鄭 旭（黑龍江大學(xué)，150080）

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基于MSl的數(shù)字時(shí)鐘的電路設(shè)計(jì)

鄭 旭
（黑龍江大學(xué)，150080）

數(shù)字時(shí)鐘的特點(diǎn)是以數(shù)字顯示秒、分、時(shí)，它是一種相較于傳統(tǒng)機(jī)械時(shí)鐘更準(zhǔn)確、更直觀的時(shí)鐘裝置，數(shù)字時(shí)鐘也不需要機(jī)械傳動(dòng)裝置，所以被廣泛使用。在日常生活中我們隨處可見數(shù)字時(shí)鐘，數(shù)字電子鐘以兩種方式實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制，數(shù)字集成電路構(gòu)成。本次設(shè)計(jì)是由數(shù)字集成電路構(gòu)成的數(shù)字電子時(shí)鐘。

MSI；數(shù)字時(shí)鐘；電路設(shè)計(jì)

1　數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)功能要求

該設(shè)計(jì)的電子鐘應(yīng)該能夠準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，并將時(shí)間以數(shù)字形式顯示。在電路中，可以利用NE55振蕩電路提供的脈沖信號(hào)。同時(shí)在計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)電路還可以完成校時(shí)、校分和校秒功能。具體要求如下：

（1）用NE555芯片產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖；

（2）用數(shù)碼管顯示時(shí)間數(shù)字；

（3）數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒；

（4）具有校時(shí)功能。

2　設(shè)計(jì)方案

2.1方案概述

此次設(shè)計(jì)的電子鐘電路主要由以下幾部分組成：脈沖基準(zhǔn)電路，計(jì)數(shù)器，譯碼器，時(shí)鐘顯示數(shù)碼管，校時(shí)器。

（1）脈沖基準(zhǔn)電路：它是數(shù)字鐘的核心，由它產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)源信號(hào)，提供給計(jì)數(shù)器，它的精確度決定了時(shí)間的精準(zhǔn)。

（2）計(jì)數(shù)器：對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

（3）譯碼器：將計(jì)數(shù)器的輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

（4）時(shí)鐘顯示：將經(jīng)過譯碼的數(shù)字顯示出來。

（5）校時(shí)器：調(diào)整時(shí)鐘的時(shí)間。

本數(shù)字鐘的工作原理如下：

由NE555電路產(chǎn)生1Hz的脈沖信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)，提供給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)秒計(jì)數(shù)器達(dá)滿60的時(shí)候向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，并且秒計(jì)數(shù)器清零，當(dāng)分鐘計(jì)數(shù)器達(dá)滿60的時(shí)候向時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位，并且分鐘計(jì)數(shù)器清零，當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)器滿24的時(shí)候時(shí)計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)時(shí)間與現(xiàn)實(shí)時(shí)間出現(xiàn)誤差的時(shí)候可以通過校時(shí)器進(jìn)行校時(shí)。

2.2方案設(shè)計(jì)

2.2.1脈沖基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用NE55與電容電阻組成的多諧振蕩電路來產(chǎn)生1Hz的脈沖信號(hào)輸送給計(jì)數(shù)器。

NE555（Timer IC）為8腳時(shí)基集成電路，它只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久；.它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發(fā)電平，均能與這些系列邏輯電路的高、低電平匹配；其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載；它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。

NE555管腳介紹：

Pin 1 （接地） -地線（或共同接地） ，通常被連接到電路共同接地。

Pin 2 （觸發(fā)點(diǎn)） -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。

Pin 3 （輸出） -當(dāng)時(shí)間周期開始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到0伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。

Pin 4 （重置） -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。

Pin 5 （控制） -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下，這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。

Pin 6 （重置鎖定） - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。

Pin 7 （放電） -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。

Pin 8 （V +） -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

根據(jù)NE555內(nèi)部管腳圖和所設(shè)計(jì)的NE555外部電路可知，C1是外接定時(shí)電容，R1、R3是充電電阻，并且R3又是放電電阻。C2用于防干擾。接通電源后，電源通過電阻對(duì)C充電，充電至當(dāng)Thold=2/3的Vcc時(shí)， A1輸出為1，比較器A2輸出高電平，輸出端3輸出低電平，放電三極管T導(dǎo)通，電容C又要通過R2、T放電，Vcc下降，當(dāng)Vcc下降至1/3Ucc時(shí)，VT截止，C又重新充電，以后恢復(fù)以上過程。其震蕩周期為：

在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候選擇1M的電阻為R1、R3，由公式可以計(jì)算出電容。

2.2.2計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)時(shí)分秒的計(jì)數(shù)器選用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160。按照時(shí)間顯示的要求，秒的個(gè)位部分為逢十進(jìn)一，十位部分為逢六進(jìn)一，從而共同完成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS160實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制的方式有兩種：異步清零、同步置數(shù)。它的引腳圖如圖3所示，工作真值如表1所示：

圖3　74LS160的引腳圖

表1　74LS160工作真值表

秒計(jì)數(shù)器的個(gè)位和十位由兩個(gè)74LS160芯片組成，個(gè)位的74LS160計(jì)數(shù)范圍為0~9，因此將個(gè)位的74LS160計(jì)數(shù)器計(jì)滿十的時(shí)候的進(jìn)位作為十位的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)，即將個(gè)位的74LS160的TC腳接到十位的74LS160的7腳和10腳，將秒的時(shí)鐘信號(hào)接到十位的74LS160的2腳CLK上，當(dāng)個(gè)位的74LS160產(chǎn)生進(jìn)位的時(shí)候十位的7腳和10腳為1，其處于加法技術(shù)的工作模式下，在時(shí)鐘高電平脈沖的作用下，十位的計(jì)數(shù)器74LS160計(jì)數(shù)加1。因此通過此種方式對(duì)秒計(jì)數(shù)器的十位進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.2.3時(shí)鐘顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中計(jì)數(shù)器的輸出為BCD碼，需選用一個(gè)譯碼器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字的顯示，這里選用74ls47 bcd譯碼器。74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字，通過它解碼，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字。74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，與它配合的是共陽(yáng)七段數(shù)碼管，因?yàn)楣碴?yáng)數(shù)碼管直接與電源相連因此在數(shù)碼管的輸入與74LS47輸出之間應(yīng)該并聯(lián)330歐的電阻來進(jìn)行限流。

2.2.4校時(shí)器電路設(shè)計(jì)

在校時(shí)的時(shí)候我們必須模擬一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，在校時(shí)的時(shí)候?yàn)榱朔乐刮覀兡M的時(shí)鐘信號(hào)與正在運(yùn)行的各個(gè)計(jì)數(shù)器系統(tǒng)的CLK信號(hào)發(fā)生沖突，因此在校時(shí)的時(shí)候應(yīng)該斷開時(shí)鐘信號(hào)的輸入，此時(shí)可以將NE555產(chǎn)生脈沖和校時(shí)設(shè)置按鍵的信號(hào)進(jìn)行相與，當(dāng)校時(shí)按鍵按下的時(shí)候，與電路輸出0時(shí)秒計(jì)數(shù)器停止運(yùn)行。本設(shè)計(jì)的與門采用四2輸入與門芯片74ls09。

當(dāng)進(jìn)行校時(shí)的時(shí)候按鍵被按下74LS09的12腳接地為0，因此不管時(shí)鐘脈沖為什么電平，74LS09的11腳輸出都為0，因此這種情況下可以屏蔽時(shí)鐘脈沖，為了防止在未按下校時(shí)按鈕的時(shí)候，按了三個(gè)時(shí)分秒其中的一個(gè)修改按鍵對(duì)，時(shí)鐘的時(shí)間產(chǎn)生影響，因此在校時(shí)按鈕未被按下的時(shí)候三個(gè)時(shí)分秒三個(gè)按鍵必須是失效，因此可以采用74ls09的一個(gè)與門來實(shí)現(xiàn)屏蔽在正常模式下，時(shí)分秒三個(gè)按鍵被誤按下時(shí)對(duì)時(shí)鐘工作的影響。

3　結(jié)語

本次設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字集成電路構(gòu)成的數(shù)字電子鐘，設(shè)計(jì)的電子鐘主要由下面這幾部分電路組成：脈沖基準(zhǔn)電路、計(jì)數(shù)器電路、譯碼器電路、時(shí)鐘顯示數(shù)碼管電路、校時(shí)器電路，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字鐘顯示時(shí)間、計(jì)數(shù)、校時(shí)等功能。

［1］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).數(shù)字部分 北京：高等教育出版社，2000

［2］陳堅(jiān).電力電子學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002

［3］高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社，2002

Circuit design of digital clock based on MSI

Zheng Xu
（Heilongjiang University，150080）

In daily life，we can see the digital clock，digital clock in two ways：single chip microcomputer control，digital integrated circuit.The design is a digital electronic clock which is made up of digital integrated circuits.

MSI；digital clock；circuit design