高偉元,楊 棟,李盼亮,高 晗,丁 鵬

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070）

隨著科技水平的不斷發(fā)展進(jìn)步，數(shù)字集成電路的應(yīng)用范圍也越來越廣闊，生活中有許多應(yīng)用數(shù)字集成電路的東西，比如生活中常見的數(shù)字電子時(shí)鐘。數(shù)字電子時(shí)鐘具有的基本功能為能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，顯示時(shí)、分、秒、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正、具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)以及復(fù)位功能，數(shù)字電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)可以使我們更好的掌握課本內(nèi)的理論知識(shí)，以理論結(jié)合實(shí)際，應(yīng)用知識(shí)解決日常生活的問題，以及體驗(yàn)科技給我們生活帶來的便利。

1 設(shè)計(jì)思路

數(shù)字電子時(shí)鐘的核心就是秒脈沖發(fā)生器和進(jìn)制電路，通過秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖給秒計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)脈沖，然后在通過進(jìn)制電路給分、時(shí)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)脈沖，進(jìn)而達(dá)到秒計(jì)數(shù)電路每60s向分計(jì)數(shù)電路進(jìn)一位，然后自動(dòng)清零；分計(jì)數(shù)電路每60min向時(shí)計(jì)數(shù)電路進(jìn)一位，然后自動(dòng)清零；時(shí)計(jì)數(shù)電路每24h自動(dòng)清零的目的。由于需要校準(zhǔn)時(shí)間和芯片的鎖存功能，需要為電路的分和時(shí)計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)復(fù)位功能和校正功能。具體數(shù)字電子時(shí)鐘框圖如圖1所示。

圖1 電子時(shí)鐘框圖

2 模塊電路的設(shè)計(jì)

2.1 秒脈沖電路模塊

1Hz的計(jì)數(shù)脈沖是通過32768Hz的石英晶振經(jīng)過14分頻和2分頻所得，具體電路如圖2所示。

圖2 秒脈沖電路

2.2 秒計(jì)數(shù)和分計(jì)數(shù)電路模塊

秒計(jì)數(shù)電路模塊采用反饋清零法，即利用74LS160芯片的異步清零端，當(dāng)秒計(jì)數(shù)電路到達(dá)60（01100000B）時(shí)，用秒計(jì)數(shù)電路十位輸出端的Q1，Q2的高電平加與非門對兩片芯片的步清零端加低電平進(jìn)行清零。具體電路如圖3所示。

圖3 秒計(jì)數(shù)電路模塊

分計(jì)數(shù)電路模塊和秒計(jì)數(shù)電路模塊功能類似，接法也類似，均采用反饋清零法。

2.3 時(shí)計(jì)數(shù)電路模塊

時(shí)計(jì)數(shù)電路模塊也采用反饋清零法，即利用74LS160芯片的異步清零端，當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)電路到達(dá)24（00010100B）時(shí)，用時(shí)計(jì)數(shù)電路十位輸出端的Q1和個(gè)位的輸出端Q2的高電平加與非門對兩片芯片的步清零端加低電平進(jìn)行清零。具體電路如圖4所示。

圖4 時(shí)計(jì)數(shù)電路模塊

2.4 總體電路設(shè)計(jì)

通過秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖給秒計(jì)數(shù)電路時(shí)鐘脈沖，秒計(jì)數(shù)電路在60s的時(shí)候給分計(jì)數(shù)電路一個(gè)脈沖的上升沿，讓分計(jì)數(shù)電路每60s自動(dòng)加1，進(jìn)而給分計(jì)數(shù)電路每60s一個(gè)上升沿的時(shí)鐘脈沖，然后在通過分計(jì)數(shù)電路在60min的時(shí)候給時(shí)計(jì)數(shù)電路一個(gè)脈沖的上升沿，讓時(shí)計(jì)數(shù)電路每60min自動(dòng)加1，進(jìn)而給時(shí)計(jì)數(shù)電路每60min一個(gè)上升沿的時(shí)鐘脈沖。對于復(fù)位和校正功能，可以利用74LS160芯片的清零端對分進(jìn)制電路和時(shí)進(jìn)制電路進(jìn)行復(fù)位，利用秒脈沖給分計(jì)數(shù)電路和時(shí)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行自動(dòng)校正。

當(dāng)數(shù)字電子時(shí)鐘的分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)電路到59（01011001B）分 59（01011001B）秒時(shí)，蜂鳴器響起，進(jìn)行一秒鐘的整點(diǎn)報(bào)時(shí)操作，即需要兩個(gè)四輸入與門和兩輸入與門，當(dāng)分計(jì)數(shù)、秒計(jì)數(shù)電路的十位的Q2、Q0和個(gè)位的Q3、Q0同時(shí)為高電平時(shí)，給蜂鳴器一個(gè)高電平，蜂鳴器響起。具體電路如圖5所示。

圖5 總體電路圖

3 電路仿真

在用Proteus電路仿真過程中要注意，由于模擬晶振會(huì)占用大量的CPU運(yùn)算空間，會(huì)導(dǎo)致電腦卡頓和仿真的結(jié)果不準(zhǔn)確，所以在實(shí)際仿真的過程中可以將振蕩電路部分取掉，雙擊4060芯片，直接給4060芯片設(shè)置輸入脈沖為32768Hz，或者直接給秒脈沖輸入端給軟件的秒脈沖。仿真電路如圖6所示。

圖6 仿真電路圖

4 誤差與分析

1）石英晶振產(chǎn)生的脈沖在經(jīng)過4060芯片的14分頻之后會(huì)出現(xiàn)波形的嚴(yán)重失真，會(huì)對秒脈沖有較大影響，導(dǎo)致計(jì)數(shù)出現(xiàn)誤差。經(jīng)過波形的測試，發(fā)現(xiàn)10分頻之后，波形會(huì)逐漸出現(xiàn)失真，分頻越高失真越大，所以可以先采用4060芯片對脈沖進(jìn)行10分頻，然后在對脈沖進(jìn)行6分頻，以此來改善秒脈沖的波形。

2）在實(shí)物仿真中，會(huì)發(fā)現(xiàn)校時(shí)的時(shí)候，打開或者關(guān)閉單刀雙擲開關(guān)，會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)數(shù)字出現(xiàn)隨意跳動(dòng)的問題，這是因?yàn)殚_關(guān)的抖動(dòng)，導(dǎo)致校時(shí)不準(zhǔn)確，因此可以加入施密特觸發(fā)器來防止開關(guān)抖動(dòng)造成的校時(shí)不準(zhǔn)確的問題。