数字电子钟实验报告(2)

图2.6 时计数器

74LS191是带异步置数端的16进制可逆计数器，设计成0-9的10进制加法器和2→1的减法计数器，用它做1-9的计数何从12→1的减法计数。74LS74是D触发器，用作时十位计数。

工作过程：74LS191从0开始计数，到第九个技术脉冲过后，其输出为1010，与非门G1输出低电平，计数器异步置零，与非门G1又回到高电平。与非门G1回到高电平的瞬间（上升沿），74LS74触发器被置1，完成9-10的进位过程。第十一、十二个脉冲过后计数状态分比为10001/10010，这时与非门G2输出低电平，计数控制端为高电平74LS191被设置为减法计数器，第十三个脉冲到来是74LS191的状态由0010转变为0001.这时，与非门G3的两输入端都为高电平，输出变为低电平，使D触发器清零，整个计数器的状态为00001，完成了从12→1的状态转换。同时计数器74LS191的控制端又恢复为低电平，重新开始下一个12的计数周期。

④译码、驱动及显示电路

各计数单元的计数器实现了对时间的累计，并分别从Q0-Q3端以BCD码的形式输出，译码驱动显示电路是将计数器的输出数码转换为数码显示器所需要的逻辑并驱动显示器进行显示。图2.7是使用CD4511作为译码驱动电路，选用LED数码管作为显示器。CD4511是CMOS BCD码到7段锁存、译码、驱动电路，它可以直接驱动共阴极LED，图中电阻器限流的作用，其阻值应根据电源电压来决定，一般限制LED数码管每段笔画10mA左右。

图2.7 译码、驱动及显示电路

⑤时分校正电路

当数字钟刚接通电源或计时出现误差时，需要校正时间，校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子钟都有时、分、秒等校时功能。

对校时电路的要求是：在小时校正的时候不影响分和秒的正常计数，在分校正时不影响小时和秒的正常计数。校时方法有快校时和慢校时两种：快校时通过开关控制，使计数器会1Hz的校时脉冲计数，慢校时用手动产生单脉冲作为校时脉冲。图2.8为校时分电路，它是由基本RS触发器和与非门组成，基本RS触发器的功能是产生单脉冲，防止抖动。其中K为校正用的控制开关。校正脉冲采用1Hz的秒信号，当K处于图示位置时，与非门G1输出高电平，基本RS触发器处于1状态，这是数字钟正常工作，来自分或秒的进位信号能进入时或分计数器。拨动开关K时，与非门G2输出高电平，基本RS触发器处于0状态，这时数字钟处于校正状态，秒信号可以直接进入计数器，而进位信号被阻止，因而能够较快地校正相应计数器的计数值。校准后将校正开关K薄回原位，数字钟继续进行正常的计数工作。如果校时脉冲改由单位脉冲产生器提供，则可以进行慢校时。

图2.8 时分校正电路

3.功能扩展电路

①仿广播电台整点报时电路

一般数字电子钟都具备整点报时的功能，及在时间到达整点前数秒钟内数字钟会自动发出声响报时。报时方式是发出连续的或者有节奏的音频信号，较复杂的也可以是实时语音提示。仿广播电台整点报时是在整点前数秒内开始报时，响1秒停1秒共5声，前4声低音，最后1声高音。电路功能要求：每当数字钟计时快要到正点时发出声响，通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响，以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。

设4声低音（约500Hz）分别发生在59分的51秒、53秒、55秒和57秒，最后一声高音（约1kHz）发生在59分59秒，它们的持续时间为1秒，如下表所示： CP（秒）

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 00

Q3S1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0

Q2S1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0

Q1S1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0

Q0S1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0

功能 低音 停 低音 停 低音 停 低音 停 高音 停

当Q3S1=0时鸣低音，当Q3S1=1时鸣高音。

只有当十位的（Q2Q0）M2=11，分个位的（Q3Q0）M1=11，秒十位的（Q2Q0）S2=11以及秒个位的Q0S2=1时，音响电路才能工作。

②定时控制电路

数字钟在制定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”，或对某装置的电源进行接通或断开控制，不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。

例：要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间为1min。7时59对应的时个位计数器状态0111，分十位计数器状态0101，分个位计时器状态1001.若将上述计数器输出为1的所有输出端经过与门电路控制音响电路，可以使音响电路正好在7点59响，持续1min

后停响。实现的电路如图2.9所示：

图2.9 闹时电路

有图可见到达时刻时，音响电路的晶体管导通，扬声器发出1kHz的声音，持续1min后晶体管因为输入端为0而截至，电路停闹。

③报整点时数电路

报整点时数电路功能：每当数字钟计时到整点时发出音响，且几点响几声，实现这一功能的电路主要由以下几部分组成：

①减法计数器：完成几点响几声的功能，即从小时计数器的整点开始进行减法计数，直到零为止。

编码器：将小时计数器的5个输出端Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照12翻1的编码要求转换为减法计数器的4个输入端D3、D2、D1、D0所需的BCD码。

③逻辑控制电路：控制减法计数器的清零与置数，控制报时音响电路的输入信号。 根据以上要求，采用过了如图2.10的报整点时数的电路。

图2.10 自动报整点时数的电路

编码器是由与非门实现的组合逻辑电路，其输出端的逻辑表达式由5变量的卡诺图可得： D0=Q0

D1=((Q4’Q1)’·(Q1Q4)’)’ D2=(Q2’·(Q4Q1)’)’ D3=(Q3’Q4’)’

减法计数器选用74LS191，个控制端的作用如下：LD’为置数端，当LD’=1时将小时计数器输出的数据经数据输入端D0D1D2D3置入，CP0’为溢出负脉冲输出端，当减计数到0时，CP0’输出一个负脉冲，U’/D为加减控制器。U’/D=1做减法计数。

逻辑控制电路由D触发器74LS74与多级与非门组成。电路的工作原理是：接通电源后按出发开关S，使D触发器清零。该清零脉冲有两个作用，一是使74LS191的置数端LD’=0，即将此时对应的小时计数器输出的整点时数置入74LS191，二是封锁1kHz的音频信号，使音响电路无输入脉冲而停止发声。当分十位计数器的进位脉冲的上升沿来到时，小时计数器加1，新的小时数被置入74LS191，进位脉冲的上升沿同时又使74LS191的状态翻转，输出高电平，经G2、G3延时后使LD’=1，此时74LS191进行减法计数技术脉冲由1Hz秒信号提供。秒信号低电平时音响电路发出1kHZ声音，秒信号高电平时停响。当减法计数到0时，74LS191的CP0’会输出一个负脉冲，使D触发器的触发信号回到0，单触发器的状态保持不变，当74LS191的CP0’结束负脉冲回到高电平时，因此时分进位信号仍为高电平，经与非门G1和非