接通时时钟个位片和分钟个位片会显示为1的原因。

        解决办法就是加上一个非门，这样就能保证次位的个位片能正确进位。

（5）设计时钟/分钟调时电路：

        ① 使用开关CS，用于控制秒钟电路；

        ② 使用单刀双掷开关MTS/CTS，其输入端一端接与非门的输出信号，另一端接脉冲信号，当切换为脉冲端时用作时钟/分钟的调时；

        ③ 使用单刀双掷开关WTS，用作星期的调整。

        完整接法如 图14 所示；

图14​​​​​​​

3. 设计闹钟模块

        使用5片74LS85N芯片和蜂鸣器，设计时钟和分钟的比较电路：

（1）比较电路采用并联扩展法。5片芯片的比较输入端I(A=B)均接高电平，其余两个均接地，如 图15 所示；

图15

（2）4片时钟/分钟比较芯片从最低位（分钟个位）起步比较，其输出端F(A>B)、F(A<B)分别接并联扩展芯片的A3、B3，其余三片以此类推，如 图16 所示；

图16

（3）芯片输入端接入比较信号，用四通道开关（J1-J4）设置，以达到手动设置时间的功能，接法如 图17 所示；

图17

（4）蜂鸣器一端接入并联扩展芯片的输出端F(A=B)，另一端接地；开关ACS用于控制输出信号的接收。具体接法如 图18 所示。

图18

当A3A2A1A0=B3B2B1B0时，并联扩展芯片输出端F(A=B)=1，蜂鸣器响起，直到时间变动或手动断开开关ACS才停止发出响声，以此实现闹钟功能。

（5）闹钟模块的完整电路如 图19 所示。

图19

4. 拼接各模块，组成具有闹钟功能和调时功能的12/24小时制数字钟

        连接7 x 12/24小时制时钟计时电路模块与闹钟模块，将闹钟模块中4片比较芯片的输入端分别接入相对应的输出端（分钟个位对分钟个位，分钟十位对分钟十位，以此类推……），并进行线材整理，即完成了具备闹钟功能和调时功能的12/24进制数字钟。

图20

六、运行结果

1. 从7/23/58/00开始计数，此时闹钟指示灯熄灭；

2. 计到7/23/59/xx，此时等同闹钟时间，闹钟指示灯亮起，蜂鸣器发出响声；

3. 计满一个循环后，计数回到初始状态1/00/00/00，此时闹钟指示灯熄灭。