一種數(shù)字鐘的設(shè)計

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)實現(xiàn)時、分、秒的計時裝置，與機(jī)械式時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)字電路實現(xiàn)，其中包括組合邏輯電路和時序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強，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時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數(shù)器中進(jìn)行計數(shù)。由于計時的規(guī)律是：60秒=1分，60分=1小時，24小時=1天，這就需要分別設(shè)計60進(jìn)制和24進(jìn)制的計數(shù)器（或12進(jìn)制的計數(shù)器，并發(fā)出驅(qū)動AM、PM的標(biāo)志信號）。各計數(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”、“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

振蕩器主要用來產(chǎn)生時間標(biāo)準(zhǔn)信號。數(shù)字鐘的精度，主要取決于時間標(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，鐘表的計時準(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

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)制計數(shù)器就是十分頻器，M進(jìn)制計數(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的計時信號，這樣就滿足了計時規(guī)律的需求：60秒=1分鐘，60分=1小時，24小時=1天。分頻器可用JK觸發(fā)器或計數(shù)器構(gòu)成。

4 時分秒計數(shù)器的設(shè)計

有了“秒”信號，則可根據(jù)60秒為1分，60分為1小時，24小時為1天的進(jìn)制，分別選定“秒”、“分”、“時”的計數(shù)器。在“秒”計數(shù)器中，因為是60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，符合人們計數(shù)的習(xí)慣。將來便于應(yīng)用8421碼譯碼顯示電路，“秒”計數(shù)器中通常用兩個十進(jìn)制計數(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、十位合起來實現(xiàn)60進(jìn)制。

5 校時電路

當(dāng)數(shù)字鐘的指示同實際時間不相符時，必須予以校準(zhǔn)，校時電路的基本原理如圖3所示，即將“秒”信號直接引進(jìn)“時”計數(shù)器，同時將“分”的計數(shù)器置0，讓“時”計數(shù)器快速計數(shù)，在“時”的指示調(diào)到需要的數(shù)字后，再切斷“秒”信號，校“分”電路也是按此方法讓“秒”信號輸入“分”計數(shù)器，同時讓“秒”計數(shù)器置0。快速改變“分”的批示，并到等于需要的數(shù)字為止。校“秒”電路略有不同，選用的周期為0.5秒的脈沖信號，使“秒”計數(shù)比正常計“秒”快一倍，以便對準(zhǔn)“秒”的數(shù)字。

圖3 校時電路

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/報時控制電路的設(shè)計

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

圖4 定時/報時控制電路

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，如整點報時、觸摸報時等。

[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)計與制作.北京：科學(xué)出版社,1984.

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