莫嘉熙

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院 廣東省廣州市 510642）

1 引言

近年數(shù)字電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得集成電路在社會(huì)生活的應(yīng)用范圍愈加廣泛。數(shù)字電子鐘作為基于中小規(guī)模集成電路應(yīng)用的基本實(shí)例，由其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、走時(shí)精準(zhǔn)、使用壽命長(zhǎng)等特性而被廣泛使用。文章基于74LS90 中規(guī)模計(jì)數(shù)器，設(shè)計(jì)具有計(jì)時(shí)、顯示、手動(dòng)校時(shí)校分、整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能的數(shù)字電子鐘。通過(guò)對(duì)數(shù)字電子鐘的研究與分析，有助于掌握數(shù)字時(shí)鐘的原理和應(yīng)用，為集成電路的深層次應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

數(shù)字電子鐘對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1Hz）進(jìn)行計(jì)數(shù)，由秒脈沖電路、計(jì)數(shù)電路、譯碼顯示電路、校時(shí)電路和整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成。數(shù)字電子鐘正常工作時(shí)，晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)CD4060 和74LS74 組成的分頻器分頻最終得到1Hz 方波，即秒脈沖信號(hào)。秒脈沖信號(hào)作為計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)送進(jìn)由多塊74LS90 芯片級(jí)聯(lián)而成的計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，秒位和分位計(jì)數(shù)滿60 進(jìn)位，時(shí)位計(jì)數(shù)滿24 進(jìn)位，后自動(dòng)清零，以此循環(huán)。計(jì)數(shù)結(jié)果8421BCD（Binary-Coded Decimal）碼輸入至?xí)r分秒中各位對(duì)應(yīng)的4511 譯碼器譯碼，通過(guò)LED 數(shù)碼管顯示。若數(shù)字電子鐘計(jì)時(shí)結(jié)果與實(shí)際時(shí)間有誤差，可通過(guò)校時(shí)電路校正，校時(shí)電路由按鍵與按鍵消抖電路組成，按下按鍵可實(shí)現(xiàn)校正時(shí)間。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路由邏輯門與蜂鳴器組成，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10 秒開始，蜂鳴器響1 秒停1 秒地響5 次。各部分電路相連構(gòu)成數(shù)字電子鐘整體電路，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1：數(shù)字電子鐘系統(tǒng)框圖

2.2 整體電路仿真

Multisim14.0 是美國(guó)國(guó)家儀器 (NI) 有限公司推出一款基于Windows 操作系統(tǒng)平臺(tái)的EDA 工具軟件, 提供業(yè)界一流的SPICE 仿真標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，提供萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀等多種虛擬儀器和交互式的電路分析工具, 能形象地展示電路行為。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成原理，在Multisim14.0 調(diào)用相應(yīng)元器件繪制數(shù)字電子鐘的整體電路圖，其中秒脈沖電路使用時(shí)鐘源CLOCK_VOLTAGE 產(chǎn)生占空比為50%頻率為1Hz 的方波作為秒脈沖信號(hào)，仿真電路圖如圖2 所示。

圖2：數(shù)字電子鐘整機(jī)仿真電路圖

3 單元電路設(shè)計(jì)

3.1 秒脈沖電路

石英晶體振蕩器具有頻率精確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數(shù)小等特點(diǎn)，可以滿足一般電子鐘走時(shí)的準(zhǔn)確性的要求，所以選用石英晶體構(gòu)成振蕩電路輸出頻率為32.768kHz 的信號(hào)。頻率為32.768kHz 的晶振輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)CD4060 產(chǎn)生14分頻后，送進(jìn)74LS74D 觸發(fā)器進(jìn)行二分頻最終輸出頻率為1Hz 的秒脈沖信號(hào)。此秒脈沖電路雖然無(wú)法在Multisim14.0仿真，但在實(shí)際電路測(cè)試時(shí)效果極好, 它發(fā)出的秒脈沖時(shí)間和實(shí)際的秒計(jì)時(shí)相差甚微，是一種很不錯(cuò)的秒脈沖應(yīng)用電路。

[秒脈沖電路圖如圖3 所示。

圖3：秒脈沖電路圖

3.2 計(jì)數(shù)電路

74LS90 是異步二一五一十進(jìn)制加法器，秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器分別由兩塊74LS90 級(jí)聯(lián)組成60 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，時(shí)計(jì)數(shù)器亦采用兩塊74LS90 級(jí)聯(lián)級(jí)聯(lián)組成24 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。當(dāng)秒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿60 即計(jì)數(shù)狀態(tài)為0110 0000 時(shí)，向分個(gè)位發(fā)出脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)向高位進(jìn)位，同時(shí)通過(guò)反饋清零法秒計(jì)數(shù)器立即清零；分計(jì)數(shù)器對(duì)秒計(jì)數(shù)器發(fā)出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)滿60 即計(jì)數(shù)狀態(tài)為0110 0000 時(shí)，向時(shí)個(gè)位發(fā)出脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)向高位進(jìn)位，同時(shí)通過(guò)反饋清零法分計(jì)數(shù)器立即清零；時(shí)計(jì)數(shù)器對(duì)分計(jì)數(shù)器發(fā)出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)滿24 即計(jì)數(shù)狀態(tài)為0010 0100 時(shí)，立即通過(guò)反饋清零法清零。計(jì)數(shù)電路如圖4 所示。

圖4：計(jì)數(shù)電路圖

3.3 譯碼顯示電路

計(jì)數(shù)電路輸出的8421BCD 碼作為4511 譯碼器的輸入，通過(guò)時(shí)分秒各位對(duì)應(yīng)的CD4511 譯碼器譯碼后輸出驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示。CD4511 是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED 顯示器的BCD 碼—七段碼譯碼器，其七段輸出可驅(qū)動(dòng)共陰LED 數(shù)碼管。LED 數(shù)碼管采用共陰極接法，即七段LED 的陰極連在一起并接地，受CD4511 驅(qū)動(dòng)，在實(shí)際電路中應(yīng)與限流電阻串聯(lián)后接地。譯碼顯示電路圖如圖5 所示。

圖5：譯碼顯示電路圖

3.4 校時(shí)電路

校時(shí)電路由按鍵與RS 觸發(fā)器組成，分別對(duì)時(shí)位和分位進(jìn)行校正。當(dāng)按下按鍵，RS 觸發(fā)器輸出脈沖并與進(jìn)位脈沖一起送進(jìn)或門，作為時(shí)個(gè)位或分個(gè)位的計(jì)數(shù)脈沖，起到校時(shí)校分的功能。其中RS 觸發(fā)器還可作為按鍵的消抖電路，按鍵按下后只要不彈起到初始位置，RS 觸發(fā)器輸出不變，能很好消除按鍵抖動(dòng)帶來(lái)的輸出變化。校時(shí)電路圖如圖6 所示。

圖6：校時(shí)電路圖

3.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路

整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路主要由八輸入與非門、非門和蜂鳴器組成。八輸入與非門中七個(gè)輸入是分秒計(jì)數(shù)器的輸出8421BCD 碼計(jì)數(shù)結(jié)果，分別是分十位計(jì)數(shù)器的QAQC、分個(gè)位計(jì)數(shù)器的QAQD、秒十位計(jì)數(shù)器的QAQC 和秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的QA。當(dāng)達(dá)到整點(diǎn)前10 秒開始，八輸入與非門級(jí)聯(lián)非門輸出驅(qū)動(dòng)蜂鳴器響1 秒停1 秒的響5 次，工作原理如表1 所示，整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖如圖7 所示。

圖7：整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖

表1：整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路工作原理表

4 實(shí)體制作

4.1 焊接電路

根據(jù)整體電路的原理圖確定各模塊各元器件在焊接板上的位置，確定無(wú)誤后可進(jìn)行元器件的焊接。元器件焊接順序?yàn)橄入y后易，先低后高，先貼片后插裝。一般焊接順序依次為：貼片式器件、電阻、電容、二極管、三極管、集成塊、大功率管等其他元器件。焊接集成塊, 焊接時(shí)先焊接集成塊邊上的兩個(gè)引腳，使其定位，然后從上到下、從左到右依次焊接每個(gè)引腳。注意不要顛倒電容和蜂鳴器的“+”、“-”極。數(shù)字電子鐘實(shí)物電路板正面如圖8 所示，電路板反面如圖9 所示。

圖8：數(shù)字電子鐘電路板正面圖

圖9：數(shù)字電子鐘電路板反面圖

4.2 電路調(diào)試

主要采用分塊調(diào)試的方法調(diào)試電路，在每焊完一個(gè)電路模塊時(shí)便對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，可按照秒脈沖電路模塊、計(jì)數(shù)電路與譯碼顯示電路模塊、校時(shí)電路模塊、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路模塊的順序焊接調(diào)試。調(diào)試實(shí)物圖10 所示。調(diào)試的方法如下：

圖10：調(diào)試實(shí)物電路板圖

（1）焊接晶振電路后將輸出接到示波器查看輸出頻率是否是32.768kHz，調(diào)試無(wú)誤后焊接分頻電路模塊與晶振電路模塊，用示波器查看秒脈沖電路輸出信號(hào)是否為頻率1Hz的方波；

（2）焊接計(jì)數(shù)電路模塊和譯碼顯示模塊，根據(jù)LED 數(shù)碼顯示管的顯示來(lái)調(diào)試問題所在的模塊；

（3）焊接校時(shí)電路，檢查按鍵按下后對(duì)應(yīng)的LED 數(shù)碼管位是否隨之跳動(dòng)，跳動(dòng)是否有閃爍，根據(jù)具體問題調(diào)試；

（4）焊接整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路，在達(dá)到整點(diǎn)10 秒前，檢查蜂鳴器是否正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于74LS90中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)由秒脈沖電路、計(jì)數(shù)電路、譯碼顯示電路、校時(shí)電路和整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成的功能完整的數(shù)字電子鐘，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)顯示、校時(shí)校分、整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能。通過(guò)數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)與制作，可促進(jìn)掌握與應(yīng)用數(shù)字電子技術(shù)知識(shí)和電路焊接技能的提升，為更復(fù)雜更深層次的集成電路的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。