钟表是一种计时工具，在现代汉语中一般有两层含义，一是各类钟和表的总称，另一个是专指体积较大的表，尤指机械结构的有钟摆的表。
分类
钟表技术是计时技术的一个重要发展阶段，是现代机械技术和计算机技术的技术源头之一。
有摆钟表
是由阿拉伯工匠最早设计出来的。其工作原理是等速运动原理。
机械钟表
机械钟表的动力系统是发条，计时单位是小时、分钟、秒，分别采用了12进位制和60进位制。
水钟是伽利略发明的，摆钟是惠耿斯发明的,闹钟是汤若望发明的。
钟表发展史日晷是最早报“标准时”的仪器，它由晷盘和晷针组成。晷盘是一个有刻度的盘，其中央装有一根与盘面垂直的晷针，针影随太阳运转而移动在盘上的位置。那时，有钱人家里自己也装有这种钟表。
埃及是第一个漏壶钟出口国。它由两个互相叠置的圆筒组成。水从上面的圆筒穿过一个小孔滴入下面的圆筒。水滴完了，就是某个时辰过去了。大一点儿的漏壶灌一次水可报六个小时，然后再重新装满水。
古埃及法老王朝的钟表巧匠甚至制做了装有指针和鸣击装置的钟表，每隔一小时，一定数量的圆球便滚落到金属盖上，发出大声的鸣响。罗马人是埃及漏壶钟的主要买主。清晨，报时人大声地报出钟点，然后，每家每户便往漏壶钟里装满水。
罗马诗人普拉图斯对这样的计时方法很不满意。他写道：“但愿上帝杀死发明钟点的人，……因为钟点把我的整天撕成了碎块。以前，我的肚子便是我的报时钟，在所有的钟表中它是最好和最准确的。”
据说君士坦丁大帝曾经有一只奇妙的钟，即使在今天看来它也是一只极不寻常的、复杂的计时器。它有一棵树木的形状，在枝桠上坐满所有可能的动物，下面蹲着许多的狮子，时钟一敲，狮子便张开大口，发出吼声。
柏拉图是第一个借助埃及的漏壶制成闹钟的人。他把下面的圆筒挂起来，使它可以旋转，过一定的时间，圆筒便翻倒，把水倒出，水又流往一个哨管，水流的冲击造成的气流使哨管吱吱作响。每隔同样的时间，柏拉图的闹钟便准时地“吹响”，催促着这位伟大哲学家的学生去上课。
漏壶计时的方法持续了几千年。查理大帝在位时还从诃伦哈里发那里得到过一只装有时针和鸣击器的漏壶钟，它用纯金制成，做工精巧，富有艺术性。直到十二世纪，一名僧侣发明了沙时钟，漏壶才逐渐被沙时钟取代。最后，彼得·亨兰发明了平衡轮，克里斯蒂安·海根斯发明了摆锤，在此基础上，才制成了类似于今天的钟表。
值得一提的是，沙时钟原先只用于给说教台上的神父掌握说教时间的。
据考证，早在公元前2000年，中国就有了漏壶。一张公元前2679年的图样证明中国早有了类似于印度人和阿兹台克人所拥有的日晷。除此之外，中国人还用另外的方法制做了他们的计时器，例如，他们通过燃烧刻有时间标记的薰烛计算时间。另外，据说中国的一位制做钟表的能工巧匠，用各种各样的薰料制成了一种香味钟，它每小时散发出一种不同的味道。
一二七O年前后在意大利北部和南德一带出现的早期机械式时钟，以秤锤作动力，每一小时鸣响附带的钟，自动报时。一三三六年，第一座公共时钟被安装于米兰一教堂内，在接下来的半个世纪里，时钟传至欧洲各国，法国、德国、意大利的教堂纷纷建起钟塔。
不久，发条技术发明了，时钟的体积大为缩小。一五一O年，德国的锁匠首次制出了怀表。当年，钟表的制作似乎仅限于锁匠的副业，直到后来，对钟表精度的要求越来越高，钟表技艺也日益复杂，才出现了专业的钟表匠。
一八O六年，拿破仑之妻、皇后J.约琵芬为王妃特制的一块手表，是目前知道的关于手表的最早记录。这是一块注重装饰、被制成手镯状的手表。当时，男人世界里风行的是作为身分、地位象征的怀表，手表则被视作是女性的饰物。
一八八五年，德国海军向瑞士的钟表商定制大量手表，手表的实用性获得世人的肯定，逐渐普及开来。
本世纪初，ROLEX（劳力士）的前身——WILSDORF&DAVIS公司推出银制绅士表和淑女表，大获成功，带动了各家钟表厂商竞相研制开发手表。当年就以怀表技艺闻名世界的瑞士，在手表制作方面也一马当先，ROLEX在一九二六年就开发出完全防水型的手表“ROLEX OYSTER”，一九三一年又率先将自动上发条的手表“OYSTER PERPETUAL”推向市场。LONGINES（浪琴）公司也不甘示弱，其研制的精密航空钟与美国飞行家林德伯格一起飞渡大西洋，名声大振。一九二九年，推出带秒表功能的手表“CHRONOGRAPH”，翌年又在此基础上开发出飞行用精密手表“CHRONOMETER”。
一九六九年，日本精工手表公司开发出世界上第一块石英电子手表，日误差缩小到零点二秒以内。一九七二年，美国的汉密尔顿公司发明了数字显示手表，马达和齿轮从手表中消失了。
手表制造新技术层出不穷，机械手表却并未寿终正寝，产量虽然大减，制造技艺却得以保存。特别是瑞士的钟表厂家，在石英手表独占鳌头的今日，仍对机械手表情有独钟，坚持生产高档机械手表，并源源不断地输往世界各地。
时间——世界上最永恒而神秘的事物，在人类世界激荡起无数灵感的浪花。历史上，与时间为伴的智者，为之祭出无与伦比的洞见，在文化和艺术间采撷，在机械扭转间布局，最终创造出辉煌的时计珍品--神秘时钟，它以魔幻般的视觉体验令人流连于那百思不得其解的奥秘之中。而海顿·C·豪伦诗正是神秘时计的先行者。
提到神秘时计就必须从一位伟大的魔术师说起——让•欧仁•罗贝尔-乌丹（Jean Eugène Robert-Houdin，1805-1871）。他从小与机械结缘，自学制造了很多自动装置，其中也包括钟表作品。某次机缘下，他从书商处订购了贝亚德（Berthoud）的《钟表制造论文集》，却无意中拿到两本魔术著作。魔术中视觉诡计的特性启发了乌丹，于是他赋予钟表以魔术，发明出世界上首座神秘时钟。
此后为了增长见识拓展眼界，他更是每年都会随父亲参加大大小小各种钟表展，也正是在这段游学期间，让他看到了曾在1839年法国工业展上展出过的首座神秘时钟，Houdin关于时间魔术的天才创意和奇幻的设计理念深深震撼了豪伦诗。时针和分针漂浮于空中且精确转动，指示着时间。水晶表盘晶莹剔透，却丝毫不见机械装置的踪影。这，就是神秘时钟。究竟是什么能量让指针克服地心引力，悬浮并准确工作？是魔术还是魔法？
因受到Houdin魔术创造的启发豪伦诗一直从未放弃对于神秘时计的研究，在他的感召下不少技艺超凡的钟表制作师聚集在一起共同研发这一“钟表史上的奇迹”！
二十世纪初，豪伦诗和几个天才的制表师终于共同创造完成了一款神秘时钟，它所借鉴并发扬光大的原理基于一个绝妙的概念：指针并不直接与机芯连接，而是固定在两个锯齿状金属边框的水晶圆盘上。水晶圆盘由机芯带动（大部分位于钟底部），分别以时针和分针的速度旋转。为使幻想更为逼真，圆盘的金属边框被隐匿在时标圈下。除了让人叹为观止的时间魔术外，它还体现着不俗的美学价值。时钟整体运用美好年代（Belle Epoque）的装饰风格，笔直的线条、梯状外壳和水晶主体的组合，呼唤着装饰艺术时期的来临。此款神秘时钟也是众多系列作品中最纯净的一件，其不透明的钟座搭载了八日动力储存机芯，所有装置均巧妙隐藏，而接近完全透明的钟体更是找不到驱动指针运转的任何机械装置的蛛丝马迹。之后这款神秘钟曾衍生出多种款式，搭配不同材质的底座（缟玛瑙、玛瑙、软玉、K金等），精心装饰的表盘与框架(其中以白色珐琅和珍珠母贝最为常见)，以及各种形状的指针。
这些神秘钟极为珍贵罕有，个别款式甚至需要超过一年的精工细作，并由多位能工巧匠参与其中。其时名流显贵莫不竞相拥有，包括美国银行家小约翰·皮尔庞特·摩根(John Pierpont Morgan Jr)、西班牙王后、英皇乔治五世的妻子玛丽皇后、印度帕蒂亚拉土邦主(Maharajah de Patiala)等，他们都拥有一件或数件此类珍稀时计。
而他为神秘时计所做的研究和设计实际上为后来的神秘指针提供了坚实的概念和原理，让这项新的表现方式有迹可循，使得以此往后的神秘指针钟表都借用此基本原理，在表现方式和轮系布局上有了许多不同的想法，亦成就了后世不少旷世之作！
数字电子钟的设计
一、 绪论
（一）引言
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，同时也使现代电子产品性能进一步提高，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，许多火灾都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时间却难以判断。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，而且大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，有着非常现实的意义。
（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数码管来显示译码器所输出的信号。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、设计内容及设计方案 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，主要从石英晶体振荡器、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、安装、调试工作全部完成。
二、设计内容及设计方案
（一）设计内容要求
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钟，并在实验箱上进行组装、调试。
3、画出框图和逻辑电路图。
4 、功能扩展：
(1)闹钟系统
(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，音像持续1秒，在1000Hz音像结束时刻为整点。
(3)日历系统。
（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后向分计数器进位,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
（一）石英晶体振荡器
1、重要概念的解释
(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：在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，这种物理现象称为压电效应。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上产生电场，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，然后利用石英晶体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，由于反馈电阻很小，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，则电路的输出频率为4MHz。
图2 石英晶体振荡电路
(二)分频器
1、8421码制,5421码制
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，把用四位二进制数码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。
表1
8421码 5421码
0 0000 0000
1 0001 0001
2 0010 0010
3 0011 0011
4 0100 0100
5 0101 1000
6 0110 1001
7 0111 1010
8 1000 1011
9 1001 1100
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，要得到秒脉冲，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）
图3 分频电路
3、图中标志的含义
CP——输入的脉冲信号
C0——进位信号
Q——输出的脉冲信号
(三)计数器
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、60进制计数器
(1) 计数器按触发方式分类
计数器是一种累计时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部件之一。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，而异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进制计数器和一级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（在此之前输出的一直是低电平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
74LS04——非门
74LS00——二输入与非门
2、24进制计数器
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。
当“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”计数器输出的进位信号)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、显示器原理（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。
本设计所选用的是半导体数码管，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。共阴极数码管与共阳极数码管相反，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动。
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。译码器输出与输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。
表2
输 入 输 出 显示数字符号
LT(——) RBI(——-) A3 A2 A1 A0 BI(—)/RBO(———)
a(—) b(—) c(—) d(—) e(—) f(—) g(—)
1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0
1 X 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2
1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3
1 X 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 4
1 X 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 5
1 X 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 6
1 X 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7
1 X 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 8
1 X 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 9
X X X X X X 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭
1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭
0 X X X X X 1 0 0 0 0 0 0 0 8
(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为何种状态，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 ，A1，A0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。当对每一位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(———)：灭零输出，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行翻译，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。
图6 译码显示电路
（五）校时电路
1、RS触发器（见图7）
图7 基本RS触发器
R(—) S(—)
Q Q(—)
说 明
0 1
1 0
1 1
0 0 0
1
0或1
1 1
0
1或0
1 置0
置1
保持原来状态
不正常状态，0信号消失后，触发器状态不定
2、无震颤开关电路
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、校时电路的实现原理
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个机械开关具有震颤现象，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
