情境3 任务1 数字钟的设计与制作
一、工作原理
1、计时电路：
计时电路共分三部分：计秒、计分和计时。其中计秒和计分都是60进制，而计时为24进制。 ⑴计秒、计分电路
●个位向十位的进位实现。
用两片74LS90异步计数器接成一个异步的60进制计数器。所谓异步60进制计数器，即两片74LS90的时钟不一致。个位时钟为1HZ 方波来计秒，十位计数器的时钟信号需要从个位计时器来提供。
进位信号的要求是在十个秒脉冲中只能产生一个下降沿，且与第十秒的下降沿对齐。只能从个位计数器的输出端来提供，不可能从其输出端来找。而计数器的输出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四个信号，要么是其中一个，要么是它们之间的逻辑运算结果。
●六十进制的实现。
当计秒到59时，希望回到00. 此时个位正好是计满十个数，不用清零即可自动从9会0；十位应接成六进制，即从0-5循环计数。用异步清零法，当6出现的瞬间，即Q3Q2Q1Q0 =0110时，同时给R0⑴和R0⑴高电平，使这个状态变成0000，由于6出现的时间很短，被0取代，接线如图一所示：
图一
当十位计数到6是时，输出0110，其中正好有两个高电平，把这两个高电平Q2和Q1分别接到74LS90的R0⑴和R0⑴端，即可实现清零。一旦清零，Q2和Q1都为0，不能再继续清零，恢复正常计数，直到下次再同时为1
计分电路和计秒电路的是完全一致的，只是周期为1秒的时钟号改成周期为60秒即1分的时钟信号。
●秒向分的进位信号的实现
计分电路的关键问题是找到秒向分的进位信号。当秒电路计到59秒时，产生一个高电平，在计到60时变为低电平，来一个下降沿送给计分电路做时钟. 计秒电路在计到59时的十位和个位的状态分别为0101和1001，把这四个1与起来即可，即十位的Q2和Q0，个位的Q3和Q0，与结果作为进位信号。使用74LS20四入与非门串反向器构成与门，电路图如图二所示：
图二
2、计时电路
用两片74LS90实现二十四进制计数器，首先把两片74LS90都接成十进制，并且两片之间连成具有十的进位关系，即接成一百进制计数器，然后再计到24时，十位和个位同时清零。计到的Q1=1，个位的Q2=1，应分别把这两个信号连接到双方芯片的R0⑴和R0⑵端。如个位的Q2接到两个74LS90的R0⑴清零端，十位的 Q1接到两个74LS90的R0⑴清零端。
计时电路的个位时钟来自秒、分电路产生59分59秒两个信号相与的结果；电路如图三所示：
计分和计时电路可以先单独用秒脉冲调试，以节省时间。联调试，可把秒脉冲的频率加大。
以上三部分电路接起来就是一个简单的无校时和报时的数字电路，电路如图四所示。
图四
3、校时电路
校时电路主要完成校时和校分。选择校分时，拨动一次开关，分自动加一；选择校时时，拨动一次开关，小时自动加一。校时校分应准确无误，能实现理想的时间校对。校时校分应切断秒、分、时计数电路之间的进位连线。
校时电路如图五所示，由去抖动电路和选择电路组成。
图五
（1）去抖动电路
去抖动电路主要是由两个与非门构成的低电平触发有效的RS 锁存器，SW1为校时开关。拨动一个来回，在U16:B与非门的输出端产生一个稳定的下降沿。
（2）选择开关
SW2和SW3都拨东到左边，选择校时；SW2拨到右边、SW4拨到左边，选择校分；如果正常计数时，SW3和SW4都拨到右边，与校时电路断开关系。
4、整点报时
所谓整点报时，只报时不报分。为了简化电路，每当计到59分50秒时开始报时，响一秒停一秒，正好响5次。前四次为低音，最后一响为高音。
（1）报时信号开始
计到59分50秒时，分和秒计数器的状态如下： 分计时：Q3Q2Q1Q0=0101 分个位：Q3Q2Q1Q0=1001 秒十位： Q3Q2Q1Q0=0101
其中，计到59分的信号已有，如图四所示。只需把它和计秒的十位中的Q2Q0相与作为开始报时的一个条件即可。见图六，U17：A 和U6：F 组成的与非门即为报时开始信号。
图六
（2）报时锁存信号
用秒个位的计数器输出进位四高一低的报时锁存信号。50-59秒个位的状态。
秒之间
秒个位：Q3 Q2 Q1 Q0
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1
结合题目要求，通过这些状态的观察发现，秒个位的Q3和Q0正好在秒个位计到1、3、5、7是时产生电平，0、2、4、6时产生低电平，可作为低四声报时的锁存信号；秒个位的
Q3和Q0逻辑与后，正好在秒个
位为9时产生高电平，可作高音的报时锁存信号，这样就产生了两个报时锁存信号。
（3）报时
把上诉分析得到的报时开始信号分别和两个报时锁存信号相与，产生两路报时锁存信号，如图六，上面一路为高音报时锁存，下面一路为低音报时锁存。图中左面三个与非门实现的是与是与或逻辑。
上下两路报时锁存信号分别与1kHZ 和500HZ 的音频信号(20HZ-20KHZ)相与或来驱动数字喇叭，实现整点报时功能。这里喇叭使用元件SOUNDER ，它接受数字信号。
需要说明的是，调试时，可以把59分50秒这个报时开始信号直接用高电平取代，这样比较省时。另外实际连接电路时，可以555定时器产生一个1HZ 的方波，再经D 触发器二分频得到500HZ 的方波。计时电路的1HZ 方波也可由555定时器产生，但由于标准电阻和电容的选择会带来一些积累误差，也可选用其他更精确地振荡电路来实现。完整的数字钟电路图为：
二、元器件列表
四、工作任务
1、用PROTEUS 软件绘制电路并进行仿真。
2、用万能板制作抢答器电路。。
3、设计秒脉冲电路，并说出工作原理。
4、简述74LS90的引脚功能及工作原理。
5、简述显示译码器引脚功能及工作原理。
五、测量与调试
1、测量
2、调试心得。
（1）秒脉冲电路调试
（2）计时电路调试
（3）校时电路调试
情境3 任务1 数字钟的设计与制作
一、工作原理
1、计时电路：
计时电路共分三部分：计秒、计分和计时。其中计秒和计分都是60进制，而计时为24进制。 ⑴计秒、计分电路
●个位向十位的进位实现。
用两片74LS90异步计数器接成一个异步的60进制计数器。所谓异步60进制计数器，即两片74LS90的时钟不一致。个位时钟为1HZ 方波来计秒，十位计数器的时钟信号需要从个位计时器来提供。
进位信号的要求是在十个秒脉冲中只能产生一个下降沿，且与第十秒的下降沿对齐。只能从个位计数器的输出端来提供，不可能从其输出端来找。而计数器的输出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四个信号，要么是其中一个，要么是它们之间的逻辑运算结果。
●六十进制的实现。
当计秒到59时，希望回到00. 此时个位正好是计满十个数，不用清零即可自动从9会0；十位应接成六进制，即从0-5循环计数。用异步清零法，当6出现的瞬间，即Q3Q2Q1Q0 =0110时，同时给R0⑴和R0⑴高电平，使这个状态变成0000，由于6出现的时间很短，被0取代，接线如图一所示：
图一
当十位计数到6是时，输出0110，其中正好有两个高电平，把这两个高电平Q2和Q1分别接到74LS90的R0⑴和R0⑴端，即可实现清零。一旦清零，Q2和Q1都为0，不能再继续清零，恢复正常计数，直到下次再同时为1
计分电路和计秒电路的是完全一致的，只是周期为1秒的时钟号改成周期为60秒即1分的时钟信号。
●秒向分的进位信号的实现
计分电路的关键问题是找到秒向分的进位信号。当秒电路计到59秒时，产生一个高电平，在计到60时变为低电平，来一个下降沿送给计分电路做时钟. 计秒电路在计到59时的十位和个位的状态分别为0101和1001，把这四个1与起来即可，即十位的Q2和Q0，个位的Q3和Q0，与结果作为进位信号。使用74LS20四入与非门串反向器构成与门，电路图如图二所示：
图二
2、计时电路
用两片74LS90实现二十四进制计数器，首先把两片74LS90都接成十进制，并且两片之间连成具有十的进位关系，即接成一百进制计数器，然后再计到24时，十位和个位同时清零。计到的Q1=1，个位的Q2=1，应分别把这两个信号连接到双方芯片的R0⑴和R0⑵端。如个位的Q2接到两个74LS90的R0⑴清零端，十位的 Q1接到两个74LS90的R0⑴清零端。
计时电路的个位时钟来自秒、分电路产生59分59秒两个信号相与的结果；电路如图三所示：
计分和计时电路可以先单独用秒脉冲调试，以节省时间。联调试，可把秒脉冲的频率加大。
以上三部分电路接起来就是一个简单的无校时和报时的数字电路，电路如图四所示。
图四
3、校时电路
校时电路主要完成校时和校分。选择校分时，拨动一次开关，分自动加一；选择校时时，拨动一次开关，小时自动加一。校时校分应准确无误，能实现理想的时间校对。校时校分应切断秒、分、时计数电路之间的进位连线。
校时电路如图五所示，由去抖动电路和选择电路组成。
图五
（1）去抖动电路
去抖动电路主要是由两个与非门构成的低电平触发有效的RS 锁存器，SW1为校时开关。拨动一个来回，在U16:B与非门的输出端产生一个稳定的下降沿。
（2）选择开关
SW2和SW3都拨东到左边，选择校时；SW2拨到右边、SW4拨到左边，选择校分；如果正常计数时，SW3和SW4都拨到右边，与校时电路断开关系。
4、整点报时
所谓整点报时，只报时不报分。为了简化电路，每当计到59分50秒时开始报时，响一秒停一秒，正好响5次。前四次为低音，最后一响为高音。
（1）报时信号开始
计到59分50秒时，分和秒计数器的状态如下： 分计时：Q3Q2Q1Q0=0101 分个位：Q3Q2Q1Q0=1001 秒十位： Q3Q2Q1Q0=0101
其中，计到59分的信号已有，如图四所示。只需把它和计秒的十位中的Q2Q0相与作为开始报时的一个条件即可。见图六，U17：A 和U6：F 组成的与非门即为报时开始信号。
图六
（2）报时锁存信号
用秒个位的计数器输出进位四高一低的报时锁存信号。50-59秒个位的状态。
秒之间
秒个位：Q3 Q2 Q1 Q0
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1
结合题目要求，通过这些状态的观察发现，秒个位的Q3和Q0正好在秒个位计到1、3、5、7是时产生电平，0、2、4、6时产生低电平，可作为低四声报时的锁存信号；秒个位的
Q3和Q0逻辑与后，正好在秒个
位为9时产生高电平，可作高音的报时锁存信号，这样就产生了两个报时锁存信号。
（3）报时
把上诉分析得到的报时开始信号分别和两个报时锁存信号相与，产生两路报时锁存信号，如图六，上面一路为高音报时锁存，下面一路为低音报时锁存。图中左面三个与非门实现的是与是与或逻辑。
上下两路报时锁存信号分别与1kHZ 和500HZ 的音频信号(20HZ-20KHZ)相与或来驱动数字喇叭，实现整点报时功能。这里喇叭使用元件SOUNDER ，它接受数字信号。
需要说明的是，调试时，可以把59分50秒这个报时开始信号直接用高电平取代，这样比较省时。另外实际连接电路时，可以555定时器产生一个1HZ 的方波，再经D 触发器二分频得到500HZ 的方波。计时电路的1HZ 方波也可由555定时器产生，但由于标准电阻和电容的选择会带来一些积累误差，也可选用其他更精确地振荡电路来实现。完整的数字钟电路图为：
二、元器件列表
四、工作任务
1、用PROTEUS 软件绘制电路并进行仿真。
2、用万能板制作抢答器电路。。
3、设计秒脉冲电路，并说出工作原理。
4、简述74LS90的引脚功能及工作原理。
5、简述显示译码器引脚功能及工作原理。
五、测量与调试
1、测量
2、调试心得。
（1）秒脉冲电路调试
（2）计时电路调试
（3）校时电路调试