梁可　常楠　郭磊　段昭烈

摘 要：本設(shè)計(jì)是采用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)基本時(shí)鐘功能時(shí)、分、秒，并能進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)和校準(zhǔn)的制作。數(shù)字鐘適用于家庭鐘設(shè)計(jì)，倒計(jì)時(shí)裝置設(shè)計(jì)，也適用于各種電氣設(shè)備和其他醫(yī)療設(shè)備上。為達(dá)到鞏固數(shù)字電路與模擬電路的學(xué)習(xí)知識(shí)并實(shí)際運(yùn)用的效果，本設(shè)計(jì)主要采用中小型規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字鐘電路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘;譯碼計(jì)數(shù);數(shù)字電路

1前言

數(shù)字鐘常用于人們的生活中，能在跑步時(shí)計(jì)時(shí)，能在手表上報(bào)時(shí)，能在鬧鐘響鈴。人們生活中無(wú)處不在，它能具象出時(shí)間的流逝，使人們生活更加高效。

1.1設(shè)計(jì)背景

數(shù)字鐘是一種用簡(jiǎn)單數(shù)字電路技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的電子設(shè)計(jì)，僅用簡(jiǎn)易的電子元器件便可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)，計(jì)數(shù)等要求。

1.2設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)主要是利用如計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器、與門、異或門等數(shù)字邏輯器件，將脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并用6位數(shù)碼管顯示出來(lái)，其主要功能是能較精確的進(jìn)行時(shí)間顯示和時(shí)間校準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)的附加功能，具體設(shè)計(jì)要求：

（1）產(chǎn)生的秒脈沖頻率精確;

（2）可完成整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能;

（3）數(shù)碼管顯示時(shí)間準(zhǔn)確，可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)功能。

1.3必備條件

要求使用晶體振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)電路，電路秒信號(hào)發(fā)生器由CD4060和CD4013組成。它與電容、電阻、石英晶體等元器件共同組成32768Hz振蕩器，后進(jìn)行14級(jí)二分頻，[2]再采用D觸發(fā)器（CD4013）進(jìn)行二分頻，輸出1Hz的時(shí)秒信號(hào)。通過(guò)數(shù)字邏輯運(yùn)算，采用74LS390計(jì)數(shù)，經(jīng)七段顯示譯碼器CD4511直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)時(shí)間，并能通過(guò)單刀雙擲開關(guān)對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校時(shí)，在整點(diǎn)時(shí)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)時(shí)。

1.4方案比較

1.4.1方案一

通過(guò)1個(gè)NE555定時(shí)器與多個(gè)電阻和電容組成多諧振蕩器，輸出頻率為1kHz的信號(hào)，再經(jīng)分頻器74F160產(chǎn)生1Hz時(shí)鐘脈沖所需的頻率，（或經(jīng)過(guò)3個(gè)74LS90級(jí)聯(lián)而成的千分頻器產(chǎn)生1Hz脈沖）提供給計(jì)數(shù)單元，并通過(guò)譯碼驅(qū)動(dòng)在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。[1]采用NE555芯片組成的多諧振蕩器可輸出符合要求的頻率脈沖，其計(jì)算可由公式得：

計(jì)算得：

通過(guò)計(jì)算結(jié)果與仿真當(dāng)R2調(diào)整為10kΩ左右時(shí)，輸出頻率更加接近于1KHz。

1.4.2方案二

通過(guò)集成邏輯門7401與非門與RC組成時(shí)鐘源振蕩器，可產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

1.4.3方案三

對(duì)發(fā)出的秒沖信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用32768Hz的晶體振蕩器和外接電阻、電容、石英晶體共同組成振蕩器，通過(guò)CD4060并進(jìn)行14級(jí)二分頻，再經(jīng)D觸發(fā)器（CD4013）進(jìn)行二分頻，輸出1Hz的秒信號(hào)。

1.5方案論證

方案一NE555構(gòu)成的多諧振蕩器難以準(zhǔn)確輸出1KHz的頻率脈沖，可能時(shí)鐘不準(zhǔn)確，同時(shí)其對(duì)電阻和電容的精度要求較高。不易輸出符合要求的頻率脈沖。

方案二采用RC組成的振蕩電路，不僅與時(shí)間常數(shù)τ相關(guān)，還取決于閾值電壓VTH，兩者均易受電源電壓，溫度等因素干擾，因此頻率穩(wěn)定性差。故不采用此方案。

方案三采用石英晶振產(chǎn)生脈沖信號(hào)，有著輸出頻率準(zhǔn)確，不易干擾的優(yōu)點(diǎn)。

1.6方案選擇

由于數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)，注重時(shí)鐘顯示的準(zhǔn)確度，精準(zhǔn)的時(shí)間是數(shù)字鐘的核心，因此采用32768石英振蕩器穩(wěn)定輸出32768Hz（215）脈沖，再經(jīng)CD4060進(jìn)行14分頻計(jì)數(shù)再外加級(jí)D觸發(fā)器（CD4013）二分頻，輸出1Hz的時(shí)基秒信號(hào)?？奢敵?Hz脈沖，因此采用方案三準(zhǔn)確輸出1Hz脈沖，提高了方案的準(zhǔn)確性。

2各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)

數(shù)字鐘設(shè)計(jì)主要含有5個(gè)單元模塊，它們分別是：1Hz時(shí)鐘信號(hào)模塊、60進(jìn)制和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊、譯碼驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示模塊、校時(shí)模塊和整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊。

2.11Hz時(shí)鐘信號(hào)模塊設(shè)計(jì)

該模塊因無(wú)法一次性直接產(chǎn)生1Hz的低信號(hào)脈沖，因此采用石英晶體振蕩電路，它與CD4060組成32768Hz（215）振蕩器，再外加D觸發(fā)器（CD4013）二分頻，因此采用了14級(jí)二分頻，輸出1Hz的時(shí)脈沖信號(hào)。

1Hz時(shí)鐘信號(hào)模塊的兩個(gè)電容（C3，C4）是晶振的負(fù)載電容，分別接在晶振兩端和對(duì)地的電容間，一般使用以皮法為單位的電容，它的值過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響到晶振的諧振頻率和輸出幅度。[2]

式中Cd，Cg分別為接在晶振和對(duì)地電容間，Cic（集成電路內(nèi)部電容）+△C（PCB上電容）一般為3至5pf。這兩個(gè)電容串聯(lián)后并聯(lián)在諧振通路上，會(huì)影響振蕩頻率。[2]

2.2計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字鐘的分鐘和秒鐘計(jì)時(shí)電路要設(shè)計(jì)為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器是分鐘和秒鐘計(jì)時(shí)電路，為減少器件使用量，分別用兩個(gè)74LS390芯片構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。將兩芯片的個(gè)位芯片接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而將十位計(jì)數(shù)單元將10進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

（1）60進(jìn)制計(jì)數(shù)器

60進(jìn)制計(jì)數(shù)器：在計(jì)數(shù)部分，采用74LS390芯片構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，將其中一片74LS390設(shè)計(jì)成10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，另一片設(shè)計(jì)成6進(jìn)制計(jì)數(shù)器。兩片74LS390按反饋清零法串聯(lián)而成。秒計(jì)數(shù)器兼具60清零和進(jìn)位的功能，因此輸出脈沖進(jìn)行清零外，同時(shí)還作為分計(jì)數(shù)器的輸入脈沖CP1。分秒計(jì)數(shù)器基本功能相同，因此此可作為秒計(jì)數(shù)器的同時(shí)，也可作為分計(jì)數(shù)器。[1]

秒與分鐘十位計(jì)數(shù)器應(yīng)為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，為使芯片構(gòu)成更加簡(jiǎn)單，采用相同的器件，對(duì)進(jìn)制進(jìn)行接線改制。采用將10進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法，分個(gè)位與十位基本一致。

（2）24進(jìn)制計(jì)數(shù)器

數(shù)字鐘中各位計(jì)數(shù)器功能基本相同，但小時(shí)的整體計(jì)數(shù)應(yīng)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，運(yùn)用反饋清零法，將兩個(gè)74LS390級(jí)聯(lián)，接成模100計(jì)數(shù)器，其中U11構(gòu)成十位計(jì)數(shù)器和U12構(gòu)成個(gè)位計(jì)數(shù)器，在此基礎(chǔ)上，借助與門譯碼和計(jì)數(shù)器譯碼清零的功能，將U11的Q2端和U12的Q1端接在與門的輸入端。工作時(shí)，在第24個(gè)脈沖作用后，十位數(shù)計(jì)數(shù)器輸出為0010，個(gè)位數(shù)計(jì)數(shù)器輸出為0100，經(jīng)與門后，兩者在計(jì)數(shù)器U11和U12的清零端CR使其返回0狀態(tài)，形成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

2.3譯碼驅(qū)動(dòng)顯示模塊設(shè)計(jì)

譯碼器對(duì)計(jì)數(shù)器的輸出值進(jìn)行譯碼，得到數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，用于驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有CD4511，在本設(shè)計(jì)中用于驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)共陰極顯示數(shù)碼管。將其與七段數(shù)碼管連接即可完成不同數(shù)字的顯示，數(shù)碼管dp端為小數(shù)點(diǎn)端，在本設(shè)計(jì)暫不使用，因此接地。

2.4校時(shí)模塊設(shè)計(jì)

校時(shí)模塊可暫時(shí)先采用單獨(dú)的脈沖接入計(jì)數(shù)器的輸入端進(jìn)行調(diào)試。

（1）外接開關(guān)S1。

（2）選擇蜂鳴器為發(fā)聲器件。

在校時(shí)模塊外加入整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)時(shí)，數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)發(fā)聲，采用555芯片輸出穩(wěn)定電平通過(guò)蜂鳴器后，可以使人聽到，達(dá)到準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)目的。

3系統(tǒng)調(diào)試

采用Proteus軟件對(duì)計(jì)數(shù)模塊、譯碼器驅(qū)動(dòng)模塊、七段譯碼顯示模塊、脈沖發(fā)生器、校時(shí)模塊進(jìn)行了仿真，達(dá)到了目的。

3.1硬件調(diào)試

在數(shù)字鐘硬件調(diào)試中，利用Proteus對(duì)計(jì)數(shù)驅(qū)動(dòng)顯示模塊、校時(shí)模塊和頻率發(fā)生模塊分別進(jìn)行了仿真。通過(guò)控制單刀雙擲開關(guān)SW1作為開啟端，SW2、SW3、SW4作為校時(shí)端，因?yàn)樾盘?hào)的精確性和穩(wěn)定性不可能做到分毫不差，因此電路中需要校準(zhǔn)時(shí)間功能的電路，人為地調(diào)整時(shí)間的誤差。每搬動(dòng)一次單刀雙擲開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能。

在總模塊分秒計(jì)數(shù)部分均實(shí)現(xiàn)了60進(jìn)制顯示，時(shí)計(jì)數(shù)部分實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制清0顯示，校時(shí)部分搬動(dòng)單刀雙擲開關(guān)一次即可調(diào)整時(shí)間。

4結(jié)論

本文從設(shè)計(jì)的電路應(yīng)用數(shù)字電路計(jì)數(shù)器、555多諧振蕩電路、32768Hz晶振與分頻器產(chǎn)生1Hz脈沖功能。在電路設(shè)計(jì)中為節(jié)約電路設(shè)計(jì)成本，采用一片74LS390可完成兩片其他計(jì)數(shù)器的技術(shù)功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字部分[M].高等教育出版社，2014.

[2]徐紅霞，數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（03）：17-20.

作者簡(jiǎn)介：

梁可（1998—），女，漢族，四川成都，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

常楠（1998—），女，漢族，河北唐山，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

郭磊（1997—），男，漢族，四川仁壽，本科，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)開發(fā)、自動(dòng)化。

段昭烈（1999—），男，漢族，四川廣安，本科，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)開發(fā)、自動(dòng)化。