基于計數(shù)器的數(shù)字電子鐘的設(shè)計

摘要：本設(shè)計是一個基于計數(shù)器的數(shù)字電子鐘裝置。該裝置電路的主要組成部分是555定時器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器、校時電路。譯碼代替機(jī)械式傳動。用LED顯示器代替指針顯示進(jìn)而顯示時間，減小了計時誤差。這種表具有時、分、秒星示時間的功能，還可以進(jìn)行時和分的校準(zhǔn)，片選的靈活性好。這種用數(shù)字電路實現(xiàn)的電子鐘與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性。
關(guān)鍵詞：555定時器；分頻器；計數(shù)器；譯碼器；顯示器

0 引言
    數(shù)字式電子鐘集成電路大都是由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、LED顯示器組成。譯碼代替機(jī)械式傳動，用LED顯示器代替指針顯示進(jìn)而顯示時間，減小了計時誤差。
    本設(shè)計就是研究用數(shù)字電路實現(xiàn)的數(shù)字電子鐘，整體的電路設(shè)計就是由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、LED顯示器、校時電路組成。這種用數(shù)字電路實現(xiàn)的電子鐘與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且使用壽命更長。

1 數(shù)字電子鐘的整體設(shè)計
    數(shù)字電子鐘的基本組成有555定時器和RC構(gòu)成的多諧振蕩器、分頻器、“時”、“分”、“秒”對應(yīng)的計數(shù)器、譯碼顯示器、校時電路，其構(gòu)成框圖如圖1所示。

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2 單元電路的設(shè)計
    振蕩器是數(shù)字電子鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的準(zhǔn)確度決定了數(shù)字電子鐘的準(zhǔn)確程度。通常選用晶振來構(gòu)成振蕩器電路。本文采用555構(gòu)成的多諧振蕩器。它是一種無穩(wěn)態(tài)電路，在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號，電路狀態(tài)能夠自動地不斷變換，產(chǎn)生矩形波的輸出。該電路存在兩個暫穩(wěn)態(tài)。電容C1在(1／3)VCC和(2／3)VCC之間充電和放電。第一個暫態(tài)是：當(dāng)電源剛接通時，電源電壓通過R1、R2對C1充電，充電時間為T1=(R1+R2)*C1；第二個暫態(tài)為是，電容C1通過電阻R2和放電管放電，放電時間為T2=R2*C1。所以該電路的振蕩周期為T=0．7(R1+2*R2)*C1，頻率F=1／T。我們可以通過改變R1、R2和C1的值得到所需的頻率。該電路如圖2所示。

    數(shù)字電子鐘的時基信號是1 Hz，由555定時器產(chǎn)生的1 kHz的信號必須經(jīng)過分頻器才能獲得1Hz的信號。分頻器實際也是計數(shù)器，本設(shè)計中所用的分菝器有兩個功能：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)1Hz的脈沖信號；二是提供校正電路的校正信號。因為74LS90是二-五-十進(jìn)制計數(shù)器，所以采用三片計數(shù)器級聯(lián)就可以實現(xiàn)上述功能，即三片級聯(lián)可以獲得所需的頻率信號。電路圖如圖3所示。

    數(shù)字電子鐘需要兩個60進(jìn)釗計數(shù)器分別作為“分”、“秒”計數(shù)器，還需要一個24進(jìn)制計數(shù)器作“小時”計數(shù)器。60進(jìn)制計數(shù)器采用一片74LS90和一片74LS161級聯(lián)實現(xiàn)。74LS161用作“秒計數(shù)器”個位，所以將其設(shè)計成十進(jìn)制計數(shù)器，這里用反饋預(yù)置法實現(xiàn)。即當(dāng)計數(shù)器計到1001時，將74LS161的QA端和QD端，分別接至一個與非門的輸入端，將與非門的輸出端送至預(yù)置端LD，這樣就可實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)。“秒計數(shù)器”的十位用74LS90實現(xiàn)，所以將其設(shè)計成六進(jìn)制的計數(shù)器，用反饋清零法實現(xiàn)。即當(dāng)計數(shù)器計到0110時，將74LS90的QB端和QC端，分別接至一個與門的輸入端，將與門的輸出端送至清零端R01和R02，由此實現(xiàn)六進(jìn)制計數(shù)功能。其電路圖如圖4所示。

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    本設(shè)計中24進(jìn)制計數(shù)器是用兩片74LS90級聯(lián)實現(xiàn)。先將兩片74LS90設(shè)置成十進(jìn)制計數(shù)器，將它們級聯(lián)，然后用反饋歸零法實現(xiàn)24進(jìn)翩計數(shù)。
    譯碼是把給定的代碼進(jìn)行翻譯，本設(shè)計將時、分、秒計數(shù)器輸出的8421BCD碼翻譯為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，并通過顯示器顯示。通常顯示器與譯碼器是配套使用的。我們選用的七段譯碼驅(qū)動器74LS48和共陰極數(shù)碼管。
    在計時開始時，必須和標(biāo)準(zhǔn)時間校準(zhǔn)，這一功能由校時電路完成。該電路實現(xiàn)對時、分的校準(zhǔn)。校時的原理是：給被校的計時電路引入一個超出常規(guī)計時許多倍的快速脈沖信號，從而使計時電路快速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時間。

3 數(shù)字電子鐘的仿真
    (1)多諧振蕩電路的仿真
    該電路部分由555定時器和RC組成。仿真時用示波器觀察555定時器的輸出，并調(diào)整電路中的可變電阻的參數(shù)以獲得1 kHz的矩形脈沖波。
    (2)計數(shù)、顯示電路的仿真
    該部分是由兩個60進(jìn)制計數(shù)器，一個24進(jìn)制計數(shù)器，譯碼器，顯示器組成。按設(shè)計原理連接電路并進(jìn)行仿真。給60進(jìn)制計數(shù)器一個1 Hz的脈沖。觀察數(shù)碼管的顯示，看計數(shù)器是否正常計時，并且當(dāng)秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器進(jìn)位。分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)器進(jìn)位。
    (3)校時電路的仿真
    當(dāng)計數(shù)器開始工作時，如果電路顯示和標(biāo)準(zhǔn)時間不一致時，需要進(jìn)行調(diào)時。本設(shè)計中用兩個開關(guān)，分別用來進(jìn)行小時和分的校時。當(dāng)開關(guān)打開時，電路正常工作；當(dāng)開關(guān)閉合時，進(jìn)行校時。校時的頻率我們設(shè)定為1Hz。

4 數(shù)字電子鐘調(diào)試電路板
    本系統(tǒng)是基于振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、LED顯示器、校時電路組成。實體圖如圖5所示。

5 結(jié)論
    本設(shè)計是純數(shù)字電路的電子鐘裝置。由555定時器產(chǎn)生1kHz的信號，經(jīng)分頻器后獲得1Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號，這個信號直接決定了電子鐘的走時是否準(zhǔn)確。秒計數(shù)器、分計數(shù)器都是由74LS90和74LS161設(shè)計的60進(jìn)制計敷器。小時計數(shù)器是由74LS90設(shè)計的24進(jìn)制計數(shù)器。因為計數(shù)初始時間和標(biāo)準(zhǔn)時間不一致，所以電路中還設(shè)計有校時電路。本設(shè)計還可以附加擴(kuò)展電路，比如報時電路、顯示日期。