于瑩瑩 林喆

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（ 沈陽 110161 ）

0 引言

數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。

數(shù)字鐘可用典型的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，其中包括組合邏輯電路和時(shí)序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強(qiáng)，也有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。

1 數(shù)字鐘的基本組成及工作原理

要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)有一個能自動產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號的信號源。還需要有一個使高頻脈沖信號變成適合于計(jì)時(shí)的低頻脈沖信號的分頻器電路，即頻率為1Hz的“秒脈沖”信號。經(jīng)過分頻器輸出的秒脈沖信號到計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于計(jì)時(shí)的規(guī)律是：60秒=1分，60分=1小時(shí)，24小時(shí)=1天，這就需要分別設(shè)計(jì)60進(jìn)制和24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器（或12進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，并發(fā)出驅(qū)動AM、PM的標(biāo)志信號）。各計(jì)數(shù)器輸出的信號經(jīng)譯碼器/驅(qū)動器送到數(shù)字顯示器對應(yīng)的筆劃段，使得 “時(shí)”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示。數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字鐘結(jié)構(gòu)框圖

2 振蕩器的設(shè)計(jì)

振蕩器主要用來產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號。數(shù)字鐘的精度，主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率及其穩(wěn)定度，所以要產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)標(biāo)信號，一般采用石英晶體振蕩器。從數(shù)字鐘的精度考慮，晶振頻率愈高，鐘表的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度就愈高。但這會使振蕩器的耗電量增大，分頻器的級數(shù)也要增多。在確定頻率時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮這兩方面的因素。我們選用了成型數(shù)字鐘中使用的石英晶體頻率f0=32768KHz。因其易購買、體積小、成本低。采用RC振蕩器，該振蕩器是由石英晶體、電阻、電容組成，其電路如圖2所示。

圖2 石英晶體振蕩器電路

3 分頻器的設(shè)計(jì)

分頻器能將高頻脈沖變換為低頻脈沖，它可由觸發(fā)器以及計(jì)數(shù)器來完成。由于一個觸發(fā)器就是一個二分頻，N個觸發(fā)器就是2n個分頻器。如果用計(jì)數(shù)器作分頻器，就要按進(jìn)制數(shù)進(jìn)行分頻。例如十進(jìn)制計(jì)數(shù)器就是十分頻器，M進(jìn)制計(jì)數(shù)器就為M分頻器。

若從市場上購買到石英晶體振蕩器其頻率為 32768Hz，要想用該振蕩器得到一個頻率為1Hz的秒脈沖信號，就需要用分頻器進(jìn)行分頻，分頻器的個數(shù)為 215 = 32768Hz，N =15 即有15個分頻器。這樣就將一個頻率為23768Hz的振蕩信號降低為1Hz的計(jì)時(shí)信號，這樣就滿足了計(jì)時(shí)規(guī)律的需求：60秒=1分鐘，60分=1小時(shí)，24小時(shí)=1天。分頻器可用JK觸發(fā)器或計(jì)數(shù)器構(gòu)成。

4 時(shí)分秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

有了“秒”信號，則可根據(jù)60秒為1分，60分為1小時(shí)，24小時(shí)為1天的進(jìn)制，分別選定“秒”、“分”、“時(shí)”的計(jì)數(shù)器。在“秒”計(jì)數(shù)器中，因?yàn)槭?0進(jìn)制，即有60個“秒”信號，才能輸出一個“分”進(jìn)位信號。若用十進(jìn)制數(shù)表示需要兩位十進(jìn)制的數(shù)（個位和十位），這樣，“秒”個位應(yīng)是十進(jìn)制，“秒”十位應(yīng)是六進(jìn)制，符合人們計(jì)數(shù)的習(xí)慣。將來便于應(yīng)用8421碼譯碼顯示電路，“秒”計(jì)數(shù)器中通常用兩個十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的集成片組成，然后再采用反饋歸零的方法使“秒”十位變成六進(jìn)制，以使個位、十位合起來實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制。

5 校時(shí)電路

當(dāng)數(shù)字鐘的指示同實(shí)際時(shí)間不相符時(shí)，必須予以校準(zhǔn)，校時(shí)電路的基本原理如圖3所示，即將“秒”信號直接引進(jìn)“時(shí)”計(jì)數(shù)器，同時(shí)將“分”的計(jì)數(shù)器置0，讓“時(shí)”計(jì)數(shù)器快速計(jì)數(shù)，在“時(shí)”的指示調(diào)到需要的數(shù)字后，再切斷“秒”信號，?！胺帧彪娐芬彩前创朔椒ㄗ尅懊搿毙盘栞斎搿胺帧庇?jì)數(shù)器，同時(shí)讓“秒”計(jì)數(shù)器置0。快速改變“分”的批示，并到等于需要的數(shù)字為止。?！懊搿彪娐仿杂胁煌?，選用的周期為0.5秒的脈沖信號，使“秒”計(jì)數(shù)比正常計(jì)“秒”快一倍，以便對準(zhǔn)“秒”的數(shù)字。

圖3 校時(shí)電路

6 譯碼顯示電路

在數(shù)字系統(tǒng)中常常需要將測量或處理的結(jié)果直接顯示成十進(jìn)制數(shù)字。為此，需將以 BCD碼表示的結(jié)果送到譯碼器電路進(jìn)行譯碼，用它的輸出去驅(qū)動顯示器件。CD4511是BCD鎖存/7段譯碼器/驅(qū)動器，可用它驅(qū)動數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路。

7 定時(shí)/報(bào)時(shí)控制電路的設(shè)計(jì)

定時(shí)/報(bào)時(shí)功能要求數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時(shí)”；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。不管是鬧時(shí)還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號的開始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。其電路如圖4所示。

圖4 定時(shí)/報(bào)時(shí)控制電路

8 結(jié)束語

這種數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)簡單，準(zhǔn)確度高，成本低廉。在基本電路的基礎(chǔ)上還可擴(kuò)展其他的功能，如整點(diǎn)報(bào)時(shí)、觸摸報(bào)時(shí)等。

[1]孫建三.數(shù)字電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]彭軍.數(shù)字電路設(shè)計(jì)與制作.北京：科學(xué)出版社,1984.

[3]楊冰.數(shù)字電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐.武漢：華東師范大學(xué)出版社,1991.