引言

在電子技術實驗教學中，構建的電路設計理念，提高的電路設計能力，是教學的根本目的和核心內容.數字鐘電路的設計包括了時序邏輯電路.組合邏輯電路.數碼管顯示電路和脈沖信號產生電路等內容，內容涉及面寬.綜合性強，是電子技術自主性實驗教學的典型案例.文中采用了石英晶體振蕩器電路.計數電路.動態掃描及譯碼驅動電路.顯示電路和時鐘校正電路，來實現該電路.

1 系統設計方案

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

1.1 秒脈沖產生電路

秒脈沖信號由石英晶體振蕩器產生，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行分頻.通常的分頻器采用多級二進制計數器來實現.將32 768 Hz 的高頻方波信號經32 768（215）次分頻后得到1 Hz的方波信號供秒計數器進行計數，即實現該分頻功能的計數器相當于15 級二進制計數器.

本次設計采用CD4060 來構成14 級2 分頻電路.

CD4060的9腳.10腳.11腳內含兩個非門電路，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的晶振構成32 768 Hz 的振蕩器，然后通過CD4060 進行214 分頻得到2 Hz的信號，再經過D觸發器CD4013進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 計數器設計

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

（1）CD4518雙BCD同步加計數器

CD4518 是一只雙BCD 十進制計數器，它含有2 個獨立的計數單元，有2個計數脈沖輸入端，上升沿觸發端CP 和下降沿觸發端EN,若用CP 來觸發，則EN 接高電平，且為上升沿觸發；若用EN 來觸發，則CP 接低電平，且為下降沿觸發；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；

EN:時鐘輸入端，下降沿觸發；

R:復位端，高電平時計數器=0;

QD~QA:計數值十進制輸出端；

UDD:正電源輸入端（3~15 V）；

USS:電源參考地.

（2）“時”.“分”.“秒”計數器設計

把CD4518 內部的兩個十進制計數器級聯構成100 進制計數器，然后通過反饋法實現60進制計數器，電路如圖4 所示.圖中，QD1,QC1,QB1,QA1 為秒個位的二進制BCD 碼，QD2,QC2,QB2,QA2 為秒十位上六進制BCD碼，當十位要顯示十進制6時即0110,此時QC2.QB2均為1,經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器清零，同時這個脈沖信號也是分脈沖的輸入信號.

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

時計數器為24 進制計數器，設計原理與分秒計數器相同，不同之處在于反饋清零的狀態不同，當十位（顯示2）.個位為0100（顯示4）時對計數器全部清零.把QB2 和QC1 通過CD4081 相與送給兩個十進制計數器的復位端即可.

1.3 數碼顯示及動態掃描電路

數碼顯示器采用共陰極LED數碼管.譯碼顯示驅動電路選用BCD-7 段鎖存譯碼/驅動器CD4511.數碼管多位顯示是可以采用兩種驅動方式：一種是靜態驅動，靜態驅動方式是對各位顯示器連續地施以驅動電壓，使顯示器持續點亮的方法.每一位顯示器都要配備一套包括計數器.譯碼器和驅動電路.靜態驅動的原理相對簡單，適用于位數不多的場合.當位數較多時，使用元器件增加，功耗也大.另外一種方式為動態驅動，動態驅動方式是用掃描方式讓各位數碼管按一定順序輪流顯示的方法，其優點：第一，能降低功耗，這對電池供電的便攜式數字儀表尤為重要；第二，各位顯示器共用一個譯碼器，節省了譯碼器的數量，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就觀察不到閃爍現象.

動態掃描的總體特點是位掃描，段選通驅動.本次設計采用動態掃描方式，兩位LED 顯示器動態驅動原理圖如圖5所示.

采用脈沖分配器CD4022 產生動態掃描信號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CD4066,當某個掃描信號為高時，所控制的四路模擬開關導通，從而把對應計數器的數據送給譯碼驅動電路，同時掃描信號要選通對應的數碼管顯示相應的數據.由于采用的是共陰極數碼管，因此掃描信號通過達林頓晶體管整列MC1413 才能選通對應數碼管，當某掃描信號為高時，經過MC1413 輸出后變為低電平所對應數碼管被點亮.脈沖分配器CD4022 的輸入脈沖CP 的頻率應該足夠高，這里選用512 Hz（由4060第13腳提供）.

1.4 校時電路

校時是數字鐘應具備的基本功能，當數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，在校正分位時不影響秒和時的正常計數.

校準的方法很多，常用的有“快速校時法”.校時電路原路圖如圖6所示.

2 結語

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