數(shù)字鐘是一種用數(shù)字顯示時、分、秒的計時裝置，與傳統(tǒng)的機械鐘相比，它具有走時準確、顯示直觀、無機械傳動裝置等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用，小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直?，大到車站、碼頭、機場等公共場所的大型數(shù)顯電子鐘。多功能數(shù)字鐘由以下幾部分組成：秒脈沖發(fā)生器；校時電路；六十進制的秒、分計數(shù)器和二十四進制的時計數(shù)器；秒、分、時的數(shù)碼顯示部分；報時電路等。制作要求如下。（1）能直接顯示“時”、“分”、“秒”十進制數(shù)字的石英數(shù)字鐘。（2）時間顯示為24小時制。（3）具有校時功能，可以對小時和分鐘單獨校時。（4）整點能自動報時，要求報時聲響四低一高，最后一響為整點。（5）走時精度高于普通機械時鐘（誤差不超過ls/d）。（6）畫出電路原理圖（或仿真電路圖）。（7）元器件及參數(shù)選擇焊接及調(diào)試。多功能數(shù)字鐘原理框圖多功能數(shù)字鐘原理框圖如圖1所示，由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、校時電路、整點報時電路六個功能模塊組成。振蕩器振蕩器是計時器的核心，主要用來產(chǎn)生時間標準信號，也叫時基信號。數(shù)字鐘的精度主要取決于時間標準信號的頻率及穩(wěn)定度。振蕩器的頻率越高，計時的精度就越高，但耗電量將增大。一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻后得到這一信號，也可釆用由555定時器構成的多諧振蕩器作為時間標準信號。分頻器振蕩器產(chǎn)生的時基信號通常頻率都很高，要使它變成能用來計時的“秒”信號，需由分頻器來完成。分頻器的級數(shù)和每級的分頻次數(shù)要根據(jù)時基頻率來定。例如，目前石英電子鐘多采用32768Hz的標準信號，將此信號經(jīng)過15級二分頻即可得到周期為1s的“秒”信號。也可選用其他頻率的時基信號，確定好分頻次數(shù)后再選擇合適的集成電路。計數(shù)器數(shù)字鐘的“秒”、“分”信號產(chǎn)生電路都由六十進制計數(shù)器構成，“時”信號產(chǎn)生電路由二十四進制計數(shù)器構成?！懊搿焙汀胺帧庇嫈?shù)器用兩塊十進制計數(shù)器來實現(xiàn)是很容易的，它們的個位為十進制，十位為六進制，這樣，符合人們通常計數(shù)習慣?！皶r”計數(shù)也可以用兩塊十進制計數(shù)器實現(xiàn)，只要做成二十四進制計數(shù)器就行了。上述計數(shù)器均可用反饋清零法來實現(xiàn)。譯碼顯示電路因選用的計數(shù)器全部采用二-十進制集成塊，因而計數(shù)器的譯碼顯示均釆用BCD-七段顯示譯碼器，顯示器采用共陰極或共陽極的七段顯示數(shù)碼管。校時電路在剛開機接通電源或計時出現(xiàn)誤差時，都需要對時間進行校正。校“時”電路的基本原理是將周期為0.5s的脈沖信號直接引進“時”計數(shù)器，同時將“分”計數(shù)器置零，讓“時”計數(shù)器快速計數(shù)，在“時”的指示達到需要的數(shù)字后，切斷0.5s的脈沖信號，再將0.5s的脈沖信號接到“分”計數(shù)器，同時秒計數(shù)器清零，“分”計數(shù)器快速計數(shù)，到合適值時，停止0.5s的脈沖信號輸入，實現(xiàn)校時。整點報時電路數(shù)字鐘整點報時是最基本的功能之一。此電路要求每當“分”和“秒”計數(shù)器計到59分50秒時，便自動驅動音響電路，在10s內(nèi)自動發(fā)出5次鳴叫聲，要求每隔1s叫一次，每次持續(xù)時間為1s,共響5次，并且前四次為低音，最后一響為高音，此時計數(shù)器正好為整點（“00”分“00”秒）。圖1多功能數(shù)字鐘原理框圖表1多功能數(shù)字鐘元器件功能表序號元器件代號型號及參數(shù)1石英晶體振蕩器32768Hz產(chǎn)生基準頻率214位二進制計數(shù)器/分頻器CD4060對基準頻率分頻3雙D邊沿觸發(fā)器74LS74二分頻4計數(shù)器74LS90分頻、計數(shù)5四2輸入與非門74LS006雙4輸入與非門74LS207共陰極七段譯碼驅動器74LS48譯碼8RS觸發(fā)器74LS279消除校時開關抖動9數(shù)碼管BS201顯示時間三極管3DG4驅動揚聲器330kO510010pf、39pf揚聲器8Q、0.5W報時按鍵開關、校時萬能板15X20秒信號產(chǎn)生電路秒信號產(chǎn)生電路分為振蕩電路和分頻電路兩部分，如圖2所示。振蕩電路由32768Hz的石英晶體和電容、電阻構成，產(chǎn)生32768Hz的振蕩頻率，32768Hz的頻率不能用來作為數(shù)字時鐘的輸入信號，必須將它變?yōu)?s的脈沖信號。32768Hz晶振的輸出送到U1芯片分頻，U1芯片選用CD406014級二分頻器，由輸出端Q14=32768Hz/214=32768Hz/16384=2Hz.再經(jīng)U2（選用74LS74）芯片進行2分頻，由輸出端Q0可得到周期為1s的脈沖信號?？梢杂肬1芯片的Q5、Q6端為整點報時提供頻率分別為1024Hz和512Hz的信號，因為fQ5=32768/25Hz=32768/32Hz=1024Hz,fQ6=32768/26Hz=32768/64Hz=512Hz。圖2秒信號產(chǎn)生電路時、分、秒計數(shù)電路有了秒脈沖信號，則可按照60秒為1分，60分為1小時，24小時為一天來設定時、分、秒計數(shù)電路。分和秒計數(shù)器都是模為60的計數(shù)器，采用中規(guī)模集成電路十進制計數(shù)器至少需要兩片?！懊搿眰€位計數(shù)器的時鐘CP信號是由分頻器提供的周期為1秒的脈沖信號，“分”個位計數(shù)器的CP信號是由秒計數(shù)器提供的進位信號，“分”計數(shù)器的進位信號送至“時”個位計數(shù)器的CP端。它們的個位是十進制計數(shù)器，而十位是六進制計數(shù)器，其計數(shù)規(guī)律為00—01...58—59—00...,當計滿60時產(chǎn)生一個進位信號。因此，可選用二-十進制計數(shù)器74LS90。采用反饋清零的方法實現(xiàn)六十進制計數(shù)器.其電路如圖3所示。圖3時、分、秒電路譯碼顯示電路譯碼顯示電路的功能是將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器輸出的4位代碼翻譯并顯示相應的十進制數(shù)的狀態(tài)，通常譯碼器和顯示器是配套使用的，如果選用共陰極發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器BS201,則譯碼顯示電路可采用74LS48七段譯碼驅動器。譯碼電路如圖4所示。校時電路當電子鐘出現(xiàn)走時誤差時，需要對時間進行校準。實現(xiàn)校時電路的方法很多，如圖5即可作為對時計數(shù)器或分計數(shù)器的校時電路。該電路作為分計數(shù)器的校時電路，圖5中采用RS觸發(fā)器作為無抖動開關。通過開關S的接入位置，可以選擇是將“2Hz信號”還是將“來自秒計數(shù)器的進位信號”送至分計數(shù)器的CP端。當開關S置于B端時，RS觸發(fā)器的輸出 Q=l,Q=0,此時“來自秒計數(shù)器的進位信號”送至分計數(shù)器的CP端，分計數(shù)器正常工作；當開關S置于A端時，RS觸發(fā)器輸出Q=O,Q=l,“2Hz信號”被送至分計數(shù)器的CP端，分計數(shù)器在“2Hz信號”的作用下快速計數(shù)，直至正確的時間，再將S置于B端，從而達到對分顯示的調(diào)整。同樣的電路也適用于對時計數(shù)器的校準。圖5校時電路整點報時電路整點報時電路如圖7.6所示，包括控制門電路和音響電路兩部分。第一部分為控制門電路。當“分”和“秒”計數(shù)器計到59分50秒時，從59分50秒到59分59秒之間，只有“秒”個位在計數(shù)，而“秒”的十位,“分”的個位，“分”的十位C=QC4QA4QD3QA3QC2QA2作為控信號，在每小時的最后10s內(nèi)C=l。門U5輸入端加有頻率1024Hz的信號f1（可取自分頻器CD4060的Q5端同時又受QD1和QA1的控制，即C在59s時，QD1QA1C=1,門U6被關閉，門U5打開，f1信號通過門U5；門U6輸入端加有頻率512Hz的信號f2（可取自分頻器Q6端），同時又受QD1和QA1控制，即c在51s、53s、55s、57s時,門U5被關閉，門U6打開，f2信號通過門U6,則Y=QD1QA1Cf1+QD1QA1Cf2，即可實現(xiàn)前四響為512Hz的低音，后一響為1024Hz的高音，最后一響完畢正好整點。第二部分為音響電路部分。該電路選用射極跟隨器，推動揚聲器發(fā)聲。三極管選用高頻小功率管3DG4,三極管基極串聯(lián)1kΩ限流電阻，是為了防止電流過大燒壞揚聲器。圖6整點報時電路多功能數(shù)字鐘電路如圖7所示。圖7多功能數(shù)字鐘電路數(shù)字萬用表一塊、數(shù)字邏輯實驗箱一臺、直流穩(wěn)壓電源一臺、數(shù)字頻率計一臺、示波器一臺，元器件清單如表2所示。表2多功能數(shù)字時鐘元器件清單元器件名稱型號規(guī)格數(shù)量備注石英晶體振蕩器32768Hz114位二進制計數(shù)器/分頻器CD4060DIP161雙D邊沿觸發(fā)器74LS74DIP141計數(shù)器74LS90DIP146四2輸入與非門74LS00DIP143雙4輸入與非門74LS20DIP142六反相器74LS04DIP141RS觸發(fā)器74LS279DIP161共陰極七段譯碼驅動器74LS48DIP166數(shù)碼管BS201共陰極0.56三極管3DG41330kΩ111510Ω14139pf電解可調(diào)1揚聲器8Ω、0.5W1開關雙向撥動2按鍵1萬能板15X201電路元器件檢測1）CD4060的檢測CD4060為14位二進制計數(shù)器/分頻器，可以通過實驗箱將4MHz的頻率接到CD4060的輸入端，用頻率計或示波器檢測輸出端的頻率，如果輸出參數(shù)正常，則器件可用。2）74LS00、74LS20,74LS90,74LS48的檢測對于74LS00、74LS20可以通過實驗箱進行邏輯驗證來確定其完好與否；對于74LS90可以將其接成10進制計數(shù)器利用實驗箱的BCD碼型顯示部分，驗證是否完好；74LS48可以與驗證合格的74LS9O和實驗箱上的數(shù)碼管配合檢測，顯示正確證明其完好可用。3）3DG4的檢測3DG4為硅NPN型超高頻小功率晶體管，可以利用數(shù)字萬用表的卜成擋測試其放大倍數(shù)等參數(shù)，若與參數(shù)對照表基本一致，則器件完好。1）安裝裝與調(diào)試將檢測合格的元器件按照秒信號產(chǎn)生電路、時、分、秒計數(shù)電路、譯碼顯示電路、整點報時電路和校時電路六個模塊將相應的元件封裝底座焊接到萬能板上，然后逐級進行合理布線。注意數(shù)碼管屬于易損壞元件，因此插接數(shù)碼管處均用DIP10插座代替，一旦損壞可直接拔下更換而不需要重復焊接和布線。2）調(diào)試步驟（1）仔細檢査、核對電路與元器件，確認無誤后接通電源。（2）用頻率計和示波器檢測秒信號發(fā)生電路的輸出信號應為為1Hz波形應為矩形波。（3）對計數(shù)器和顯示電路的調(diào)試，先測試秒顯示是否為六十進制.然后用按鍵將0.5秒信號分別接到時、分計數(shù)器，顯示應為二十四和六十進制。（4）觀察校時電路的功能是否滿足要求。（5）將時間調(diào)整到59分50秒，觀察報時電路是否準確報時。（6）整機聯(lián)調(diào)，使多功能數(shù)字鐘正常工作。|電路檢測與故障排除1）秒信號產(chǎn)生電路秒信號產(chǎn)生電路的檢測首先用數(shù)字頻率計測試晶振電路的輸出頻率是否為32768Hz,如果為此頻率，證明晶振電路正確；然后用頻率計測試CD4060的第三管腳輸出頻率是否為2Hz；最后檢測74LS74輸出是否為1Hz,參數(shù)符合即證明秒信號產(chǎn)生電路正確。2）時、分、秒計數(shù)電路此部分電路的檢測可以借助數(shù)字實驗箱，分別將1秒信號分別送入時、分、秒計數(shù)器，將計數(shù)器輸出端與數(shù)字實驗箱的顯示部分相連，檢查各計數(shù)器的工作情況，對故障電路排除。3）譯碼顯示電路譯碼顯示電路的檢測可以