多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)

一、數(shù)字鐘的功能要求基本功能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間小時(shí)的計(jì)時(shí)要求為“12翻1”，分和秒的計(jì)時(shí)要求為60進(jìn)位校正時(shí)間擴(kuò)展功能定時(shí)控制仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)1二、數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和擴(kuò)展電路兩大部分所組成

振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定的高頻脈沖信號(hào)，作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn)，再經(jīng)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖秒計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位分計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位小時(shí)計(jì)數(shù)器按照“12翻1”規(guī)律計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器

計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)可以用校時(shí)電路進(jìn)行校時(shí)、校分、校秒擴(kuò)展電路必須在主體電路正常運(yùn)行的情況下才能進(jìn)行功能擴(kuò)展2三、主體電路的設(shè)計(jì)與裝調(diào)主體電路是由功能部件或單元電路組成的。在設(shè)計(jì)這些電路或選擇部件時(shí)，盡量選用同類型的器件，如所有功能部件都采用集成電路或都采用集成電路。整個(gè)系統(tǒng)所用的器件種類應(yīng)盡可能少。下面介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計(jì)。31.振蕩器的設(shè)計(jì)振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。

如圖所示為電子手表集成電路（如5C702）中的晶體振蕩器電路，常取晶振的頻率為32768Hz，因其內(nèi)部有15級(jí)2分頻集成電路，所以輸出端正好可得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖

41.振蕩器的設(shè)計(jì)

如果精度要求不高也可以采用第二章介紹的由集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。這里設(shè)振蕩頻率fo=103Hz

52.分頻器的設(shè)計(jì)分頻器的功能主要有兩個(gè)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，如仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1的高音頻信號(hào)和500的低音頻信號(hào)等選用3片中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器7490可以完成上述功能因每片為1/10分頻，3片級(jí)聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號(hào)即第1片的Q0端輸出頻率為500，第2片的Q3端輸出為10，第3片的Q3端輸出為163.時(shí)分秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)分和秒計(jì)數(shù)器都是模60的計(jì)數(shù)器其計(jì)數(shù)規(guī)律為00—01—…—58—59—00…選7492作十位計(jì)數(shù)器，7490作個(gè)位計(jì)數(shù)器，再將它們級(jí)聯(lián)組成模數(shù)60的計(jì)數(shù)器時(shí)計(jì)數(shù)器是一個(gè)“12翻1”的特殊進(jìn)制計(jì)數(shù)器即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到12時(shí)59分59秒時(shí)，秒的個(gè)位計(jì)數(shù)器再輸入一個(gè)秒脈沖時(shí)，數(shù)字鐘應(yīng)自動(dòng)顯示為01時(shí)00分00秒，實(shí)現(xiàn)日常生活中習(xí)慣用的計(jì)時(shí)規(guī)律選用74191和7474，其電路見本章第三節(jié)74.校時(shí)電路的設(shè)計(jì)當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間（或稱校時(shí)）校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。一般電子手表都具有時(shí)、分、秒等校時(shí)功能為使電路簡單，這里只進(jìn)行分和小時(shí)的校時(shí)對校時(shí)電路的要求是在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)校時(shí)方式有“快校時(shí)”和“慢校時(shí)”兩種“快校時(shí)”是，通過開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對1的校時(shí)脈沖計(jì)數(shù)“慢校時(shí)”是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作校時(shí)脈沖S1為?！胺帧庇玫目刂崎_關(guān)S2為?！皶r(shí)”用的控制開關(guān)校時(shí)脈沖采用分頻器輸出的1脈沖當(dāng)S1或S2分別為“0”時(shí)可進(jìn)行“快校時(shí)”如果校時(shí)脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器（見第二章第四、五節(jié)）提供，則可以進(jìn)行“慢校時(shí)”需要注意的是，校時(shí)電路是由與非門構(gòu)成的組合邏輯電路，開關(guān)S1或S2為“0”或“1”時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，接電容C1、C2可以緩解抖動(dòng)。必要時(shí)還應(yīng)將其改為去抖動(dòng)開關(guān)電路（見第二章第三節(jié)）85.主體電路的裝調(diào)由數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖按照信號(hào)的流向分級(jí)安裝，逐級(jí)級(jí)聯(lián)，這里的每一級(jí)是指組成數(shù)字鐘的各功能電路級(jí)聯(lián)時(shí)如果出現(xiàn)時(shí)序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，可以增加多級(jí)邏輯門來延時(shí)如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端加退耦濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01F的小電容相并聯(lián)經(jīng)過聯(lián)調(diào)并糾正設(shè)計(jì)方案中的錯(cuò)誤和不足之處后，再測試電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計(jì)要求。最后畫出滿足設(shè)計(jì)要求的總體邏輯電路圖，如圖所示如果因?qū)嶒?yàn)器材有限，則其中秒計(jì)數(shù)器的個(gè)位和時(shí)計(jì)數(shù)器的十位可以采用發(fā)光二極管指示，因而可以省去2片譯碼器和2片數(shù)碼顯示器除了振蕩和譯碼顯示部分外，其它各功能都可以用16V8來實(shí)現(xiàn)。9四、功能擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì)

仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)

報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì)

觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì)定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì)仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì)觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì)101.定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì)數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧時(shí)”；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。

不管是鬧時(shí)還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號(hào)的開始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。例要求上午7時(shí)59分發(fā)出鬧時(shí)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為1分鐘。

解7時(shí)59分對應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)H1=0111，分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M2=0101，分個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M1=1001。若將上述計(jì)數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點(diǎn)59分響，持續(xù)1分鐘后（即8點(diǎn)時(shí)）停響。111.定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì)所以鬧時(shí)控制信號(hào)Z的表達(dá)式為

式中，M為上午的信號(hào)輸出，要求M=1

如果用與非門實(shí)現(xiàn)上式所表示的邏輯功能，則可以將Z進(jìn)行布爾代數(shù)變換，即

實(shí)現(xiàn)上式的邏輯電路如圖所示，其中74LS20為4輸入二與非門，74LS03為集電極開路（OC門）的2輸入四與非門

因OC門的輸出端可以進(jìn)行“線與”，使用時(shí)在它們的輸出端與電源+5V端之間應(yīng)接一電阻RL，RL的值可由式(2-3-8)、(2-3-9)計(jì)算，取RL=3.3k

。如果控制1kHz高音和驅(qū)動(dòng)音響電路的兩級(jí)與非門也采用OC門，則RL的值應(yīng)重新計(jì)算

由圖可見上午7點(diǎn)59分時(shí),音響電路的晶體管導(dǎo)通,則揚(yáng)聲器發(fā)出1的聲音。持續(xù)1分鐘到8點(diǎn)整晶體管因輸入端為“0”而截止,電路停鬧。122.仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的功能要求是：

每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快要到正點(diǎn)時(shí)發(fā)出聲響;

通常按照4低音1高音的順序發(fā)出間斷聲響;

以最后一聲高音結(jié)束的時(shí)刻為正點(diǎn)時(shí)刻。表5.5.2

秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)CP(秒)Q3S1Q2S1Q1S1Q0S1功能500000

510001鳴低音520010停530011鳴低音540100停550101鳴低音560110停570111鳴低音581000停591001鳴高音000000停設(shè)4聲低音（約500）分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一聲高音（約1）發(fā)生在59分59秒，它們的持續(xù)時(shí)間均為1秒。由表可得132.仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)只有當(dāng)

分十位的Q2M2Q0M2=11

分個(gè)位的Q3M1Q0M1=11

秒十位的Q2S2Q0S2=11秒個(gè)位的Q0S1=1時(shí)

音響電路才能工作

這里采用的都是與非門，如果用其它器件，則報(bào)時(shí)電路還會(huì)簡單一些。143.報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì)報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的功能是：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)到整點(diǎn)時(shí)發(fā)出音響，且?guī)c(diǎn)響幾聲。實(shí)現(xiàn)這一功能的電路主要由以下幾部分組成：減法計(jì)數(shù)器完成幾點(diǎn)響幾聲的功能。即從小時(shí)計(jì)數(shù)器的整點(diǎn)開始進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，直到零為止。編碼器將小時(shí)計(jì)數(shù)器的5個(gè)輸出端Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照“12翻1”的編碼要求轉(zhuǎn)換為減法計(jì)數(shù)器的4個(gè)輸入端D3、D2、D1、D0所需的碼。邏輯控制電路控制減法計(jì)數(shù)器的清“0”與置數(shù)?？刂埔繇戨娐返妮斎胄盘?hào)。153.報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路減法計(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)器選用74191，各控制端的作用如下:為置數(shù)端。當(dāng)

=0時(shí)將小時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)數(shù)

據(jù)輸入端D0D1D2D3的數(shù)據(jù)置入。為溢出負(fù)脈沖輸出端。當(dāng)減計(jì)數(shù)到“0”時(shí)，

輸出一個(gè)負(fù)脈沖。

為加/減控制器。

=1時(shí)減法計(jì)數(shù)。

為減法計(jì)數(shù)脈沖，兼作音響電路的控制脈沖。163.報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路編碼器分進(jìn)位脈沖小時(shí)計(jì)數(shù)器輸出減法計(jì)數(shù)器輸入Q4Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0100001000120001000103000110011400100010050010101016001100110700111011180100010009010011001101000010101110001101112100101100編碼器是由與非門實(shí)現(xiàn)的組合邏輯電路，其輸出端的邏輯表達(dá)式由5變量的卡諾圖可得：D1的邏輯表達(dá)式

如果用與非門實(shí)現(xiàn)上式，則

D2的邏輯表達(dá)式

D0、D3的邏輯表達(dá)式分別為

173.報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路邏輯控制電路邏輯控制電路由D觸發(fā)器7474與多級(jí)與非門組成接通電源后按觸發(fā)開關(guān)S，使D觸發(fā)器清“0”，即1Q=0。該清“0”脈沖有兩個(gè)作用其一，使74LS191的置數(shù)端，即將此時(shí)對應(yīng)的小時(shí)計(jì)數(shù)器輸出的整點(diǎn)時(shí)數(shù)置入74LS191；

其二，封鎖1kHz的音頻信號(hào)，使音響電路無輸入脈沖。

當(dāng)分十位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖Q2M2的下降沿來到時(shí)，經(jīng)G1反相，小時(shí)計(jì)數(shù)器加1。新的小時(shí)數(shù)置入74LS191。

Q2M2的下降沿同時(shí)又使74LS74的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，1Q經(jīng)G3、G4延時(shí)后使此時(shí)74LS191進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖由CP0提供。

CP0=1時(shí)音響電路發(fā)出1kHz聲音，CP0=0時(shí)停響。當(dāng)減法計(jì)數(shù)到0時(shí)，使D觸發(fā)器的1CP=0，但觸發(fā)器狀態(tài)不變。當(dāng)

時(shí)，因O2M2仍為0，CP=1，使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)復(fù)“0”，74LS191又回到置數(shù)狀態(tài)，直到下一個(gè)Q2M2的下降沿來到如果出現(xiàn)某些整點(diǎn)數(shù)不準(zhǔn)確，其主要原因是邏輯控制電路中的與非門延時(shí)時(shí)間不夠，產(chǎn)生了競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象，可以適當(dāng)增加與非門的級(jí)數(shù)或接入小電容進(jìn)行濾波。184.觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì)在有些場合（如夜間），不便于直接看顯示時(shí)間，希望數(shù)字鐘有觸摸報(bào)時(shí)功能。即觸摸數(shù)字鐘的某端，能夠報(bào)當(dāng)時(shí)的整點(diǎn)時(shí)數(shù)。根據(jù)功能要求，不難設(shè)想在圖5.5.8所示電路的基礎(chǔ)上，增加一觸發(fā)脈沖控制電路，或?qū)D5.5.8所示的電路的自動(dòng)報(bào)時(shí)改為觸摸報(bào)時(shí)電路即可。產(chǎn)生觸摸控制脈沖的電路有單次脈沖產(chǎn)生器，555集成電路定時(shí)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等，這些電路已在第二章中介紹過。19五、設(shè)計(jì)任務(wù)給定的主要器件74004片，74902片，7403（）2片，74922片，74042片，74932片，74202片，741912片，74484片，發(fā)光二極管4只，74742片，數(shù)碼顯示器2024只，5552片?？删幊踢壿嬈骷?6V83片。功能要求基本功能以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間，為節(jié)省器件，其中秒的個(gè)位和小時(shí)的十位均用發(fā)光二極管指示，燈亮為“1”，燈滅為“0”。小時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)要求為“12翻1”，但不要直接采用圖5.5.5所示的電路，應(yīng)采用其它方案設(shè)計(jì)“12翻1”電路。要求手動(dòng)快校時(shí)、快校分或慢校時(shí)、慢校分。擴(kuò)展功能（其電路盡可能不與前述電路相同）定時(shí)控制，其時(shí)間自定；仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)，觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)或自動(dòng)報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)。任務(wù)：1000振蕩和分頻出1信號(hào)。20五、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)步驟與要求①擬定數(shù)字鐘電路的組成框圖，要求電路的基本功能與擴(kuò)展功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，使用的器件少，成本低；②設(shè)計(jì)并安裝各單元電路，要求布線整齊、美觀，便于級(jí)聯(lián)與調(diào)試；③測試數(shù)字鐘系統(tǒng)的邏輯功能，同時(shí)滿足基本功能與擴(kuò)展功能的要求；④畫出數(shù)字鐘系統(tǒng)的整機(jī)邏輯電路圖；⑤寫出設(shè)計(jì)性