A. 數字鍾的設計
數字電子鍾的設計
一、 緒論
（一）引言
20世紀末，電子技術獲得了飛速的發展，在其推動下，現代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的發展和社會信息化程度的提高，同時也使現代電子產品性能進一步提高，產品更新換代的節奏也越來越快。
時間對人們來說總是那麼寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當前的時間。忘記了要做的事情，當事情不是很重要的時候，這種遺忘無傷大雅。但是，一旦重要事情，一時的耽誤可能釀成大禍。例如，許多火災都是由於人們一時忘記了關閉煤氣或是忘記充電時間。尤其在醫院，每次護士都會給病人作皮試，測試病人是否對葯物過敏。注射後，一般等待5分鍾，一旦超時，所作的皮試試驗就會無效。手錶當然是一個好的選擇，但是，隨著接受皮試的人數增加，到底是哪個人的皮試到時間卻難以判斷。所以，要製作一個定時系統。隨時提醒這些容易忘記時間的人。
鍾表的數字化給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鍾表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、定時啟閉電路、定時開關烘箱、通斷動力設備，甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鍾表數字化為基礎的。因此，研究數字鍾及擴大其應用，有著非常現實的意義。
（二）論文的研究內容和結構安排
本系統採用石英晶體振盪器、分頻器、計數器、顯示器和校時電路組成。由LED數碼管來顯示解碼器所輸出的信號。採用了74LS系列中小規模集成晶元。使用了RS觸發器的校時電路。總體方案設計由主體電路和擴展電路兩大部分組成。其中主體電路完成數字鍾的基本功能,擴展電路完成數字鍾的擴展功能。論文安排如下：
1、緒論 闡述研究電子鍾所具有的現實意義。
2、設計內容及設計方案 論述電子鍾的具體設計方案及設計要求。
3、單元電路設計、原理及器件選擇 說明電子鍾的設計原理以及器件的選擇，主要從石英晶體振盪器、分頻器、計數器、顯示器和校時電路五個方面進行說明。
4、繪制整機原理圖 該系統的設計、安裝、調試工作全部完成。
二、設計內容及設計方案
（一）設計內容要求
1、設計一個有「時」、「分」、「秒」（23小時59分59秒）顯示且有校時功能的電子鍾。
2、用中小規模集成電路組成電子鍾，並在實驗箱上進行組裝、調試。
3、畫出框圖和邏輯電路圖。
4 、功能擴展：
(1)鬧鍾系統
(2)整點報時。在59分51秒、53秒、55秒、57秒輸出750Hz音頻信號，在59分59秒時，輸出1000Hz信號，音像持續1秒，在1000Hz音像結束時刻為整點。
(3)日歷系統。
（二）設計方案及工作原理
數字電子鍾的邏輯框圖如圖1所示。它由石英晶體振盪器、分頻器、計數器、解碼器顯示器和校時電路組成。振盪器產生穩定的高頻脈沖信號,作為數字鍾的時間基準,然後經過分頻器輸出標准秒脈沖。秒計數器滿60後向分計數器進位,分計數器滿60後向小時計數器進位,小時計數器按照「24翻1」規律計數。計數器的輸出分別經解碼器送顯示器顯示。計時出現誤差時,可以用校時電路校時、校分。
圖1 數字電子鍾邏輯框圖
三、單元電路設計、原理及器件選擇
（一）石英晶體振盪器
1、重要概念的解釋
(1) 反饋：將放大電路輸出量的一部分或全部，通過一定的方式送回放大電路的輸入端。
(2) 耦合：是指信號由第一級向第二級傳遞的過程。
2、石英晶體振盪器的具體工作原理
石英晶體振盪器的特點是振盪頻率准確、電路結構簡單、頻率易調整。它被廣泛應用於彩電、計算機、遙控器等各類振盪電路中。它還具有壓電效應：在晶體某一方向加一電場，晶體就會產生機械變形；反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現象稱為壓電效應。在這里，我們在晶體某一方向加一電場，從而在與此垂直的方向產生機械振動，有了機械振動，就會在相應的垂直面上產生電場，從而使機械振動和電場互為因果，這種循環過程一直持續到晶體的機械強度限制時，才達到最後穩定，這種壓電諧振的頻率即為晶體振盪器的固有頻率。
用反相器與石英晶體構成的振盪電路如圖2所示。利用兩個非門G1和G2 自我反饋，使它們工作在線性狀態，然後利用石英晶體JU來控制振盪頻率，同時用電容C1來作為兩個非門之間的耦合，兩個非門輸入和輸出之間並接的電阻R1和R2作為負反饋元件用，由於反饋電阻很小，可以近似認為非門的輸出輸入壓降相等。電容C2是為了防止寄生振盪。例如：電路中的石英晶體振盪頻率是4MHz時，則電路的輸出頻率為4MHz。
圖2 石英晶體振盪電路
(二)分頻器
1、8421碼制,5421碼制
用四位二進制碼的十六種組合作為代碼，取其中十種組合來表示0-9這十個數字元號。通常，把用四位二進制數碼來表示一位十進制數稱為二-十進制編碼，也叫做BCD碼，見表1。
表1
8421碼 5421碼
0 0000 0000
1 0001 0001
2 0010 0010
3 0011 0011
4 0100 0100
5 0101 1000
6 0110 1001
7 0111 1010
8 1000 1011
9 1001 1100
2、分頻器的具體工作原理
由於石英晶體振盪器產生的頻率很高，要得到秒脈沖，需要用分頻電路。例如，振盪器輸出4MHz信號，通過D觸發器（74LS74）進行4分頻變成1MHz,然後送到10分頻計數器（74LS90,該計數器可以用8421碼制，也可以用5421碼制），經過6次10分頻而獲得1Hz方波信號作為秒脈沖信號。（見圖3）
圖3 分頻電路
3、圖中標志的含義
CP——輸入的脈沖信號
C0——進位信號
Q——輸出的脈沖信號
(三)計數器
秒脈沖信號經過6級計數器，分別得到「秒」個位、十位，「分」個位、十位以及「時」個位、十位的計時。「秒」、「分」計數器為60進制，小時為24進制。
1、60進制計數器
(1) 計數器按觸發方式分類
計數器是一種累計時鍾脈沖數的邏輯部件。計數器不僅用於時鍾脈沖計數，還用於定時、分頻、產生節拍脈沖以及數字運算等。計數器是應用最廣泛的邏輯部件之一。按觸發方式，把計數器分成同步計數器和非同步計數器兩種。對於同步計數器，輸入時鍾脈沖時觸發器的翻轉是同時進行的，而非同步計數器中的觸發器的翻轉則不是同時。
(2)60進制計數器的工作原理
「秒」計數器電路與「分」計數器電路都是60進制，它由一級10進制計數器和一級6進制計數器連接構成，如圖4所示，採用兩片中規模集成電路74LS90串接起來構成的「秒」、「分」計數器。
圖4 60進制計數電路
IC1是十進制計數器，QD1作為十進制的進位信號，74LS90計數器是十進制非同步計數器，用反饋歸零方法實現十進制計數，IC2和與非門組成六進制計數。74LS90是在CP信號的下降沿翻轉計數，Q A1和 Q C2相與0101的下降沿，作為「分」（「時」）計數器的輸入信號，通過與非門和非門對下一級計數器送出一個高電平1（在此之前輸出的一直是低電平0）。Q B2 和Q C2計數到0110，產生的高電平1分別送到計數器的清零R0(1)， R0(2)，74LS90內部的R0(1)和R0(2)與非後清零而使計數器歸零，此時傳給下一級計數器的輸入信號又變為低電平0，從而給下一級計數器提供了一個下降沿，使下一級計數器翻轉計數，在這里IC2完成了六進制計數。由此可見IC1和 IC2串聯實現了六十進制計數。
其中：74LS90——可二/五分頻十進制計數器
74LS04——非門
74LS00——二輸入與非門
2、24進制計數器
小時計數電路是由IC5和IC6組成的24進制計數電路，如圖5所示。
當「時」個位IC5計數輸入端CP5來到第10個觸發信號時，IC5計數器自動清零，進位端QD5向IC6「時」十位計數器輸出進位信號，當第24個「時」(來自「分」計數器輸出的進位信號)脈沖到達時，IC5計數器的狀態為「0100」，IC6計數器的狀態為「0010」，此時「時」個位計數器的QC5和「時」十位計數器的QB6輸出為「1」。把它們分別送到IC5和IC6計數器的清零端R0(1)和R0(2)，通過7490內部的R0(1)和R0(2)與非後清零，從而完成24進制計數。
圖5 24進制計數電路
(四) 解碼與顯示電路
1、顯示器原理（數碼管）
數碼管是數碼顯示器的俗稱。常用的數碼顯示器有半導體數碼管，熒光數碼管，輝光數碼管和液晶顯示器等。
本設計所選用的是半導體數碼管，是用發光二極體（簡稱LED）組成的字形來顯示數字，七個條形發光二極體排列成七段組合字形，便構成了半導體數碼管。半導體數碼管有共陽極和共陰極兩種類型。共陽極數碼管的七個發光二極體的陽極接在一起，而七個陰極則是獨立的。共陰極數碼管與共陽極數碼管相反，七個發光二極體的陰極接在一起，而陽極是獨立的。
當共陽極數碼管的某一陰極接低電平時，相應的二極體發光，可根據字形使某幾段二極體發光，所以共陽極數碼管需要輸出低電平有效的解碼器去驅動。共陰極數碼管則需輸出高電平有效的解碼器去驅動。
2、解碼器原理（74LS47）
解碼為編碼的逆過程。它將編碼時賦予代碼的含義「翻譯」過來。實現解碼的邏輯電路成為解碼器。解碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應關系。74LS47是輸出低電平有效的七段字形解碼器，它在這里與數碼管配合使用，表2列出了74LS47的真值表，表示出了它與數碼管之間的關系。
表2
輸 入 輸 出 顯示數字元號
LT(——) RBI(——-) A3 A2 A1 A0 BI(—)/RBO(———)
a(—) b(—) c(—) d(—) e(—) f(—) g(—)
1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0
1 X 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2
1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3
1 X 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 4
1 X 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 5
1 X 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 6
1 X 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7
1 X 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 8
1 X 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 9
X X X X X X 0 1 1 1 1 1 1 1 熄滅
1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 熄滅
0 X X X X X 1 0 0 0 0 0 0 0 8
(1)LT(——)：試燈輸入，是為了檢查數碼管各段是否能正常發光而設置的。當LT(——)=0時，無論輸入A3 ，A2 ，A1 ，A0為何種狀態，解碼器輸出均為低電平，若驅動的數碼管正常，是顯示8。
(2)BI(—)：滅燈輸入，是為控制多位數碼顯示的滅燈所設置的。BI(—)=0時。不論LT(——)和輸入A3 ，A2 ，A1，A0為何種狀態，解碼器輸出均為高電平，使共陽極數碼管熄滅。
(3)RBI(——-)：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設定的。當對每一位A3= A2 =A1 =A0=0時，本應顯示0，但是在RBI(——-)=0作用下，使解碼器輸出全為高電平。其結果和加入滅燈信號的結果一樣，將0熄滅。
(4)RBO(———)：滅零輸出，它和滅燈輸入BI(—)共用一端，兩者配合使用，可以實現多位數碼顯示的滅零控制。
3、解碼器與顯示器的配套使用
解碼是把給定的代碼進行翻譯，本設計即是將時、分、秒計數器輸出的四位二進制數代碼翻譯為相應的十進制數，並通過顯示器顯示，通常顯示器與解碼器是配套使用的。我們選用的七段解碼驅動器（74LS47）和數碼管（LED）是共陽極接法（需要輸出低電平有效的解碼器驅動）。解碼顯示電路如圖6所示。
圖6 解碼顯示電路
（五）校時電路
1、RS觸發器（見圖7）
圖7 基本RS觸發器
R(—) S(—)
Q Q(—)
說 明
0 1
1 0
1 1
0 0 0
1
0或1
1 1
0
1或0
1 置0
置1
保持原來狀態
不正常狀態，0信號消失後，觸發器狀態不定
2、無震顫開關電路
無震顫開關電路的原理：（見圖8）當開關K的刀扳向1點時，S(—)=0，R(—)=1，觸發器置1。S(—)端由於開關K的震顫而斷續接地幾次時，也沒有什麼影響，觸發器置1後將保持1狀態不變。因為K震顫只是使S(—)端離開地，而不至於使R(—)端接地，觸發器可靠置1。
當開關K從S(—)端扳向R(—)端時，有同樣的效果，觸發器可靠置0。從Q端或Q(—)端反映開關的動作，輸出電平是穩定的。
3、校時電路的實現原理
當電子鍾接通電源或者計時發現誤差時，均需要校正時間。校時電路分別實現對時、分的校準，由於4個機械開關具有震顫現象，因此用RS觸發器作為去抖動電路。採用RS基本觸發器及單刀雙擲開關，閘刀常閉於2點，每搬動一次產生一個計數脈沖，實現校時功能