基于74LS90 的数字电子钟设计

莫嘉熙

（华南农业大学电子工程学院 广东省广州市 510642）

1 引言

近年数字电子技术的迅速发展，使得集成电路在社会生活的应用范围愈加广泛。数字电子钟作为基于中小规模集成电路应用的基本实例，由其结构简单、走时精准、使用寿命长等特性而被广泛使用。文章基于74LS90 中规模计数器，设计具有计时、显示、手动校时校分、整点报时功能的数字电子钟。通过对数字电子钟的研究与分析，有助于掌握数字时钟的原理和应用，为集成电路的深层次应用提供理论基础。

2 系统总体设计

2.1 系统设计思路

数字电子钟对标准频率（1Hz）进行计数，由秒脉冲电路、计数电路、译码显示电路、校时电路和整点报时电路组成。数字电子钟正常工作时，晶振产生稳定的脉冲信号，经过CD4060 和74LS74 组成的分频器分频最终得到1Hz 方波，即秒脉冲信号。秒脉冲信号作为计时的基准信号送进由多块74LS90 芯片级联而成的计数电路进行计数，秒位和分位计数满60 进位，时位计数满24 进位，后自动清零，以此循环。计数结果8421BCD（Binary-Coded Decimal）码输入至时分秒中各位对应的4511 译码器译码，通过LED 数码管显示。若数字电子钟计时结果与实际时间有误差，可通过校时电路校正，校时电路由按键与按键消抖电路组成，按下按键可实现校正时间。整点报时电路由逻辑门与蜂鸣器组成，当时间到达整点前10 秒开始，蜂鸣器响1 秒停1 秒地响5 次。各部分电路相连构成数字电子钟整体电路，其系统结构框图如图1 所示。

图1：数字电子钟系统框图

2.2 整体电路仿真

Multisim14.0 是美国国家仪器 (NI) 有限公司推出一款基于Windows 操作系统平台的EDA 工具软件, 提供业界一流的SPICE 仿真标准环境，提供万用表、信号发生器、逻辑分析仪等多种虚拟仪器和交互式的电路分析工具, 能形象地展示电路行为。根据系统的结构与组成原理，在Multisim14.0 调用相应元器件绘制数字电子钟的整体电路图，其中秒脉冲电路使用时钟源CLOCK_VOLTAGE 产生占空比为50%频率为1Hz 的方波作为秒脉冲信号，仿真电路图如图2 所示。

图2：数字电子钟整机仿真电路图

3 单元电路设计

3.1 秒脉冲电路

石英晶体振荡器具有频率精确、振荡稳定、温度系数小等特点，可以满足一般电子钟走时的准确性的要求，所以选用石英晶体构成振荡电路输出频率为32.768kHz 的信号。频率为32.768kHz 的晶振输出信号经过CD4060 产生14分频后，送进74LS74D 触发器进行二分频最终输出频率为1Hz 的秒脉冲信号。此秒脉冲电路虽然无法在Multisim14.0仿真，但在实际电路测试时效果极好, 它发出的秒脉冲时间和实际的秒计时相差甚微，是一种很不错的秒脉冲应用电路。

[秒脉冲电路图如图3 所示。

图3：秒脉冲电路图

3.2 计数电路

74LS90 是异步二一五一十进制加法器，秒计数器和分计数器分别由两块74LS90 级联组成60 进制加法计数器，时计数器亦采用两块74LS90 级联级联组成24 进制加法计数器。当秒计数器计数满60 即计数状态为0110 0000 时，向分个位发出脉冲信号实现向高位进位，同时通过反馈清零法秒计数器立即清零；分计数器对秒计数器发出的脉冲信号计数，当计数满60 即计数状态为0110 0000 时，向时个位发出脉冲信号实现向高位进位，同时通过反馈清零法分计数器立即清零；时计数器对分计数器发出的脉冲信号计数，当计数满24 即计数状态为0010 0100 时，立即通过反馈清零法清零。计数电路如图4 所示。

图4：计数电路图

3.3 译码显示电路

计数电路输出的8421BCD 码作为4511 译码器的输入，通过时分秒各位对应的CD4511 译码器译码后输出驱动LED数码管显示。CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED 显示器的BCD 码—七段码译码器，其七段输出可驱动共阴LED 数码管。LED 数码管采用共阴极接法，即七段LED 的阴极连在一起并接地，受CD4511 驱动，在实际电路中应与限流电阻串联后接地。译码显示电路图如图5 所示。

图5：译码显示电路图

3.4 校时电路

校时电路由按键与RS 触发器组成，分别对时位和分位进行校正。当按下按键，RS 触发器输出脉冲并与进位脉冲一起送进或门，作为时个位或分个位的计数脉冲，起到校时校分的功能。其中RS 触发器还可作为按键的消抖电路，按键按下后只要不弹起到初始位置，RS 触发器输出不变，能很好消除按键抖动带来的输出变化。校时电路图如图6 所示。

图6：校时电路图

3.5 整点报时电路

整点报时电路主要由八输入与非门、非门和蜂鸣器组成。八输入与非门中七个输入是分秒计数器的输出8421BCD 码计数结果，分别是分十位计数器的QAQC、分个位计数器的QAQD、秒十位计数器的QAQC 和秒个位计数器的QA。当达到整点前10 秒开始，八输入与非门级联非门输出驱动蜂鸣器响1 秒停1 秒的响5 次，工作原理如表1 所示，整点报时电路图如图7 所示。

图7：整点报时电路图

表1：整点报时电路工作原理表

4 实体制作

4.1 焊接电路

根据整体电路的原理图确定各模块各元器件在焊接板上的位置，确定无误后可进行元器件的焊接。元器件焊接顺序为先难后易，先低后高，先贴片后插装。一般焊接顺序依次为：贴片式器件、电阻、电容、二极管、三极管、集成块、大功率管等其他元器件。焊接集成块, 焊接时先焊接集成块边上的两个引脚，使其定位，然后从上到下、从左到右依次焊接每个引脚。注意不要颠倒电容和蜂鸣器的“+”、“-”极。数字电子钟实物电路板正面如图8 所示，电路板反面如图9 所示。

图8：数字电子钟电路板正面图

图9：数字电子钟电路板反面图

4.2 电路调试

主要采用分块调试的方法调试电路，在每焊完一个电路模块时便对其进行调试，可按照秒脉冲电路模块、计数电路与译码显示电路模块、校时电路模块、整点报时电路模块的顺序焊接调试。调试实物图10 所示。调试的方法如下：

图10：调试实物电路板图

（1）焊接晶振电路后将输出接到示波器查看输出频率是否是32.768kHz，调试无误后焊接分频电路模块与晶振电路模块，用示波器查看秒脉冲电路输出信号是否为频率1Hz的方波；

（2）焊接计数电路模块和译码显示模块，根据LED 数码显示管的显示来调试问题所在的模块；

（3）焊接校时电路，检查按键按下后对应的LED 数码管位是否随之跳动，跳动是否有闪烁，根据具体问题调试；

（4）焊接整点报时电路，在达到整点10 秒前，检查蜂鸣器是否正常工作。

5 结束语

本文基于74LS90中规模集成计数器设计由秒脉冲电路、计数电路、译码显示电路、校时电路和整点报时电路组成的功能完整的数字电子钟，实现计时显示、校时校分、整点报时的功能。通过数字电子钟的设计与制作，可促进掌握与应用数字电子技术知识和电路焊接技能的提升，为更复杂更深层次的集成电路的设计提供基础。