廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 張智軍

黃石理工學(xué)院 梅軍進(jìn)

1.數(shù)字時(shí)鐘電路的功能說(shuō)明

設(shè)計(jì)制作一款由4000系列CMOS門(mén)電路芯片構(gòu)成的“高精度低功耗低成本數(shù)字時(shí)鐘”，由于4000系列CMOS門(mén)電路芯片具有零靜態(tài)功耗和電源電壓范圍寬（3～15V）、輸出電壓可以達(dá)到全擺幅、輸入端幾乎不取電流、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以可使整機(jī)元器件成本降低到15元以下，采用動(dòng)態(tài)顯示、亮度自動(dòng)控制等節(jié)電工作方式，耗電量?jī)H為常規(guī)靜態(tài)顯示模式的1.8%，24小時(shí)計(jì)時(shí)誤差小于0.5秒。其電路原理框圖如圖1所示。由圖1知，電路由1HZ脈沖產(chǎn)生電路，60分頻的“秒/分”計(jì)數(shù)電路、12分頻的“小時(shí)”計(jì)數(shù)電路，譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路，時(shí)間校準(zhǔn)電路，“時(shí)、分、秒”循環(huán)顯示控制及夜間工作在節(jié)電模式時(shí)的亮度自動(dòng)控制電路等6部分組成。

圖1 數(shù)字時(shí)鐘電路原理框圖

2.主要元器件的選擇

2.1 十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器/7段譯碼器CD4033芯片

十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器/7段譯碼器CD4033芯片的引腳圖及其十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能表分別如圖2（a）、（b所示。由圖2（a）知，CD4033為DIP16封裝。該芯片常用于十進(jìn)制計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)狀態(tài)同時(shí)可作為譯碼輸出。各引腳功能是：CP為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，上升沿觸發(fā)；使能端INH=0時(shí)，允許計(jì)數(shù)，INH=1時(shí)，禁止計(jì)數(shù)；R為加計(jì)數(shù)清零端，高電平有效。RBI、RBO分別為串行消零輸入端和串行消零輸出端。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到零時(shí)，若RBI=0，顯示器消隱零，并由RBO輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖；若RBI=1，則顯示器顯示零，RBO為高電平。LT為燈測(cè)試端，LT=1時(shí)，筆劃全亮（高電平有效）。

圖2 十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器/7段譯碼器CD4033

2.2 雙BCD同步加計(jì)數(shù)器CD4518芯片

雙BCD同步加計(jì)數(shù)器CD4518芯片的引腳圖及其輸出端波形圖分別如圖3(a)、(b)所示[1]。從圖3(a)知，CD4518為DIP16封裝。芯片常用于多級(jí)同步計(jì)數(shù)、多級(jí)串行計(jì)數(shù)和同步分頻器，其內(nèi)部包含兩個(gè)相互獨(dú)立的計(jì)數(shù)器單元，各引腳功能是：CP1、CP2為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，上升沿觸發(fā)，當(dāng)EN1、EN2為高電平時(shí)有效；EN1、EN2為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，下降沿觸發(fā)，當(dāng)CP1、CP2端低電平時(shí)有效；Q1A～Q4A、Q1B～Q4B為計(jì)數(shù)器輸出端，2組8個(gè)，為二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；R1、R2為加計(jì)數(shù)清零端，高電平有效。從圖3(b)知，“分”的進(jìn)位信號(hào)脈沖信號(hào)送到“小時(shí)”IC6(CC4518)的個(gè)位計(jì)數(shù)器的CP端，個(gè)位計(jì)數(shù)器便對(duì)CP信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)1次為1小時(shí)。當(dāng)計(jì)數(shù)到10小時(shí)時(shí)，QD(即Q3)在CP的作用下產(chǎn)生正跳變沿，由于“QD的上升沿是不能作向十位進(jìn)位的脈沖的，只有其下降沿才是滿(mǎn)十進(jìn)一的進(jìn)位信號(hào)?！币虼苏_的接法是：將個(gè)位上的Q3(即QD)接‘十位’上的EN端(即使能端)，‘十位’上的CP接GND(地)，而個(gè)位的CP端或CT端接分計(jì)數(shù)器的“滿(mǎn)60分進(jìn)一”信號(hào)均可。

圖3 雙BCD同步加計(jì)數(shù)器CD4518

2.3 14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CC4060芯片

14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CC4060的引腳圖及其構(gòu)成的1HZ脈沖產(chǎn)生電路分別如圖4(a)、(b)

圖5 數(shù)字時(shí)鐘整機(jī)電路原理圖

所示。從圖4(a)知，CC4060為DIP16封裝。芯片常用于組成從÷24到214的計(jì)數(shù)、分頻、定時(shí)和時(shí)間延遲電路等，內(nèi)含時(shí)鐘形成電路，外接不同元件可組成石英振蕩器、RC振蕩器、斯密特電路等。各引腳功能是：CP為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，下降沿觸發(fā)；CR為加計(jì)數(shù)清零端，高電平有效；Q4～Q14為計(jì)數(shù)器輸出端。1HZ脈沖產(chǎn)生電路如圖4（b）所示，它是由32768HZ的石英晶體XT、微調(diào)電容與反相器等元件組成。圖中門(mén)G1、門(mén)G2是CC4060芯片內(nèi)的反相器，門(mén)G1用于振蕩，門(mén)G2用于脈沖沖整形，10MΩ反饋電阻R14的作用是為反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。反饋電阻R14的阻值若選得太大，會(huì)使放大器偏置不穩(wěn)定甚至不能正常工作；R14的阻值太小又會(huì)使反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)加重。圖中C1是頻率微調(diào)電容，一般取2～22PF。C2是溫度特性校正電容，一般取20～50PF。電容C1、C2和石英晶體構(gòu)成π型網(wǎng)絡(luò)，以控制振蕩頻率，并使輸出輸入移相180o。石英晶體振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定，輸出波形近似正弦波，可以運(yùn)用反相器G2整形得到矩形脈沖輸出。石英晶體振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的32768高頻率脈沖，經(jīng)IC2（CC4060）組成的14級(jí)2分頻和IC3A（CD4518）組成的一級(jí)2分頻后可得到高準(zhǔn)確度的1HZ的“秒”脈沖信號(hào)。

3.數(shù)字時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

數(shù)字時(shí)鐘整機(jī)電路圖如圖5所示，電路中的振蕩器XT為目前多數(shù)石英晶體電子表中使用的頻率為215=32768HZ的石英晶體，經(jīng)IC2(CC4060)組成的14級(jí)2分頻和IC3A(CD4518)組成的一級(jí)2分頻后可得到1HZ的“秒”脈沖信號(hào)，它具有特別高的精度，誤差為±5ppm，24小時(shí)計(jì)時(shí)誤差小于0.5秒鐘。60進(jìn)制的“秒”和”分”計(jì)數(shù)、譯碼、鎖存、驅(qū)動(dòng)及顯示電路分別由IC11(CD4033)、IC10(CD4033)、IC4A(CD4518)、IC5A(1/4CD4081)、數(shù)碼管DS5、DS6和IC8(CD4033)、IC9(CD4033)、IC4B(CD4518)、IC5B(1/4CD4081)、數(shù)碼管DS3、DS4構(gòu)成。12進(jìn)制的“小時(shí)”計(jì)數(shù)、譯碼、鎖存、驅(qū)動(dòng)及顯示電路由IC6(CD4033)、IC7(CD4033)、IC1(CD4518)、IC5C(1/4CD4081)和數(shù)碼管DS1、DS2構(gòu)成。

3.1 數(shù)碼管低功耗循環(huán)顯示模式控制電路的設(shè)計(jì)

IC3B（CD4518）接收由IC2的Q10端輸出的32HZ脈沖信號(hào)(T≈0.03秒)，當(dāng)t=1T時(shí)，其Q3Q2Q1=001，經(jīng)R7使Q1(9013)管導(dǎo)通，DS1、DS2管顯示；同理當(dāng)t=2T和t=3T時(shí)，依次使DS3、DS44管和DS5、DS6管顯示。通常數(shù)碼管采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式時(shí)每個(gè)段碼的驅(qū)動(dòng)電流為10～15mA，按照每個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)字時(shí)平均為5個(gè)段碼計(jì)算，則每個(gè)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電流為50～75mA，6個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示需要300～450 mA的驅(qū)動(dòng)電流，所以市場(chǎng)上的LED數(shù)字鐘一般采用交流供電方式。本設(shè)計(jì)在任一時(shí)刻只有2個(gè)數(shù)碼管顯示，可使6個(gè)數(shù)碼管循環(huán)顯示的供電電流降低到原來(lái)靜態(tài)顯示模式的1/3，即為100～150 mA的水平。

圖4 CC4060引腳圖與1HZ脈沖產(chǎn)生電路

光敏電阻R1～R6分別為數(shù)碼管DS1～DS6夜間工作在節(jié)電模式時(shí)的亮度自動(dòng)控制電路。光敏電阻可選用MG41-22或MG45-12、或5606、6106型(亮電阻≤2KΩ，暗電阻≥900KΩ)。每只數(shù)碼管的公共端第3(8)腳通過(guò)一光敏電阻串聯(lián)晶體開(kāi)關(guān)管9013接地。當(dāng)夜晚室內(nèi)光線(xiàn)較暗時(shí)，數(shù)碼管自動(dòng)降低亮度。數(shù)碼管DS1～DS6采用超高亮度的數(shù)碼管5011型，這種LED數(shù)碼管耗電為普通數(shù)碼管的十分之一，每個(gè)段碼的驅(qū)動(dòng)電流僅為1mA，就可以發(fā)出普通數(shù)碼管20mA工作電流時(shí)相同的亮度。當(dāng)其工作電流達(dá)20mA時(shí)，發(fā)出光亮足以保證在室外陽(yáng)光下正常顯示。該控制電路可使數(shù)碼管顯示的供電電流降低到原來(lái)的1/30，即為10～15 mA的水平。開(kāi)關(guān)管Q1～Q3選用9013（40V、0.5A、0.625W、低頻）可滿(mǎn)足控制兩個(gè)數(shù)碼管陰極電流通斷的要求。本設(shè)計(jì)還充分利用芯片CD4033的“零”數(shù)字消隱功能，即當(dāng)十位數(shù)字為零時(shí)，該數(shù)碼管不亮。例如，當(dāng)時(shí)間為9時(shí)8分5秒，不是顯示“09”時(shí)“08”分“05”秒，而是顯示“9”時(shí)“8”分“5”秒，該設(shè)計(jì)方案可使數(shù)碼管顯示的供電電流降低到原來(lái)的1.8%，即為5～9 mA的水平，可大大降低電源的能耗。

3.2 手動(dòng)時(shí)間校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)

如圖5所示，S1和S2分別為“小時(shí)”與“分”的手動(dòng)校準(zhǔn)電路。S1(或S2)按動(dòng)一次，IC7(或IC9)就加1計(jì)數(shù)一次。濾波電路C3、R10和C4、R13分別用來(lái)吸收S1和S2動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的電壓抖動(dòng)。二極管D1、D2分別為“小時(shí)”與“分”校準(zhǔn)電路與相鄰下一級(jí)計(jì)數(shù)器“清零”端R之間的單向隔離元件。R11、R12為手動(dòng)校準(zhǔn)電路的限流電阻。

圖6 低成本低功耗的實(shí)用數(shù)字時(shí)鐘印制電路板圖

4.電路板的安裝與測(cè)試

數(shù)字時(shí)鐘單面印制電路板(PCB)圖如圖6所示。為了便于觀察，電路有6位數(shù)碼管安裝在CD4033的上方，分別顯示0～11小時(shí)、0～59分和0～59秒鐘，且數(shù)碼管與驅(qū)動(dòng)電路CD4033的連線(xiàn)盡可能地短。根據(jù)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，宜采用“安裝完畢一個(gè)單元電路，就測(cè)試該單元電路，經(jīng)測(cè)試合格后，再安裝下一個(gè)單元電路”的方法。

其安裝測(cè)試順序是：

(1)1HZ脈沖信號(hào)的產(chǎn)生電路，運(yùn)用邏輯筆測(cè)試芯片IC3A的Q0端的“1HZ”的脈沖輸出信號(hào)；

(2)“秒鐘”計(jì)數(shù)/譯碼/顯示電路，顯示0秒鐘～59秒鐘，運(yùn)用邏輯筆測(cè)試芯片IC5A第3腳的“滿(mǎn)60秒進(jìn)一”的進(jìn)位脈沖輸出信號(hào)；

(3)“分”鐘計(jì)數(shù)/譯碼/顯示電路，顯示0分鐘～59分鐘，運(yùn)用邏輯筆測(cè)試芯片IC5B第4腳的“滿(mǎn)60分進(jìn)一”的進(jìn)位脈沖輸出信號(hào)；

(4)“小時(shí)”計(jì)數(shù)/譯碼/顯示電路，顯示0小時(shí)～11小時(shí)，運(yùn)用邏輯筆測(cè)試芯片IC5C第10腳的“清零”脈沖輸出信號(hào)；

(5)分別按動(dòng)開(kāi)關(guān)S1、S2，測(cè)試時(shí)間校準(zhǔn)電路的功能及可靠性；

(6)用厚紙片遮蔽光敏電阻的上方，觀測(cè)數(shù)碼管亮度顯示接受控制前后的響應(yīng)情況。

6個(gè)單元電路組裝合格后，電路可以正常顯示12小時(shí)內(nèi)的任一時(shí)間；可以校準(zhǔn)當(dāng)前時(shí)間；一晝夜24小時(shí)的計(jì)時(shí)誤差小于0.5秒；在用3～15V范圍內(nèi)電源供電時(shí)，測(cè)量整機(jī)的最大工作電流（取1.5倍裕量）小于15mA。

[1]梅開(kāi)鄉(xiāng).數(shù)字電子技術(shù)(第3版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.10.