1、1多功能数字钟电路的设计与制作宁乡职业中专 谭建明 陈格民摘要：电子数字钟的应用十分广泛，通 过计时精度很高的石英晶振（也可采用 卫星传递的时钟标准信号），采用相应进制的计数器，转化为二进制数，经过译码和显示电路准确地将时间“时”“ 分”“秒”用数字的方式显示出来。与传统的机械 钟相比，它具有走 时准确，显示直观，无机械传动，无需人的经常调整等优点。它广泛用于电子表、车站、码头、广场等公共场所的大型远距离时间显示电子钟。【关键词】： 电子钟 秒脉冲 分频器 计数器 译码 驱动 振荡器 整点报时 调试 制作电子数字钟的应用十分广泛，通过计时精度很高的石英晶振（也可采用卫星传递的时钟标准信号） ，
2、采用相应进制的计数器，转化为二进制数，经过译码和显示电路准确地将时间“时” “分” “秒”用数字的方式显示出来。与传统的机械钟相比，它具有走时准确，显示直观，无机械传动，无需人经常调整等优点。它广泛用于电子表、车站、码头、广场等公共场所的大型远距离时间显示电子钟。一数字钟电路设计思路图 1 是数字钟的原理框图图 1 原理框图二：各单元电路的设计方法时时计数器二十四进制分计数器六十进制秒计数器六十进制报 时电 路较 时电 路秒脉冲发生器分 秒21: 秒信号发生电路这是数字钟的关键电路，它直接影响到数字钟的走时准确。根据计时的精度确定石英晶振的频率，一般采用 32768HZ 的石英晶体振荡器通过
3、15 次的分频（15 级二分频，因 215=32768）来获得秒脉冲的信号，作为计时的基本单位。石英晶振的误差很小，一般可达 10-9 数量级。如果需要更高精度的可以选用更高的晶体振荡器。经过更多级的分频，可得到更加精确的秒信号，一年中的误差不超过一秒。我们选用 CD4060 作为秒脉冲发生电路的主要器件，它是 14 级的二进制计数器/分频器/ 振荡器。如图 2 所示，C1，C2，晶振， R4，CD4060 等器件构成 32768HZ 振荡器。CD4060 的 9 脚 10 脚 11脚内含两个非门电路，16 脚为电源，8 脚接地，1 脚输出 12 分频信号，2 脚输出 13 分频信号，3 脚输
4、出 14 分频信号，图中的 R4 是反馈电阻，可使内部的非门电阻工作在线性放大区，C2 是微调电容，可改变振荡频率，以保证精确度。12 脚为复位功能，当为高电平 1 时，Q1Q14 输出为 0，R 为低电平 0 时，内部计数器对 9 脚的脉冲进行计数且右脉冲的下降沿进行翻转。从 3 脚输出的为 32768 的第 14 级二分频，即为2HZ，经 74LS74（D 触发器）再作二分频，从而得到秒脉冲（1H Z 信号） 。为止，图 2 秒信号发生电路2: “时 ”“分” “秒”计数器电路Q晶振32768HZC1+VDD +5V C23-20PR4+5V16 15 14 13 12 11 10 9 Q
5、10 Q8 Q9 R CP1 CP0 CP0Q12 Q13 Q14 Q6 Q5 Q7 Q4 VSS1 2 3 4 5 6 7 874LS741C 1/4 5 1D 67Q 1HZ74LS743计数器电路用来完成 60 秒 60 分及 24 小时的计数工作，且秒计数器的进位脉冲可以作为分计数器的输入脉冲，同理分计数器的进位脉冲可以作为小时计数器的输入脉冲，24 小时的输入脉冲可以作为一天的进位脉冲。 “秒” 、 “分” 、 “时”计数器电路采用双 BCD 同步加法计数器 CD4518，由图 2 得到的秒脉冲送图 3a 秒计数器，由此完成60 秒计数功能。由 74LS08 的 3 脚输出信号即为
6、60 秒的进位时脉冲。2 13图 3 a 秒计数器图中，Q A1、Q B1、Q C1、Q D1 为秒个位上十进制显示的二进制 BCD 码，QA1、Q B2、Q C2、Q D2 为秒十位上 6 进制 BCD 码，当十位要显示十进制 6 时即0110，Q B2、Q C2 位均为 1，利用此条件，经 74LS08（四二输入与门）内部与门输出为1 即高电平，给 15 脚，高电平使 CD4518 一组十位上的计数输出全部为 0 并向前输出一高电平，其他时候为低电平，此脉冲即为分脉冲的输入信号。CD4518 15 脚和 2 脚分别为清零端，当它为高电平时，Q DQ A=0 为低电平，执行计数功能，其脉冲输
7、入有2 个方式，从 2 脚 10 脚输入时，为下降沿计数，此时 9 脚 1 脚接低电平才有效，否则不能计数，计数脉冲信号从 9 脚 1 脚输入时，从脉冲的上升沿开始计数，此时，2 脚10 脚应高电平才有效，否则不能计数。分计数器与秒计数器完全相同。不同之处在于输出的脉冲不同，前者是 1HZ，这里是 1/60 HZ。图略。时计数器为 24 进制计数，基本电路与分秒计数器相同。不同的是找出 24 进制的复位脉冲即显示 24 时个位及十位共 8 个输出端全部清零。十位为 0010（显示 2）时，个位为 0100（显示 4）时全部清零即 00 点。选十位的 QB=1 和个位的 QC=1，通过与门74L
8、S08 给 CD4518 的 15 脚与 7 脚为高电平，使输出 QAQ D 全为 0 从而实现 24 进制，进位脉冲74LS0814 13 12 11 10 6 5 4 3162 15 7 9 1 8 CD4518VDDCP11HZ 脉冲十 位 个 位QD2 QC2 QB2 QA2 CP2 QD1 QC1 QB1 QA14此进位脉冲即为一天的计数脉冲，此设计中未使用。时计数器电路如图 4：图 4 时计数器3: 译码显示电路设计由计数器得到的 4 位二进制码的必须通过译码后转为人民习惯的数字显示。如12：54：30 的二进制码为 00010010：01010100：00110000。译码之后再
9、驱动 7 段数码管显示时、分、秒。译码电路及驱动电路由 74LS248 电路完成见图 5：图 574LS248 既作译码又是 LED 的驱动电路。13.12.11.10. 9. 15. 14 输出分别推动数码管的 a. b .c d .e. f. g. 字段。74LS248 的 7 、1、2、6 脚分别输出 4 位二进制 BCD 码。DP24 小时进位脉冲QD QC QB QA QD QC QB QA VD74LS0814 13 12 11 10 6 5 4 3 16215 7 1 9 81/3600脉冲QB1 QC1 QD1 QA1Yf Yg Ya Yb Yc Yd Yee d R c DP
10、 G f a b10 9 8 7 616 15 14 13 12 11 10 974LS2481 2 3 4 5 6 7 8g f a f b g e c d 1 2 3 4 5VCC +5v（共有 6 个相同的电路）5根据计数器的输出状态由 74LS248 译码后再驱动 LED 直观显示出来。LED 是共阴的。在 LED 的第 3 或 8 脚串接一个电阻。可以改变 LED 的亮度。4校时电路的设计当出现时间误差时，可利用秒脉冲来进行校对，具体方法是通过校时开关将秒脉冲直接输入到分计数器和时计数器。利用微动开关进行校对。如图 6 所示：891S2图 6 校时电路校对工作过程，校对时，将开关拨到
11、校对位置。此时秒计数器无脉冲输入停止计数。接下微动开关 S1 时。脉冲输入到 74LS32 的 10 脚。内部为二输入或门电路。 脚输入的是分脉冲，因秒计数器停止，分计数器也停止（不停也可以） ，分脉冲用秒脉冲替代。分计数器由 1 分计数脉冲变为 1 秒计数脉冲，加快了调整速度。同理，按下 S2 开关后，小时输入脉冲就以 1 秒脉冲代替，快速改变小时的显示，达到校时目的。当时间调到与标准时间相同时将开关拨到正常位置，计时又开始。5、报时电路设计当时间到点时，需要整点报时，报时的方式方法有很多。本电路采用播放音乐的方式。播放时间设计为 10 秒，采用多路输入与门 74LS30 来实现。当时间为
12、59 分 50 秒时，启动控制电路播放音乐。具体方法如下：59 分 50 秒时计数器给出 BCD 码为：十位 个位 十位 个位0105 1001 0101 00005 9 5 0RS123 秒脉冲进位校对正常进位脉冲74LS3274LS32时计数器 分计数器 秒计数器116即：Q D4 QC4 QB4 QA4=0101QD3 QC3 QB3 QA3=1001QD2 QC2 QB2 QA2=0101QD1 QC1 QB1 QA1=0000利用 BCD 码输出为 1 的逻辑与作为控制信号 CC=QC4QA4QD3QA3QC2QA2 来控制声音集成电路（报时专用）以及声音功放电路。电路见图 774L
13、S30 的 1、2、3、4、5、6 为输入端控制信号。经与非门从 8 脚输出，当输入的全为 1 时，8 的输出才为 0。经 Q1Q2 提供启动电流，使 Q1 Q2 导通，报时音乐集成块工作输出报时信号，同时，启动功放电路，将报时信号经放大从扬声器输出。74LS30 16VCC5V KQC4 1 QA4 2 Q1QD3 3 8 R1QA3 4 + 报时 功放QC2 5 Q2 QA2 6 R2 8图 7 报时电路三、制作与调试1、根据电路制作电路板采用 Protel 99 se 进行 PCB 设计，送印刷板工厂制作出线路板2、选取合格的元件进行安装3、 安装无误后，接通电源逐级调试。用通用计数器测
14、出振荡器输出频率，调节微调电容 C2 使振荡频率为 3276HZ 分别测出 CD4060 Q14Q 1 各分频频率，秒脉冲正常之后，将开关拨至校对位置，对分小时计数器进行检查。个位应是 09 变化。十位上数字应是 05 变化或 02 变化（小时计数器） 。然后将开关拨至计时（正常）位置。数字钟应走时正常在校时过程中也应该有整点的报时音乐。如果没有检查 74LS30 没输出电路。7四： 结论：数字钟的设计涉及到模拟电子与数字电子技术。其中绝大部分是数字部分、逻辑门电路、数字逻辑表达式、计算真值表与逻辑函数间的关系、编码器、译码器显示等基本原理。数字钟是典型的时序逻辑电路，包含了计数器，二进制数，六进制数，六十进制，二十四进制，十进制数的概念。数字钟的设计与制作可以加深对数字电路的了解，通过这次设计与制作，为数字电路的制作提供思路和方法。参考文献：脉冲与数字电路基础 王明臣 编著 科学技术文献出社数字电路逻辑设计 李大友 主编 清华大学出版社电子技术基础 张龙兴 主编 高等教育出版社
