随笔|数字电路分秒电子钟触发器|电子钟|数字电子技术

数字电路分秒电子钟

设计思路
主要元件介绍及使用
- 555定时器介绍与使用
- 74LS160十进制计数器介绍与使用
- 74LS48七段显示译码器介绍与使用
- 数码管显示原理
整体设计与仿真实现
- 操作说明
- 设计细节

本方案采用555定时器、74LS160十进制计数器、74LS48七段显示译码器为主要器件。Proteus工程https://download.csdn.net/download/weixin_43786907/16524761
设计思路其中555定时器提供较为精准1Hz时钟脉冲；74LS160四片级联构成两位60进制BCD码计数输出。每来一个时钟信号计数加1，溢出后从0开始；74LS48四片个对4个74LS160输出BCD码分别进行7段共阴数码管显示译码，驱动4个7SEG-MPX1-CC显示。
数字芯片分秒电子钟设计思路：

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主要元件介绍及使用 555定时器介绍与使用 555定时器是一种用途广泛的数字、模拟混合的中规模集成电路，只要外接少量元件，就可以方便地搞成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，用于信号的产生、变换、控制与检测。常用的555定时器有TTL和CMOS两类，它们的引脚编号和功能都是一致的。
555定时器构成的多谐震荡器，电路图如图：

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当接通电源后，电容C上的初始电压为0，使电路输出为1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C充电。当ucc上升到UCC/3时，电路状态保持不变，当uc继续充电到2UCC/3时，电路发送翻转，输出变为0。这时T导通，电容C通过R2、T到地放电，uC开始下降。当降到UCC/3时，输出又翻转到1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就可在引脚3输出连续的矩形脉冲波信号，如图：

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可见， u c u_c uc?将在 U C C / 3 U_{CC}/3 UCC?/3与 2 U C C / 3 2U_{CC}/3 2UCC?/3之间变化，因而可求得电容C上的充电时间T1和放电时间T2为:
T 1 = ( R 1 + R 3 ) C l n 2 ≈ 0.7 ( R 1 + R 3 ) C 2 T_{1}=(R_{1}+R_{3})Cln2\approx0.7(R_{1}+R_{3})C_{2} T1?=(R1?+R3?)Cln2≈0.7(R1?+R3?)C2?
T 2 = R 3 C l n 2 ≈ 0.7 R 3 C 2 T_{2}=R_{3}Cln2\approx0.7R_{3}C_{2} T2?=R3?Cln2≈0.7R3?C2?
所以输出波形的周期为：
T = T 1 + T 2 = ( R 1 + 2 R 3 ) C 2 l n 2 ≈ 0.7 ( R 1 + 2 R 3 ) C 2 T=T_{1}+T_{2}=(R_{1}+2R_{3})C_{2}ln2\approx0.7(R_{1}+2R_{3})C_{2} T=T1?+T2?=(R1?+2R3?)C2?ln2≈0.7(R1?+2R3?)C2?
震荡频率为：
f = 1 T ≈ 1.44 ( R 1 + 2 R 3 ) C 2 f=\frac{1}{T}\approx\frac{1.44}{(R_{1}+2R_{3})C_{2}} f=T1?≈(R1?+2R3?)C2?1.44?
输出波形的占空比为：
q = T 1 T ≈ R 1 + R 3 R 1 + 2 R 3 q=\frac{T_{1}}{T}\approx\frac{R_{1}+R_{3}}{R_{1}+2R_{3}} q=TT1??≈R1?+2R3?R1?+R3??
根据以上公式与实际情况设置 C 2 = 0.47 u F C_{2}=0.47uF C2?=0.47uF, R 1 = 28 k Ω R_{1}=28kΩ R1?=28kΩ, R 3 = 1 k Ω R_{3}=1kΩ R3?=1kΩ。
74LS160十进制计数器介绍与使用 74LS160具有使能、异步清零、同步预置等功能。其逻辑功能如表：

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注：X表示任意数。
由表知，若(RD) ?=0时，则计数器异步清零，即QDQCQBQA=0000; 若(RD) ?=0时，则在当下一个CP时钟的上升沿达到时，计数器同步置入数据A、B、C、D；即QDQCQBQA=DCBA（A为最低位，D为最高位）；若EP=ET=1时，则在时钟CP作用下，计数器计数；否则，不计数（锁存）。74LS160四片级联构成两位60进制BCD码计数器，电路图如图：

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74LS48七段显示译码器介绍与使用 74LS48可以将BCD码变成7段a-g显示驱动信号以驱动共阴LED数码管10进制显示。而且74LS48内部带有2kΩ限流电阻，使用时无需外接电阻，可直接与显示器相连。其逻辑功能如表：

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注：X表示任意[3]
74LS48、74LS160与数码管构成显示译码电路如图：

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数码管显示原理用的是七段式和八段式LED 数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED 的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个 LED 的阳极连在一起。其原理图如图：

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其中引脚图的两个 COM 端连在一起，是公共端，共阴数码管要将其接地，共阳数码管将其接正5伏电源。一个八段数码管称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，们的段选线（即a, b, c, d, e, f, g, dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp 对应最高位。所以如果想让数码管显示数字0，那么共阴数码管的字符编码为00111111，即0x3f ；共阳数码管的字符编码为11000000，即0xc0。可以看出两个编码的各位正好相反。
整体设计与仿真实现数字芯片为主体的分秒电子钟设计如图：

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Proteus仿真结果如图：

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操作说明首先断开所有开关，闭合电源上电，闭合所有开关（不分顺序），此时开始计数，每秒加1。按下左侧按键则，分计数加一，按下右侧按键则，秒计数加一。断开最左侧开关课实现暂停，调节滑动变阻器可实现计数速度的变化。
设计细节 【随笔|数字电路分秒电子钟】1.74LS48内部带有2kΩ限流电阻，使用时无需外接电阻，可直接与数码管器相连。
2.按键消抖
按键抖动通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。

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为消除抖动在按键两端并联电容，达到滤波消抖的作用。
3.计数周期可调。555定时器外接滑动变阻器，可改变电阻阻值，改变计数周期，做校准。断开右侧开关可暂停计数。
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