黃紅飛，陳亦兵

（廣東茂名廣播電視大學(xué) 廣東 茂名 525000）

數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用[1]。數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法有許多。其電路一般設(shè)有校時(shí)功能，當(dāng)計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，電路可以進(jìn)行校時(shí)、校分和校秒[2]。通常，用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘的校時(shí)電路，其校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)[2]。筆者以中規(guī)模數(shù)字集成芯片74LS162設(shè)計(jì)數(shù)字鐘為例，介紹一種簡單、易操作的校時(shí)電路，而且數(shù)字鐘時(shí)間校準(zhǔn)的操作不需加入專門的校時(shí)脈沖信號(hào)。

1 數(shù)字鐘電路框圖

通常的數(shù)字鐘都是由產(chǎn)生頻率為1 Hz時(shí)鐘信號(hào)電路、60進(jìn)制和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器、譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示和校時(shí)電路等幾個(gè)單元電路構(gòu)成[2]。頻率為1 Hz方波信號(hào)電路已有比較成熟的技術(shù)，用晶體振蕩器或者555多諧振蕩電路均可容易獲得[3]。而數(shù)字鐘的譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元電路的設(shè)計(jì)更是簡單。因此，本文只介紹數(shù)字鐘計(jì)數(shù)單元的設(shè)計(jì)和時(shí)鐘的校時(shí)功能。

下面用數(shù)字鐘的層次原理圖[4]表達(dá)本電路的設(shè)計(jì)框圖，由圖1可見，電路設(shè)計(jì)有兩個(gè)60進(jìn)制和一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器；每塊計(jì)數(shù)器芯片的時(shí)鐘輸入端CP端均接同一個(gè)CP信號(hào)，CP信號(hào)頻率為1 Hz；控制電路其實(shí)是一個(gè)開關(guān)，通過開關(guān)的接通與斷開輸出高、低電平信號(hào)送至所有計(jì)數(shù)器的置數(shù)端，同時(shí)控制計(jì)數(shù)器置數(shù)或加法計(jì)數(shù)；校時(shí)電路由多個(gè)開關(guān)組成，通過開關(guān)動(dòng)作將相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送至計(jì)數(shù)器的4個(gè)并行數(shù)據(jù)端 D3、D2、D1、D0，予以調(diào)整時(shí)間值。

2 “60進(jìn)1”和“23翻0”的計(jì)時(shí)原理

中規(guī)模集成芯片74LS162是本文設(shè)計(jì)數(shù)字鐘電路的主要芯片，它是同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其功能表如表1所示。

由表1可知，74LS162主要有3種工作模式：同步清零、同步并行預(yù)置數(shù)和計(jì)數(shù)模式。3種工作模式都要求與CP上升沿同步操作。用其同步清零和同步置數(shù)的功能，可以設(shè)置任意進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。本文用同步清零實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒電路；其同步置數(shù)則實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能。

2.1 60進(jìn)制分鐘和秒鐘計(jì)時(shí)電路

圖1 數(shù)字鐘框圖Fig.1 Block diagram of digital clock

表1 74LS162的功能表Tab.1 74LS162 menu

圖2 60進(jìn)制分鐘和秒鐘計(jì)時(shí)電路圖Fig.2 60 decimal minutes and seconds timer circuit

通常，數(shù)字鐘的分鐘和秒鐘計(jì)時(shí)電路要設(shè)計(jì)為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器[1]。如圖2所示，是分鐘和秒鐘計(jì)時(shí)電路，分別用兩個(gè)74LS162芯片構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它們的個(gè)位芯片接成十進(jìn)制形式，個(gè)位在1 Hz CP信號(hào)上升沿作用下按照8421BCD碼進(jìn)行加法計(jì)數(shù)[1]，將此塊芯片的進(jìn)位輸出端“TC”聯(lián)接到十位芯片的使能端“CEP”和“CET”，此聯(lián)接實(shí)現(xiàn)“逢十進(jìn)一”的功能。十位芯片的設(shè)置非常重要，它要求有“60進(jìn)1”的功能。由于74LS162有同步清零功能，十位芯片按（N-1）值反饋清零法[1]設(shè)為六進(jìn)制（即N=6）形式。所謂（N-1）值反饋清零法是利用清零端“”和與非門，將（N-1）對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼中等于“1”輸出端，通過與非門反饋到清零端“CR”，使電路輸出回零。因?yàn)镹=6，其 （N-1）所對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為0101，所以電路將輸出端Q2和Q0接至與非門進(jìn)行反饋。但是，這樣設(shè)置電路在運(yùn)行到“50”時(shí)，電路便回零了。因此用74LS162同步清零設(shè)計(jì)分鐘和秒鐘時(shí)，再將個(gè)位芯片的進(jìn)位輸出端“TC”也通過三輸入與非門74LS10進(jìn)行反饋便能實(shí)現(xiàn)“59 翻 0”[1]的功能了。

在本電路的設(shè)計(jì)中有一條非常重要的連線，就是與非門74LS10輸出的信號(hào)除用作自身輸出回零外，此信號(hào)再經(jīng)一級(jí)與非門取反后，連至下一級(jí)計(jì)數(shù)器單元電路的使能端“CEP”和“CET”。此設(shè)計(jì)的結(jié)果是分、秒計(jì)數(shù)器運(yùn)行至“59”時(shí)，通過與非門反饋回零的低電平信號(hào)“0”，再經(jīng)過一非門變?yōu)楦唠娖健?”。 根據(jù)數(shù)字鐘“60 進(jìn) 1”[1]運(yùn)行規(guī)律：秒計(jì)數(shù)器“59 翻 0”的同時(shí)，分計(jì)數(shù)器要按十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)“加一”；分計(jì)數(shù)器“59翻0”的同時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器也按十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)“加一”。因此，本電路將此高電平送至下一級(jí)使能端，控制下一級(jí)計(jì)數(shù)器單元電路進(jìn)入加法計(jì)數(shù)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘“60進(jìn)1”。其設(shè)計(jì)不同凡響！

2.2 24進(jìn)制時(shí)鐘計(jì)時(shí)電路

相對(duì)于分和秒計(jì)數(shù)器，時(shí)計(jì)數(shù)器電路的設(shè)計(jì)較為簡單。由于74LS162是同步清零，時(shí)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)也采用（N-1）反饋清零法。如圖3所示，兩片74LS162連接成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其個(gè)位接成四進(jìn)制（N=4）計(jì)數(shù)器形式，十位接成三進(jìn)制（N=3）計(jì)數(shù)器形式即可。兩片計(jì)數(shù)器輸出（N-1）的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼中等于“1”的輸出端經(jīng)與非門反饋后同時(shí)送到兩芯片的清零端“”，使電路以“23翻0”計(jì)時(shí)規(guī)律運(yùn)行。分計(jì)數(shù)器回零信號(hào)經(jīng)非門取反后送至?xí)r計(jì)數(shù)器個(gè)位芯片（圖3右面片）使能端“CEP”和“CET”。這是時(shí)鐘計(jì)時(shí)電路與分鐘計(jì)時(shí)電路之間的必要聯(lián)接，使得分計(jì)數(shù)器回零的同時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器按十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)“加一”。

3 校時(shí)功能

本電路設(shè)計(jì)的校時(shí)操作非常簡單、方便，只要?jiǎng)幼鏖_關(guān)便可進(jìn)入校時(shí)狀態(tài)。開關(guān)設(shè)在圖2中右下角。

校時(shí)具體操作如下：

1）外接開關(guān)S21。由圖2可見，通過動(dòng)作開關(guān)S21輸入信號(hào)控制所有計(jì)數(shù)器芯片的置數(shù)端。當(dāng)開關(guān)S21閉合，置數(shù)端通過開關(guān)接地，所有計(jì)數(shù)器置數(shù)端獲得低電平“0”信號(hào)，當(dāng)CP上升沿到來時(shí)，計(jì)數(shù)器允許并行預(yù)置數(shù)D3D2D1D0；當(dāng)開關(guān)S21斷開，置數(shù)端與地開路，置數(shù)端獲得高電平“1”信號(hào)，則計(jì)數(shù)器進(jìn)行十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。

2）4 個(gè)并行輸入數(shù)據(jù)端D3D2D1D0分別外接開關(guān)，如圖2和圖3所示。本電路中預(yù)置的數(shù)據(jù)D3D2D1D0就是需設(shè)定的時(shí)間值。由于二進(jìn)制與十進(jìn)制之間可以相互轉(zhuǎn)換，設(shè)開關(guān)斷開，輸入數(shù)據(jù)為高電平“1”；當(dāng)開關(guān)閉合，輸入數(shù)據(jù)為低電平“0”。所以，校正時(shí)間值時(shí)需將標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的8421BCD碼，8421BCD碼的4位二進(jìn)制數(shù)則由其對(duì)應(yīng)開關(guān)動(dòng)作輸入即可。電路共設(shè)有20個(gè)開關(guān)分別調(diào)整時(shí)、分、秒的時(shí)間值。每個(gè)開關(guān)動(dòng)作一次確定了時(shí)間值。實(shí)際上，數(shù)字鐘電路中分和秒計(jì)數(shù)器十位芯片的最高位端D3不需外接開關(guān)；時(shí)計(jì)數(shù)器十位芯片的二個(gè)高位端D3D2也不需要。從而簡化電路結(jié)構(gòu)并減少了元件。

可見，本數(shù)字鐘的時(shí)間值均可簡單通過開關(guān)動(dòng)作設(shè)定。當(dāng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，接通開關(guān)S21，各計(jì)數(shù)器允許“并行預(yù)置數(shù)”。由于所有計(jì)數(shù)器芯片的計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端CP端均接有同一個(gè)CP信號(hào)，用此CP信號(hào)上升沿觸發(fā)“并行預(yù)置數(shù)”。電路CP端的設(shè)置方法實(shí)現(xiàn)了時(shí)、分、秒校時(shí)的操作是任意的和互不干擾的。校時(shí)的操作無需截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路和加入校時(shí)脈沖信號(hào)，而且與4個(gè)數(shù)據(jù)端D3D2D1D0相連的開關(guān)最多動(dòng)作一次就確定了要調(diào)整的時(shí)間值。當(dāng)時(shí)、分、秒的時(shí)間值分別設(shè)定后，便斷開開關(guān)，置數(shù)端恢復(fù)高電平“1”，計(jì)數(shù)器進(jìn)行十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)，時(shí)鐘繼續(xù)正常運(yùn)行。本電路的設(shè)計(jì)能對(duì)秒的時(shí)間值進(jìn)行調(diào)整，因此電路精確度高。

圖3 24進(jìn)制時(shí)鐘計(jì)時(shí)電路圖Fig.3 24 decimal clock timing circuit

4 結(jié) 論

基于中小規(guī)模集成電路而設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘，其基本元件是計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的功能非常多，如何掌握并靈活應(yīng)用其基本理論呢。本文從設(shè)計(jì)的電路簡單可行、容易操作、理論聯(lián)系實(shí)際入手，靈活應(yīng)用集成電路74LS162的同步清零和同步置數(shù)功能。電路的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了數(shù)字集成電路的應(yīng)用性、實(shí)踐性，并強(qiáng)化了實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

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