一種數字鐘的設計

于瑩瑩 林喆

遼寧裝備制造職業技術學院（ 沈陽 110161 ）

0 引言

數字鐘是一種用數字電路技術實現時、分、秒的計時裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。

數字鐘可用典型的數字電路實現，其中包括組合邏輯電路和時序電路。目前，數字鐘的功能越來越強，也有多種專門的大規模集成電路可供選擇。

1 數字鐘的基本組成及工作原理

要想構成數字鐘，首先應有一個能自動產生穩定的標準時間脈沖信號的信號源。還需要有一個使高頻脈沖信號變成適合于計時的低頻脈沖信號的分頻器電路，即頻率為1Hz的“秒脈沖”信號。經過分頻器輸出的秒脈沖信號到計數器中進行計數。由于計時的規律是：60秒=1分，60分=1小時，24小時=1天，這就需要分別設計60進制和24進制的計數器（或12進制的計數器，并發出驅動AM、PM的標志信號）。各計數器輸出的信號經譯碼器/驅動器送到數字顯示器對應的筆劃段，使得 “時”、“分”、“秒”得以數字顯示。數字鐘的結構框圖如圖1所示。

圖1 數字鐘結構框圖

2 振蕩器的設計

振蕩器主要用來產生時間標準信號。數字鐘的精度，主要取決于時間標準信號的頻率及其穩定度，所以要產生穩定的時標信號，一般采用石英晶體振蕩器。從數字鐘的精度考慮，晶振頻率愈高，鐘表的計時準確度就愈高。但這會使振蕩器的耗電量增大，分頻器的級數也要增多。在確定頻率時應當考慮這兩方面的因素。我們選用了成型數字鐘中使用的石英晶體頻率f0=32768KHz。因其易購買、體積小、成本低。采用RC振蕩器，該振蕩器是由石英晶體、電阻、電容組成，其電路如圖2所示。

圖2 石英晶體振蕩器電路

3 分頻器的設計

分頻器能將高頻脈沖變換為低頻脈沖，它可由觸發器以及計數器來完成。由于一個觸發器就是一個二分頻，N個觸發器就是2n個分頻器。如果用計數器作分頻器，就要按進制數進行分頻。例如十進制計數器就是十分頻器，M進制計數器就為M分頻器。

若從市場上購買到石英晶體振蕩器其頻率為 32768Hz，要想用該振蕩器得到一個頻率為1Hz的秒脈沖信號，就需要用分頻器進行分頻，分頻器的個數為 215 = 32768Hz，N =15 即有15個分頻器。這樣就將一個頻率為23768Hz的振蕩信號降低為1Hz的計時信號，這樣就滿足了計時規律的需求：60秒=1分鐘，60分=1小時，24小時=1天。分頻器可用JK觸發器或計數器構成。

4 時分秒計數器的設計

有了“秒”信號，則可根據60秒為1分，60分為1小時，24小時為1天的進制，分別選定“秒”、“分”、“時”的計數器。在“秒”計數器中，因為是60進制，即有60個“秒”信號，才能輸出一個“分”進位信號。若用十進制數表示需要兩位十進制的數（個位和十位），這樣，“秒”個位應是十進制，“秒”十位應是六進制，符合人們計數的習慣。將來便于應用8421碼譯碼顯示電路，“秒”計數器中通常用兩個十進制計數器的集成片組成，然后再采用反饋歸零的方法使“秒”十位變成六進制，以使個位、十位合起來實現60進制。

5 校時電路

當數字鐘的指示同實際時間不相符時，必須予以校準，校時電路的基本原理如圖3所示，即將“秒”信號直接引進“時”計數器，同時將“分”的計數器置0，讓“時”計數器快速計數，在“時”的指示調到需要的數字后，再切斷“秒”信號，校“分”電路也是按此方法讓“秒”信號輸入“分”計數器，同時讓“秒”計數器置0。快速改變“分”的批示，并到等于需要的數字為止。校“秒”電路略有不同，選用的周期為0.5秒的脈沖信號，使“秒”計數比正常計“秒”快一倍，以便對準“秒”的數字。

圖3 校時電路

6 譯碼顯示電路

在數字系統中常常需要將測量或處理的結果直接顯示成十進制數字。為此，需將以 BCD碼表示的結果送到譯碼器電路進行譯碼，用它的輸出去驅動顯示器件。CD4511是BCD鎖存/7段譯碼器/驅動器，可用它驅動數碼管構成顯示電路。

7 定時/報時控制電路的設計

定時/報時功能要求數字鐘在指定的時刻發出信號，或驅動音響電路“鬧時”；或對某裝置的電源進行接通或斷開“控制”。不管是鬧時還是控制，都要求時間準確，即信號的開始時刻與持續時間必須滿足規定的要求。其電路如圖4所示。

圖4 定時/報時控制電路

8 結束語

這種數字鐘的結構簡單，準確度高，成本低廉。在基本電路的基礎上還可擴展其他的功能，如整點報時、觸摸報時等。

[1]孫建三.數字電子技術.北京：機械工業出版社,2000.

[2]彭軍.數字電路設計與制作.北京：科學出版社,1984.

[3]楊冰.數字電路設計與實踐.武漢：華東師范大學出版社,1991.