采用石英晶體振蕩器和分頻器的動態(tài)掃描數(shù)字鐘電路設(shè)計與制作

引言

在電子技術(shù)實驗教學(xué)中，構(gòu)建的電路設(shè)計理念，提高的電路設(shè)計能力，是教學(xué)的根本目的和核心內(nèi)容.數(shù)字鐘電路的設(shè)計包括了時序邏輯電路.組合邏輯電路.數(shù)碼管顯示電路和脈沖信號產(chǎn)生電路等內(nèi)容，內(nèi)容涉及面寬.綜合性強，是電子技術(shù)自主性實驗教學(xué)的典型案例.文中采用了石英晶體振蕩器電路.計數(shù)電路.動態(tài)掃描及譯碼驅(qū)動電路.顯示電路和時鐘校正電路，來實現(xiàn)該電路.

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本次設(shè)計的數(shù)字鐘，實現(xiàn)對時.分.秒的數(shù)字顯示，周期為24 h,顯示滿刻度為23 時59 分59 秒，并具有校時功能.電路主要采用中規(guī)模CMOS集成電路，采用電池作電源，通過共陰極LED 數(shù)碼管顯示時鐘.該系統(tǒng)由秒脈沖產(chǎn)生模塊.計數(shù)器模塊.譯碼顯示電路模塊.動態(tài)掃描模塊.校時模塊組成.其中秒脈沖產(chǎn)生模塊由晶體振蕩器電路和兩個分頻器電路組成，動態(tài)掃描模塊由動態(tài)掃描控制信號產(chǎn)生電路.計數(shù)器選通控制電路和數(shù)碼管選通控制電路三部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.

1.1 秒脈沖產(chǎn)生電路

秒脈沖信號由石英晶體振蕩器產(chǎn)生，由于晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1 Hz 的秒信號，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻.通常的分頻器采用多級二進(jìn)制計數(shù)器來實現(xiàn).將32 768 Hz 的高頻方波信號經(jīng)32 768（215）次分頻后得到1 Hz的方波信號供秒計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當(dāng)于15 級二進(jìn)制計數(shù)器.

本次設(shè)計采用CD4060 來構(gòu)成14 級2 分頻電路.

CD4060的9腳.10腳.11腳內(nèi)含兩個非門電路，1腳輸出12分頻信號，2腳輸出13分頻信號，3腳輸出14分頻信號.利用CD4060的兩個非門和32768Hz的晶振構(gòu)成32 768 Hz 的振蕩器，然后通過CD4060 進(jìn)行214 分頻得到2 Hz的信號，再經(jīng)過D觸發(fā)器CD4013進(jìn)行一次二分頻即可得到1 Hz的秒脈沖.電路圖如圖2所示.

1.2 計數(shù)器設(shè)計

計數(shù)器電路用來完成60 秒60 分及24 小時的計數(shù)工作，且秒計數(shù)器的進(jìn)位脈沖作為分計數(shù)器的輸入脈沖，同理分計數(shù)器的進(jìn)位脈沖作為小時計數(shù)器的輸入脈沖.“ 秒”.“ 分”.“ 時”計數(shù)器電路采用同步加計數(shù)器CD4518來完成.

（1）CD4518雙BCD同步加計數(shù)器

CD4518 是一只雙BCD 十進(jìn)制計數(shù)器，它含有2 個獨立的計數(shù)單元，有2個計數(shù)脈沖輸入端，上升沿觸發(fā)端CP 和下降沿觸發(fā)端EN,若用CP 來觸發(fā)，則EN 接高電平，且為上升沿觸發(fā)；若用EN 來觸發(fā)，則CP 接低電平，且為下降沿觸發(fā)；有4個輸出端QD~QA,一個清零端.

CD4511的引腳圖如圖3所示.其中：

CP:時鐘輸入端，上升沿觸發(fā)；

EN:時鐘輸入端，下降沿觸發(fā)；

R:復(fù)位端，高電平時計數(shù)器=0;

QD~QA:計數(shù)值十進(jìn)制輸出端；

UDD:正電源輸入端（3~15 V）；

USS:電源參考地.

（2）“時”.“分”.“秒”計數(shù)器設(shè)計

把CD4518 內(nèi)部的兩個十進(jìn)制計數(shù)器級聯(lián)構(gòu)成100 進(jìn)制計數(shù)器，然后通過反饋法實現(xiàn)60進(jìn)制計數(shù)器，電路如圖4 所示.圖中，QD1,QC1,QB1,QA1 為秒個位的二進(jìn)制BCD 碼，QD2,QC2,QB2,QA2 為秒十位上六進(jìn)制BCD碼，當(dāng)十位要顯示十進(jìn)制6時即0110,此時QC2.QB2均為1,經(jīng)CD4081（42輸入與門）輸出也為高電平，其他時候為低電平，利用這個脈沖信號給十位計數(shù)器清零，同時這個脈沖信號也是分脈沖的輸入信號.

分計數(shù)器與秒計數(shù)器電路完全相同，只是脈沖輸入不同，秒計數(shù)器是1 Hz,而分計數(shù)器是1 60 Hz.

時計數(shù)器為24 進(jìn)制計數(shù)器，設(shè)計原理與分秒計數(shù)器相同，不同之處在于反饋清零的狀態(tài)不同，當(dāng)十位（顯示2）.個位為0100（顯示4）時對計數(shù)器全部清零.把QB2 和QC1 通過CD4081 相與送給兩個十進(jìn)制計數(shù)器的復(fù)位端即可.

1.3 數(shù)碼顯示及動態(tài)掃描電路

數(shù)碼顯示器采用共陰極LED數(shù)碼管.譯碼顯示驅(qū)動電路選用BCD-7 段鎖存譯碼/驅(qū)動器CD4511.數(shù)碼管多位顯示是可以采用兩種驅(qū)動方式：一種是靜態(tài)驅(qū)動，靜態(tài)驅(qū)動方式是對各位顯示器連續(xù)地施以驅(qū)動電壓，使顯示器持續(xù)點亮的方法.每一位顯示器都要配備一套包括計數(shù)器.譯碼器和驅(qū)動電路.靜態(tài)驅(qū)動的原理相對簡單，適用于位數(shù)不多的場合.當(dāng)位數(shù)較多時，使用元器件增加，功耗也大.另外一種方式為動態(tài)驅(qū)動，動態(tài)驅(qū)動方式是用掃描方式讓各位數(shù)碼管按一定順序輪流顯示的方法，其優(yōu)點：第一，能降低功耗，這對電池供電的便攜式數(shù)字儀表尤為重要；第二，各位顯示器共用一個譯碼器，節(jié)省了譯碼器的數(shù)量，減少連線；第三，能輸出多路BCD 碼，容易和計算機相連.只要掃描頻率足夠高，由于人眼的暫留效應(yīng)就觀察不到閃爍現(xiàn)象.

動態(tài)掃描的總體特點是位掃描，段選通驅(qū)動.本次設(shè)計采用動態(tài)掃描方式，兩位LED 顯示器動態(tài)驅(qū)動原理圖如圖5所示.

采用脈沖分配器CD4022 產(chǎn)生動態(tài)掃描信號DS0~DS5,這6 個信號在同一時刻只有一個為高電平，利用DS0~DS5 控制模擬開關(guān)CD4066,當(dāng)某個掃描信號為高時，所控制的四路模擬開關(guān)導(dǎo)通，從而把對應(yīng)計數(shù)器的數(shù)據(jù)送給譯碼驅(qū)動電路，同時掃描信號要選通對應(yīng)的數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù).由于采用的是共陰極數(shù)碼管，因此掃描信號通過達(dá)林頓晶體管整列MC1413 才能選通對應(yīng)數(shù)碼管，當(dāng)某掃描信號為高時，經(jīng)過MC1413 輸出后變?yōu)榈碗娖剿鶎?yīng)數(shù)碼管被點亮.脈沖分配器CD4022 的輸入脈沖CP 的頻率應(yīng)該足夠高，這里選用512 Hz（由4060第13腳提供）.

1.4 校時電路

校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能，當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或有時.分.秒等校正功能.為使電路簡單，這里只進(jìn)行分和時的校正.校正電路的要求在校正時位時不影響分和秒的正常計數(shù)，在校正分位時不影響秒和時的正常計數(shù).

校準(zhǔn)的方法很多，常用的有“快速校時法”.校時電路原路圖如圖6所示.

2 結(jié)語

數(shù)字鐘電路的設(shè)計，涉及模擬電子技術(shù).數(shù)字電子技術(shù)等多方面知識，將其列入自主實驗內(nèi)容，克服了以往實踐教學(xué)形式單一.內(nèi)容簡單枯燥的缺點[8].實驗過程中要求獨立完成設(shè)計.可以采用萬能板焊接完成數(shù)字鐘電路的制作，也可以繪制PCB電路圖采用熱轉(zhuǎn)印的方法自制PCB電路板完成該電路的制作.