数字时钟工作原理

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1、数字时钟工作原理数字时钟工作原理 您可能在卧室里的床边放置有一个数字时钟。您有没有在清晨看到它时， 想知道它是怎么工作的？ 在本文中，您将确切地了解到数字时钟（或电子表）的工作原理。事实上，您将 会学会如何设计自己的时钟！ 若要了解数字时钟的原理，您必须深入了解时钟内部的情况。让我们开始吧！ 所有时钟（不管采用什么技术）都有几个必需的组件： 时钟的能量源 在摆钟里面，钟锤或弹簧充当能量源。 充当时钟心脏的准确时基 在摆钟里面，钟摆和擒纵装置提供此功能。 将时基转换为精确的时间单位（时、分、秒）的组件 在摆钟里面，齿轮提供此功能。 显示时间的组件 在摆钟里面，指针和钟面提供此功能。 电子时钟也跟

2、这差不多。 只不过，它是以电子方式而不是机械方式来完成这些功 能。 因此在电子时钟里面，有一个电源（可能是电池或从墙壁插座接入的 120 伏交流电） ，一个电子时基按某种已知的精确速度发出信号，一个类似“齿轮装 置”的某种电子部件，数字时钟通常使用“计数器”部件完成时基转换。 此外 还有一个显示屏，通常是 LED（发光二极管）或 LCD（液晶显示屏） 。 以下内容可帮助您对数字时钟的元件有一个更深层次的了解。 时钟的心脏部分是一个可以生成精确的 60 赫兹（每秒振荡数）信号的部件。该 部件使用两种方法生成此信号： 该信号可以从普通电源线中的 60 赫兹振荡提取。许多从墙壁插座获取电源的时 钟都

3、使用该方法，因为它既便宜又方便。电源线上的 60 赫兹信号相当精确，完 全可以实现此目的。 该信号也可以使用晶体振荡器生成。显然， 使用电池的时钟或手表都会用这种方 法。它需要更多的部件，不过通常更加精确。 60 赫兹信号使用计数器进行细分。在设计自己的时钟时，通常 TTL 部件会使用 7490 十进制计数器。此部件可配置为除以 2 到 10 之间的任意数，并生成一个二 进制数作为输出。因此在采用 60 赫兹时基时，先除以 10，再除以 6，这样您就 可以得到 1 赫兹 （每秒振荡一次） 信号。 这个 1 赫兹非常适合驱动显示屏的 “秒 钟”部分。到此，时钟的设计进度如方块图中所示： UnRe

4、gistered要实际看到秒数， 计数器的输出需要驱动一个显示屏。 两个计数器会产生二进制 数。除 10 计数器输出 0-1-2-3-4-5-6-7-8-9 序列，而除 6 计数器输出 0-1-2-3-4-5 序列。我们需要在 7 段显示屏上显示这些二进制数。7 段显示屏上有七个条，通 过亮显不同的条，您可以显示不同的数字： 若要将0到9之间的二进制数转换为相应的信号来驱动7段显示， 您可以使用 （相 应命名的） “二进制数到 7 段显示转换器” 。该芯片查看传入的二进制数，然后在 7 段 LED 上开启相应的条来显示该数。如果我们显示秒，则时钟的秒数部分会 显示如下： 此阶段的输出会按一分钟

5、一个周期的频率振荡。 可以想象时钟的分钟部分与这部 分是完全相同的。最后，小时部分几乎也是相同的，只是除 6 计数器替换为除 2 计数器。 现在还剩下两个细节，可用来判断您是否设计了一个真正的时钟： 这里设计的时钟并不知道在 12:59:59 时循环到 1:00。 这是一个小难题， 不过有许 多解决方法。一种方法是设计一个能够检测到 13 并且将小时部分重置为 1（非 零）的小逻辑位。另一种方法是使用一个加法器。 就我们的目的而言，采用 24 小时格式时更容易处理，因为 24 小时格式的时间包括 0 小时。 我们需要一种方法来设定时钟。 通常， 可以在分钟部分中输入比正常情况下高的 频率。例如

6、，大多数时钟都有一个“快”和“慢”设定按钮。当您按“快”按钮 时，60 赫兹信号直接输入分钟计数器。当您按“慢”按钮时，1 赫兹信号会输入 分钟部分。还可能有其他的方法，不过这是最常用的一种。 UnRegistered现在让我们看看，要构造一个真正的时钟，我们必须完成哪些工作！ 了解数字时钟的不同元件以及这些元件如何协同工作的最好方法是动手实践， 按 相应的步骤自制数字时钟。这里我们只设计时钟的“秒钟”部件，您可以很容易 进一步拓展，设计出包括时、分、秒的完整时钟。要了解这些步骤，您需要阅读 布尔逻辑的应用和电子门工作原理。特别是，电子门文章会向您介绍 TTL 芯片、 电路试验板和电源。 如果

7、您已经按该文的介绍研究了电子门，这里的描述会更 有意义。 您首先需要一个电源。我们在电子门一文中曾设计了一个电源。当时，我们使用 一个标准的市电转换器生成直流电，然后使用 7805 调制成 5 伏。对于时钟，我 们需要有所改变，因为我们要从电源线提取 60 赫兹时基。这意味着，我们需要 用交流转换器而不是直流转换器， 我们将会使用一个桥式整流器将直流转换成交 流。因此，我们需要用以下部件来设计电源： 部件名称 Jameco 部件号 12 伏交流转换器 115602 桥式整流器 103018 7805 5 伏调节器 (TO-220) 51262 两个 470 微法的电解电容 93817 5.1

8、伏稳压二极管 36097 1K 欧姆电阻 29663 有关所用部件的几条说明： 此处使用的交流转换器与我们在关于电子门的文章中所用的直流转换器之间的 区别是交流转换器保留 120 市电中的 60 赫兹正弦波。如果要使用您的万用表测 量交流转换器的电压，请确保使用交流电压量程而不是直流量程。 我们使用桥式整流器将直流电转换成交流电。整流器的一端标有“+” ，根据这个 记号您可以找到“-”和交流输入。交流转换器没有极性，因此哪个转换器引线 连接到整流器的哪根交流引线没有什么关系。 7805 和电容的连线与电子门一文中的介绍相同。 电阻和稳压二极管将从转换器的正弦波提取 60 赫兹信号。 二极管是电

9、子的单向 电子管。 稳压二极管也是一个单向电子管， 只不过在高于特定电压时还会朝另一 方向传递电子。因此，稳压二极管会将 10 伏正弦波转换成在 0 伏和 5 伏间振荡 的限幅波。这非常适合对 TTL 计数器计时。1K 欧姆的电阻可确保流向稳压二极 管的电流受到限制， 这样就不会烧坏二极管。 二极管上带有条纹的一端应该与电 阻相连。 下面是电源和时基的电路图： UnRegistered正如有关电子门的文中所述，电源是最困难的一部分！ 要构造时钟的其余部分，您需要： 至少四个 7490 或 74LS90 芯片 至少两个 7447 或 74LS47 二进制到七段转换器 至少 20 个用于七段显示屏

10、中的发光二极管的电阻（最好 330 欧姆） 。 一些普通的 LED 至少两个共阳极（CA）七段发光 LED 显示屏（通常采用 Jameco 部件号 17208） 电路板、线等（有关详细的列表，请参见此页。 ） 您需要的芯片、电阻和 LED 数量取决于要实现的位数。这里我们只讨论秒，因 此是“至少”的数量。 让我们简要地看一下 7490 是如何工作的。它的引线如下所示： 7490 是一个十进制计数器，这表示它能够从 0 到 9 循环计数，这也是它的自然 态序。更确切地说，QA、QB、QC 和 QD 分别代表二进制数的 4 个数位，这些 引线从 0 循环到 9，如下所示： QD QC QB QA

11、0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 UnRegistered1 0 0 1 您还可以对芯片进行设置，使其计数到其他最大数字，然后再恢复到 0。设置方 法是更改 R01、R02、R91 和 R92 线的连接。如果 R01 和 R02 都是 1（5 伏）并 且 R91 或 R92 为 0（接地） ，则芯片会将 QA、QB、QC 和 QD 重置为 0。如果 R91 和 R92 都是 1（5 伏） ，则 QA、QB、QC 和 QD 上的计数将是 1001（5） 。因 此： 若要构造一个除 10

12、计数器，您应该先将引线 5 连接到+5 伏，再将引线 10 接地 来给芯片供电。然后将引线 12 连接到引线 1，将引线 2、3、6 和 7 接地。在引 线 14 上运行来自时基或上一个计数器的输入时钟信号。然后在 QA、QB、QC 和 QD 上输出。将引线 11 上的输出连接到下一个阶段。 若要构造一个除 6 计数器，您应该先将引线 5 连接到+5 伏，再将引线 10 接地来 给芯片供电。然后将引线 12 连接到引线 1，将引线 6 和 7 接地。将引线 2 连接 到引线 9，将引线 3 连接到引线 8。在引线 14 上运行来自时基或上一个计数器 的输入时钟信号。在 QA、QB 和 QC 上

13、输出。使用引线 8 连接到下一个阶段。 知道了这些，您就很容易创造数字时钟的秒针。 如下所示： 在此示意图中，上面两个 7490 会将电源的 60 赫兹信号除系数 60。第三个 7490UnRegistered获取 1 赫兹输入信号，将其除 10，它的四个输出驱动此示意图中的普通 LED。 第四个 7490 将第三个 7490 的输出除 6，然后它的三个输出也驱动普通的 LED。 此时您已经为时钟设计好了秒针，秒针的输出表现为二进制形式。 如果要构造用 二进制显示时间的时钟，则已经实现了！下图所示的电路板包含一个除 10 计数 器、一个除 6 计数器以及一组用来以二进制形式显示计数器输出的 L

14、ED： 从左边进入图片的几根线分别是电路板的电源线、接地线 和时钟线。 左边的计数器是一个设置为除 10 的 7490，右 边的计数器是一个设置为除 6 的 7490。 如果组装更紧凑、布线更简洁，则一个电路试验板上最多可装四个计数器。 如果要以数字方式显示时间，您需要使用 7447。以下是 7447 的引线，以及 7 段 LED 的段标签： 可以用如下方法将 7447 连接到 7490： 在引线 16 上提供+5V 电源，并且将引线 8 接地来为 7447 芯片供电。 分别将 QA、QB、QC 和 QD 从 7490 连接到 7447 的引线 7、1、2 和 6。 将 330 欧姆的电阻连接

15、到 7447 的引线 13、12、11、10、9、15 和 14，然后将这 些电阻连接到 7 段 LED 的 a、b、c、d、e、f 和 g 段。 将 7 段 LED 的共阳极连接到+5 伏。 UnRegistered您必须有适合所用特定 LED 显示屏的插脚引线， 以便知道如何将 7447 的输出连 线到 7 段显示装置中的 LED。 （此外请注意 7448 与 7447 功能相同，只不过它驱 动共阳极显示屏。在此情况下将 LED 的共阳极接地。 ） 您会发现，通过拓展电路，我们很容易构造一个完整的时钟。要构造时钟的“分 针”部分，您只需要复制“秒针”部分。要构造“时针”部分，您将需要完成一

16、 些创造性的工作。 可能最容易的解决方法是构造以 24 小时格式显示时间的时钟。 这样，您只需使用一个与门（或 7490 的 R 输入）来识别二进制数 24，然后使用 识别器的输出将小时计数器重置为 0。 最后需要构造的部件是设定机制。在电路试验板上很容易设定时钟， 只需移动输 入线，将更高频率的信号输入时钟的分针部分即可。在真正的时钟上，您需要使 用按钮或开关以及门控来实现这些功能。 如果碰巧拆开了床头的时钟或手表，您会发现里面可能并没有 15 个 TTL IC。事 实上，您可能连一个芯片都找不到。在大多数现代化的钟表上，时钟的所有功能 （包括闹钟和其他任何功能）都集成到一个低功耗的芯片中（在手表中，芯片和 显示屏加在一起功耗也只有约 1 瓦的百万分之一） 。这个芯片可能直接被嵌入到 电路板中。 您可能会看到一小块保护该芯片的黑色塑料。 这一个微小的芯片包含 了我们