基于計數器的數字電子鐘的設計

李 瑞，王明艷，向厚振，沈泉波

（中北大學信息與通信工程學院，山西太原 030051）

0 引言

數字式電子鐘集成電路大都是由振蕩器、分頻器、計數器、譯碼器、LED顯示器組成。譯碼代替機械式傳動，用LED顯示器代替指針顯示進而顯示時間，減小了計時誤差。

本設計就是研究用數字電路實現的數字電子鐘，整體的電路設計就是由振蕩器、分頻器、計數器、譯碼器、LED顯示器、校時電路組成［2］。這種用數字電路實現的電子鐘與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且使用壽命更長。

1 數字電子鐘的整體設計

數字電子鐘的基本組成有555定時器和RC構成的多諧振蕩器、分頻器、“時”、“分”、“秒”對應的計數器、譯碼顯示器、校時電路，其構成框圖如圖1所示。

圖1 數字電子鐘的構成框圖

2 單元電路的設計

振蕩器是數字電子鐘的核心，振蕩器的穩定度及頻率的準確度決定了數字電子鐘的準確程度。通常選用晶振來構成振蕩器電路［1］。本文采用555構成的多諧振蕩器。它是一種無穩態電路，在接通電源后，不需要外加觸發信號，電路狀態能夠自動地不斷變換，產生矩形波的輸出。該電路存在兩個暫穩態，電容C1在（1/3）VCC和（2/3）VCC之間充電和放電。第一個暫態是:當電源剛接通時，電源電壓通過R1、R2對C1充電，充電時間為T1=（R1+R2）*C1;第二個暫態為是，電容C1通過電阻R2和放電管放電，放電時間為T2=R2*C1。所以該電路的振蕩周期為T=0.7（R1+2*R2）*C1，頻率F=1/T［7］。我們可以通過改變R1、R2 和C1 的值得到所需的頻率。該電路如圖2所示。

圖2 振蕩器

數字電子鐘的時基信號是1 Hz，由555定時器產生的1 kHz的信號必須經過分頻器才能獲得1 Hz的信號。分頻器實際也是計數器，本設計中所用的分頻器有兩個功能:一是產生標準1 Hz的脈沖信號;二是提供校正電路的校正信號。因為74LS90是二-五-十進制計數器［2］，所以采用三片計數器級聯就可以實現上述功能，即三片級聯可以獲得所需的頻率信號。電路圖如圖3所示。

圖3 分頻器

數字電子鐘需要兩個60進制計數器分別作為“分”、“秒”計數器，還需要一個24進制計數器作“小時”計數器。60進制計數器采用一片74LS90和一片74LS161級聯實現。74LS161用作“秒計數器”個位，所以將其設計成十進制計數器，這里用反饋預置法實現。即當計數器計到1001時，將74LS161的QA端和QD端，分別接至一個與非門的輸入端，將與非門的輸出端送至預置端LD，這樣就可實現十進制計數?！懊胗嫈灯鳌钡氖挥?4LS90實現，所以將其設計成六進制的計數器，用反饋清零法實現。即當計數器計到0110時，將74LS90的QB端和QC端，分別接至一個與門的輸入端，將與門的輸出端送至清零端R01和R02，由此實現六進制計數功能。其電路圖如圖4所示。

圖4 60進制計數器

本設計中24進制計數器是用兩片74LS90級聯實現。先將兩片74LS90設置成十進制計數器，將它們級聯，然后用反饋歸零法實現24進制計數。

譯碼是把給定的代碼進行翻譯，本設計將時、分、秒計數器輸出的8421BCD碼翻譯為相應的十進制數，并通過顯示器顯示。通常顯示器與譯碼器是配套使用的。我們選用的七段譯碼驅動器74LS48和共陰極數碼管［4］。

在計時開始時，必須和標準時間校準，這一功能由校時電路完成。該電路實現對時、分的校準［6］。校時的原理是:給被校的計時電路引入一個超出常規計時許多倍的快速脈沖信號，從而使計時電路快速達到標準時間。

3 數字電子鐘的仿真

（1）多諧振蕩電路的仿真

該電路部分由555定時器和RC組成。仿真時用示波器觀察555定時器的輸出，并調整電路中的可變電阻的參數以獲得1 kHz的矩形脈沖波。

（2）計數、顯示電路的仿真

該部分是由兩個60進制計數器，一個24進制計數器，譯碼器，顯示器組成。按設計原理連接電路并進行仿真。給60進制計數器一個1 Hz的脈沖。觀察數碼管的顯示，看計數器是否正常計時，并且當秒計數器計滿60后向分計數器進位。分計數器計滿60后向小時計數器進位。

（3）校時電路的仿真

當計數器開始工作時，如果電路顯示和標準時間不一致時，需要進行調時。本設計中用兩個開關，分別用來進行小時和分的校時。當開關打開時，電路正常工作;當開關閉合時，進行校時。校時的頻率我們設定為1 Hz。

4 數字電子鐘調試電路板

本系統是基于振蕩器、分頻器、計數器、譯碼器、LED顯示器、校時電路組成。實體圖如圖5所示。

圖5 數字電子鐘的實物圖

5 結論

本設計是純數字電路的電子鐘裝置。由555定時器產生1 kHz的信號，經分頻器后獲得1 Hz的標準信號，這個信號直接決定了電子鐘的走時是否準確。秒計數器、分計數器都是由74LS90和74LS161設計的60進制計數器。小時計數器是由74LS90設計的24進制計數器。因為計數初始時間和標準時間不一致，所以電路中還設計有校時電路。本設計還可以附加擴展電路，比如報時電路、顯示日期。

［1］康華光.電子技術基礎數字部分［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2000.

［2］李振聲.實驗電子技術［M］.北京:國防工業出版社，2001.

［3］任為民.電子技術基礎課程設計［M］.北京:中央廣播電視大學出版社，1997.

［4］李銀華.電子線路設計指導［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［5］江曉安，董秀峰，楊頌華.數字電子技術［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［6］唐亞平，劉濤.電子設計自動化（EDA）技術［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［7］彭軍.數字電路設計與制作［M］.北京:科學出版社，2005.