数字电子钟 1Hz 秒脉冲信号的设计

数字电子钟 1Hz 秒脉冲信号的设计

　　

　　[摘 要]要设计数字钟，首先应选择一个能产生稳定的标准时间脉冲信号，而脉冲源产生的脉冲信号的频率较高，因此，需要进行分频，使高频脉冲信号变成适合于计时的低频脉冲信号，即“秒脉冲信号” (频率1HZ) 。

　　1引言

　　数字电子钟是一个对标准频率(1Hz) 进行计数的计数电路，它由振荡器、分配器、计数器、译码器和显示器电路组成。振荡器产生的时钟信号经过分频器形成秒脉冲信号。

　　2与非门的选择

在实际应用中，与非门一般有TTL与非门和 CMOS与非门。两者在使用中有很多不同之处：

　　1) 对电源电压的稳定性方面：TTL与非门对电源电压的稳定性要求较严，只允许在4.5~5.5V之间波动，超过这个范围，元器件不能正常工作，甚至损坏元器件;CMOS与非门电源电压可允许在3~8V。

　　2) TTL与非门不用的输入端可以悬空或接高电平;CMOS与非门不用的输入端不能悬空，应按逻辑功能的要求接Vdd和Vss。

　　3) TTL与非门的输出端不允许直接接电源电压或地，也不能并联使用;CMOS与非门输出端绝不允许直接接Vdd和Vss，以免损坏元器件。

　　综上，TTL与非门速度快(数ns)，功耗大(mA级)，负载力大，空脚多数不用处理。CMOS与非门速度慢 (几百ns)，功耗低，省电(uA级)，负载力小，空脚必须处理，建议选用TTL与非门。

　　3晶体振荡器的选择设计

　　振荡器是数字钟的核心，其作用是产生1个标准频率信号，然后由分频器分成秒脉冲。产生1Hz的脉冲信号可以选用一般的秒脉冲振荡器，例如用一个555定时器构成多谐振荡器产生秒脉冲信号 (如图

　　2)，也可以选用石英晶体振荡器作为数字电子钟的秒脉冲信号源(如图1)。振荡器频率的稳定度及精确度决定了数字钟计时的精确程度。

　　一般来说，晶振频率越高，计时精确度就越高。石英晶体振荡器具有频率精确、振荡稳定、温度系数小等特点，可以满足一般电子钟走时的准确性的要求，所以通常选用石英晶体构成振荡电路。32768芯片是石英晶体振荡器的核心。32768芯片是一个滤波器，它相当于一个电感，只有当同时满足相位条件和振荡条件时，振荡器才正常工作。振荡器由石英晶体，微调电容，反相器构成。其电路如图2，图中Rf为反馈电阻，电阻值为10～100MΩ，其作用是为CMOS反向器提供偏量，使电路工作于放大区，非门是一个高增益的反相器。电容C1、C2与晶体构成一谐振网络，提供180度相移，和非门构成一个正反馈网络，故满足产生振荡的两个条件，即振幅和相位条件。电容器C1是频率微调电容，取值为5—25pF，C2是温度校正电容，一般取值为20—50pF。非门2起整形作用，将振荡波形转化为方波。目前，常取石英晶体的频率为32768Hz秒脉冲信号。由于石英晶体振荡器具有频率精确、振荡稳定、温度系数小等特点，而且晶振频率越高，产生的秒脉冲越稳定，所以我们在设计中采用32768Hz的晶体振荡器。

　　4分频器的选择设计

　　因为石英晶体振荡器产生的信号频率很高，要得到秒脉冲，需要分频电路，所以分频器的功能主要是产生标准秒脉冲。将晶振频率为32768Hz的信号分频为秒脉冲，可选用：CD4060十四位串行计数器/振荡器来实现分频和振荡的功能，但由于CD4060 只能实现 14 级分频，所以还必须外加 1 级分频，可用CD4013双D触发器来实现，这样就构成了秒脉冲信号发生器。其电路如图3所示。

 

 

　　5调试中遇到的问题及解决方法

　　5.1 在分频电路中，不能产生2Hz的信号

　　原因分析：振荡器发生振荡后，经过14分频时，相位产生错误。

　　解决方法：在CD4060中，在①处接上一个10KΩ的电阻，然后再接地;在②处加上一个470KΩ的电阻。(见图3)5.2 在CD4013二分频时，产生不稳定的 1Hz秒脉冲信号

　　原因分析：在实际的电路中，CD4013的R1、R2和S1、S2都应接地。

　　解决方法：将R1、R2和S1、S2接地。

　　作者简介：袁岩凤，1981年生，女，福建石狮，本科，闽南理工学院研究实习员;

　　参考文献

　　[1] 唐德洲.数字电子技术(修订版)[M].重庆:重庆大学出版社,2002.

　　[2] 康华光.电子技术基础.(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1998.

　　[3] 郑慰萱.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1990.

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