動態(tài)掃描數(shù)字鐘電路設計與制作

摘 要： 給出了一種數(shù)字鐘電路設計的具體方法，采用石英晶體振蕩器和分頻器產(chǎn)生秒時鐘信號，以動態(tài)掃描方式將計數(shù)結果進行譯碼，最終在共陰極LED數(shù)碼管上顯示時、分、秒時間。電路主要采用中規(guī)模CMOS集成電路純硬件實現(xiàn)，覆蓋內(nèi)容廣泛、涉及知識點較多、將其列入自主實驗內(nèi)容，對提高學生工程設計能力、綜合運用各種知識分析問題、解決實際問題的能力等方面有顯著效果。

關鍵詞： 數(shù)字鐘； 動態(tài)掃描； 電路設計； 自主實驗

中圖分類號： TN911?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0147?03

0 引 言

在電子技術實驗教學中，構建學生的電路設計理念，提高學生的電路設計能力，是教學的根本目的和核心內(nèi)容[1]。數(shù)字鐘電路的設計包括了時序邏輯電路、組合邏輯電路、數(shù)碼管顯示電路和脈沖信號產(chǎn)生電路等內(nèi)容，內(nèi)容涉及面寬、綜合性強，是電子技術自主性實驗教學的典型案例。文中采用了石英晶體振蕩器電路、計數(shù)電路、動態(tài)掃描及譯碼驅(qū)動電路、顯示電路和時鐘校正電路，來實現(xiàn)該電路。

1 系統(tǒng)設計方案

本次設計的數(shù)字鐘，實現(xiàn)對時、分、秒的數(shù)字顯示，周期為24 h，顯示滿刻度為23時59分59秒，并具有校時功能。電路主要采用中規(guī)模CMOS集成電路，采用電池作電源，通過共陰極LED數(shù)碼管顯示時鐘。該系統(tǒng)由秒脈沖產(chǎn)生模塊、計數(shù)器模塊、譯碼顯示電路模塊、動態(tài)掃描模塊、校時模塊組成。其中秒脈沖產(chǎn)生模塊由晶體振蕩器電路和兩個分頻器電路組成，動態(tài)掃描模塊由動態(tài)掃描控制信號產(chǎn)生電路、計數(shù)器選通控制電路和數(shù)碼管選通控制電路三部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.1 秒脈沖產(chǎn)生電路

秒脈沖信號由石英晶體振蕩器產(chǎn)生，由于晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1 Hz的秒信號，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻[2]。通常的分頻器采用多級二進制計數(shù)器來實現(xiàn)。將32 768 Hz的高頻方波信號經(jīng)32 768（215 ）次分頻后得到1 Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)，即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當于15級二進制計數(shù)器。

1.2 計數(shù)器設計

計數(shù)器電路用來完成60秒60分及24小時的計數(shù)工作，且秒計數(shù)器的進位脈沖作為分計數(shù)器的輸入脈沖，同理分計數(shù)器的進位脈沖作為小時計數(shù)器的輸入脈沖。“秒”、“分”、“時”計數(shù)器電路采用同步加計數(shù)器CD4518來完成。

（1）CD4518雙BCD同步加計數(shù)器

（2）“時”、“分”、“秒”計數(shù)器設計

分計數(shù)器與秒計數(shù)器電路完全相同，只是脈沖輸入不同，秒計數(shù)器是1 Hz，而分計數(shù)器是[160] Hz。

時計數(shù)器為24進制計數(shù)器，設計原理與分秒計數(shù)器相同，不同之處在于反饋清零的狀態(tài)不同，當十位（顯示2）、個位為0100（顯示4）時對計數(shù)器全部清零。把QB2和QC1 通過CD4081相與送給兩個十進制計數(shù)器的復位端即可。

1.3 數(shù)碼顯示及動態(tài)掃描電路

采用脈沖分配器CD4022產(chǎn)生動態(tài)掃描信號DS0～ DS5，這6個信號在同一時刻只有一個為高電平，利用DS0～DS5控制模擬開關CD4066，當某個掃描信號為高時，所控制的四路模擬開關導通，從而把對應計數(shù)器的數(shù)據(jù)送給譯碼驅(qū)動電路，同時掃描信號要選通對應的數(shù)碼管顯示相應的數(shù)據(jù)。由于采用的是共陰極數(shù)碼管，因此掃描信號通過達林頓晶體管整列MC1413才能選通對應數(shù)碼管，當某掃描信號為高時，經(jīng)過MC1413輸出后變?yōu)榈碗娖剿鶎獢?shù)碼管被點亮。脈沖分配器CD4022的輸入脈沖CP的頻率應該足夠高，這里選用512 Hz（由4060第13腳提供）。

1.4 校時電路

2 結 語

數(shù)字鐘電路的設計，涉及模擬電子技術、數(shù)字電子技術等多方面知識，將其列入自主實驗內(nèi)容，克服了以往實踐教學形式單一、內(nèi)容簡單枯燥的缺點[8]。實驗過程中要求學生獨立完成設計。學生可以采用萬能板焊接完成數(shù)字鐘電路的制作，也可以繪制PCB電路圖采用熱轉印的方法自制PCB電路板完成該電路的制作。實驗過程中，學生表現(xiàn)出了濃厚的興趣，紛紛表示獲益匪淺。學生的電子電路設計、調(diào)試以及故障排除能力都有較大提高。

參考文獻

[1] 李悅，孔維成，王宏干，等.數(shù)字鐘實驗電路的設計與仿真[J].電子設計工程，2012，20（14）：5?7.

[2] 田東.基于數(shù)字電路的硬件設計實施開放實驗改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2006（5）：60?62.

[3] 賈林科.LED數(shù)字鐘的設計、制作研究[J].科技信息，2011（19）：153?154.

[4] 閻石.數(shù)字電子技術基礎[M].4版.北京：高等教育出版社，2001.

[5] 謝自美.電子線路設計·實驗·測試[M].2版.武漢：華中理工大學出版社，2000.

[6] 高吉祥.電子技術基礎實驗與課程設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[7] 馮長江.實驗電子學[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2009.

[8] 黃峰鶴.數(shù)字鐘的設計與制作[J].信息技術，2012（5）：161?163.