数字电子钟的设计

    0　引　言

    随着科学技术的不断发展,人们对时间计量的精度要求越来越高。高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器,由于电子钟、石晶表、石英钟都采用了石英技术,因此走时精度高,稳定性好,使用方便,不需要经常调校,数字式电子钟用集成电路计时时,译码代替机械式传动,用LED显示器代替指针显示进而显示时间,减小了计时误差,这种表具有时、分、秒、显示时间的功能,还可以进行时和分的校对。片选的灵活性好。

    系统的工作原理:振荡器产生稳定的分频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60分向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别由译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用较时电路较时、校分。

    1　设计要求

    (1)掌握电子钟的设计,组装与调试方法。

    (2)熟悉CMOS系列中、小规模集成电路的使用。

    2　设计内容

    (1)设计一个具有“秒”、“分”“时”显示的电子钟(23小时50分59秒)

    (2)具有校时功能,分别对“分”、“时”进行校对。

    3　设计方案

    数字电子钟逻辑框图如图1所示。它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码显示器和校时电路组成。

    4　单元电路设计、原理及器件选择

    4·1　石英晶体振荡器

    石英晶体振荡器的特点是频率准确,电路结构简单,频率易调整。

    石英晶体振荡电路如图2所示,采用反相器等元件构成。利用一个与非门自我反馈,使它工作在线性状态;然后利用石英晶体JU来控制振荡频率,电阻为反馈元件,电容C防止寄生振荡,在输出端得到较稳定的32768Hz脉冲信号。

    4·2　分频器

    由于石英晶体振荡器产生较高的32768Hz的频率,而电子钟需要秒脉冲,可采用分频电路实现,具体电路如图3所示。先经过3次十六分频,再经过1次八分频,最后得到秒脉冲信号。

    这里采用两片集成电路计数器4520作为分频器,每片集成了两组4位二进制计数器,分为1/16分频器,进行级联则得到8Hz的脉冲信号,再将第二片的另一组进行1/8分频,最后输出1Hz的秒脉冲给计数电路。

    4·3　计数电路

    因为电子钟由秒、分、时组成。分别为60进制和24进制。

    采用一片4520接成60进制, 4520的第一组4位二进制接成秒的个位,另一组接成秒的十位,“分”也为60进制,“时”为24进制。这两种进制的次序和二进制完全相同,只是模数不是2的整幂。采用反馈置零法清零,先按二进制计数器串联起来构成计数器,当计数状态达到所需的脉冲模值后,经过电路译码、反馈、产生复位脉冲将计数器清零,然后重新开始进行下一个循环。

    (1) 60进制计数器。电路如图4所示。4520的第一组4位二进制构成10进制,第二组4位二进制构成6进制,因为二组都为16进制,而4520具有异步清零的功能。在第一组的4位二进制加法计数器中,当第十个脉冲来到时,此时它的四级触发器状态为“1010”,这时QDQB均为高电平。因为4520的清零端为高电平清零,所以QDQB经过2输入的与非门连接后输出给后一级反向器接到清零CR端,使第一组为10进制,第二组为6进制,当第一组清零的同时给第二组的加法计数器的CP端进行计数,而第一组的第6个脉冲进位到来时,此时第二组的触发器状态为“0110”,这时QBQC均为高电平“1”,将它们经过二组输入与非门后,再经过一级反向器,送到计数器的清零端,在清零的同时,给上一级进位,从而利用了4520的异步清零的功能接成了60进制计数器。

    (2) 24进制计数器。24进制计数器由4520和4510组成。当“时”个位计数器4510复零,进位输出端向“时”十位计数输出进位信号,当第24个脉冲来自“分”时计数器时位脉冲信号,到达时“时”个位计数器状态为“0100”,“时”十位计数器状态为“0010”即时的个位,计数器的输出QC和“时”十位计数的输出端QB均为高电平“1”。经过与非门、再经过一级反向器,送到4510和4520的清零CR端,计数器复位清零。电路如图5所示。

    4·4　译码与显示电路

    译码是把给定的代码进行翻译,将时、分、秒计数器输出的四位二进制代码翻译为相应的十进制数,并通过LED显示器显示,通常LED显示器与译码器是配套使用的。我们选用的七段译码驱动器(74LS47)和数码管(LED)是共阳接法。LED显示器的3、8管脚接一起,限流电阻为200Ω和+5V联接。实际使用时a、b、c、d、e、f、g各段都应该接一个限流电阻,在图中略画出来。译码显示电路如图6所示。

    4·5　校时电路

    当电子钟接通电源或者计时发现误差时,均需要校正时间。校时电路分别实现对时、分的校准。由于每个机械开关具有抖动现象,因此用RS触发器作为去抖电路。采用RS基本触发器及单刀双掷开关,闸刀常闭于2点,每搬动一次产生一个计数脉冲,实现校时功能。电路如图7所示。

示波器检测石英晶振的输出信号波形和频率,输出频率应为32768Hz。

    (2)将32768Hz信号送入分频器,用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合要求。

    (3)将1Hz秒脉冲分别送入时、分、秒计数器,检查各组计数器的工作情况。

    (4)观察校时电路的功能是否满足要求。

    (5)当分频器和计数器调试正常后,观察电子钟是否准确、正常地工作。

    4·7　系统操作方法

    系统上电后, LED数码管显示累加的秒脉冲,秒显示每累加到59后回零向分进1,分计数器也为60进制,进行正常计数。需进行校时时,只需把校时按钮开关搬到校时位置即可。用手动开关加单次脉冲进行调整,调整之后,把校时开关还原即可。

    4·8　误差分析

    由测试可知,系统在运行时有一定的误差,其原因是晶体振荡的特点所决定的,同时与芯片的内部结构有关。有时会出现跳字现象,解决这些误差的方法是提高石英晶体振荡器的稳定性及使用精度较高的电容等。

    4·9　元器件选择

    (1)十进制加法计数器　CB4510BE;

    (2)四位二进制计数器　HEF4520BP;

    (3)晶体振荡器　32768Hz;

    (4)反相器　CC4049;

    (5)与非门　CC4011;

    (6) BCD七段译码器　74LS47;

    (7)共阳数码管　LED;

    (8)电阻、电容若干;

    (9)单刀双掷开关;

    (10)连接导线。

    5　绘制整机原理图

    根据方案3的框图和设计部分原理图,绘制出整机原理图。

    综上所述,该系统的设计、安装、调试工作全部完成。设计所选择的器件不是唯一的,这次采用的是CMOS系列器件设计。还可全部选择74LS系列器件设计,已设计出完整的电路。

    参考文献:

    [ 1 ]　康华先.电子技术基础(数字部分)第四版[M].北京:高等教育出版社, 2000. 213-224.

    [ 2 ]　集成电路手册分编委会编.中外集成电路简明速查手册, TTL、CMOS电路[M].北京:电子工业出版社, 1997.

    本文作者：赵淑范