CD4033,CD4518數(shù)字電子鐘電路圖,Digital electronic clock

關(guān)鍵字：CD4033,CD4518，CD4040,電子鐘電路圖

1.電路原理圖
　　電路如圖所示。與那些用專用的數(shù)字電子鐘集成電路不同，電路采用了CD4000系列的CMOS集成電路制作，其特點(diǎn)是走時(shí)精確、省電(用4節(jié)5號(hào)電池供電)、時(shí)間調(diào)整方便。
　　2.數(shù)字電子鐘計(jì)數(shù)原理
　　電路由時(shí)鐘脈沖電路、分/小時(shí)計(jì)數(shù)電路、時(shí)間顯示電路、時(shí)間調(diào)整電路4部分組成；電路原理框圖如下圖所示。電路電源為5V，采用4節(jié)5號(hào)充電電池供電。

　　
　　時(shí)鐘脈沖電路輸出周期為1s的脈沖信號(hào)。電路采用了頻率為1MHz的有源晶體振蕩器IC1，它體積小巧并具有很高的精度；其封裝為4腳矩形排列，有兩個(gè)電源引腳、一個(gè)輸出引腳及一個(gè)空置的引腳，管腳接線如圖1中所示。它的誤差為±5ppm；理論上說每天計(jì)時(shí)誤差不超過1秒鐘。該振蕩器供

　　電電壓為正5V，故電路采用4節(jié)5號(hào)充電電池供電。電路通過3個(gè)4518集成電路中的6組10分頻電路，把1MHz的脈沖變成1Hz脈沖信號(hào)。
　　分/小時(shí)計(jì)數(shù)電路實(shí)際上分別是60分頻和24分頻電路，采用4040集成電路組成6分頻電路和24分頻電路實(shí)現(xiàn)。這里的6分頻電路從10分鐘計(jì)數(shù)器的輸入端取計(jì)時(shí)脈沖信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)60分鐘向小時(shí)進(jìn)位的功能。當(dāng)分鐘計(jì)時(shí)到了60分鐘的時(shí)候，向小時(shí)計(jì)數(shù)器IC發(fā)出加1的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)；在小時(shí)加1的同時(shí)，分鐘計(jì)數(shù)器歸零。這樣從顯示的結(jié)果來看，分鐘顯示范圍是從0分到59分。小時(shí)顯示器的進(jìn)位單位是24小時(shí)；每到23小時(shí)59分鐘時(shí)，再加1分鐘則變成0小時(shí)0分。

　　3.數(shù)碼管節(jié)電措施
　　時(shí)間顯示電路由4只CD4033計(jì)數(shù)/譯碼/驅(qū)動(dòng)IC與4只配套的CD5011系列的數(shù)碼管組成。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種；采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的每個(gè)段碼驅(qū)動(dòng)電流平均為15mA；采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)一般在10—20mA。這樣，按照每個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)字時(shí)平均為5個(gè)段碼計(jì)算，驅(qū)動(dòng)電流為50—100mA。4個(gè)數(shù)碼管的電子鐘需要300rnA的電流驅(qū)動(dòng)，如果用5號(hào)充電電池供電僅可用半天；所以目前的LED數(shù)字電子鐘大多采用交流供電。
　　電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是用5號(hào)電池充電一次使用半個(gè)月；為此，電路采用了多種節(jié)電措施。首先是采用了超高亮度的數(shù)碼管。這種數(shù)碼管僅僅用1mA的驅(qū)動(dòng)電流。就可以發(fā)出普通數(shù)碼管用20mA電流相同的亮度；當(dāng)使用20rnA電流時(shí)，發(fā)出的光亮足以保證在室外陽光下正常顯示。有關(guān)超高亮度LED的發(fā)光效率的具體數(shù)據(jù)，有興趣的讀者可以在網(wǎng)絡(luò)等文獻(xiàn)中查閱。
　　第二是采用了小時(shí)與分鐘每秒鐘交替顯示一次的措施；即把一秒鐘分成兩段，“分鐘”和“小時(shí)”
　　各顯示一段時(shí)間，當(dāng)分鐘顯示時(shí)小時(shí)熄滅。小時(shí)顯示時(shí)分鐘熄滅。電路從IC4的5腳取出1Hz的秒信號(hào)。其占空比為0.4；用門4、門5、門6將相位調(diào)整到每秒鐘分鐘顯示0.6秒、熄滅0.4秒；小時(shí)顯示04秒，熄滅0.6秒。
　　第三是采用了CD4033的零消隱功能，也就是當(dāng)十位的數(shù)字為零時(shí)，該位數(shù)碼管不亮；舉例來說，當(dāng)前時(shí)間為8時(shí)6分，不顯示08時(shí)06分，而顯示8時(shí)6分。
　　最后一項(xiàng)措施是顯示的亮度受環(huán)境光線強(qiáng)弱的控制，當(dāng)夜晚室內(nèi)光線較暗時(shí)，數(shù)碼管自動(dòng)降低亮度。具體做法是每只數(shù)碼管通過一個(gè)光敏電阻接地。光敏電阻可用φ5的，阻值用亮電阻小于5kΩ的5606或者5516；如果不知道型號(hào)，應(yīng)采用亮電阻最小的那一擋。
　　采用了上述節(jié)電措施后，效果如何評(píng)估呢?超高亮度LED數(shù)碼管耗電為普通數(shù)碼管的十分之一，輪流顯示措施節(jié)電一半，零位不亮耗電約為原來的70％，夜間降低亮度使耗電為原來的60％；整機(jī)耗電的平均電流為8mA；耗電為原來的百分之二，大大延長(zhǎng)了電池使用時(shí)間。

　　4.時(shí)間調(diào)整電路
　　時(shí)間調(diào)整電路采用所見即所得的方式，也就是在時(shí)鐘正常工作的狀態(tài)下，不用按動(dòng)任何開關(guān)，只需按動(dòng)快進(jìn)或者慢進(jìn)按鈕，就可以向前調(diào)整時(shí)間；到了當(dāng)前時(shí)間后，松開按鈕，鐘表就可以正常進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)。在正常計(jì)時(shí)狀態(tài)下，IC4的14腳的10Hz信號(hào)通過一個(gè)5kQ電阻輸出給下一級(jí)計(jì)數(shù)器的1腳；當(dāng)按下慢進(jìn)按鈕AN1時(shí)，IC3的12腳輸出的2kHz信號(hào)直接輸入到lC4的1腳。這樣，計(jì)數(shù)器的速度快了200倍，不再是每分鐘加1，而是每秒鐘加3；也就是每秒鐘可向前調(diào)整3分鐘。按下快進(jìn)按鈕AN2則用50kHz信號(hào)取代原來的10Hz信號(hào)，可在一秒鐘的時(shí)間向前調(diào)整90多分鐘。

二、在面包板上組裝數(shù)字電子鐘

　　1.拼合面包板
　　電路總共使用了16個(gè)集成電路，這些集成電路總共占用100多列面包插孔，超過了一塊面包板的63列插孔；再考慮到其他元器件，可使用2塊面包板制作電路。將2塊面包板按同一方向上下對(duì)齊，用它上面的燕尾鉤、燕尾槽連接并固定成一塊大面包板。

　　2.安裝集成電路
　　根據(jù)電路的特點(diǎn)，安排每個(gè)集成電路在面包板上面的位置，將它們插放在面包板上�？梢愿鶕�(jù)自己的想法靈活安排各個(gè)部分的布局。以本文所介紹的一種布局為例，首先考慮的因素是怎樣觀察時(shí)間結(jié)果。電路有4位數(shù)字輸出，0～23小時(shí)和0—59分鐘：也就是說，小時(shí)和分鐘各用2個(gè)數(shù)碼管。采用2位綠色數(shù)碼管顯示分鐘數(shù)字，2位紅色數(shù)碼管顯示小時(shí)。考慮到數(shù)碼管與驅(qū)動(dòng)集成電路CD4033的連線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，將數(shù)碼管的安裝在CD4033的上方。為了便于觀察，顯示小時(shí)和分鐘的電路分別安裝在面包板的左右兩邊；一種布局方案如下圖所示。
　　如圖4所示的集成電路從左到右的位置說明：
　　上方面包板是IC16、IC1、IC15、IC2、IC3、IC4、IC5、IC14和lCl3，下方面包板是IC12、lC11、IC8、IC7、IC6、lC10和IC9。
　　3.分步組裝
　　對(duì)于比較復(fù)雜的電路，不要采用把全部電路組裝完成后再進(jìn)行調(diào)試的方法；建議采用分步組裝的方法。分步組裝的原則是先組裝那些相對(duì)可以獨(dú)立工作的電路，以便組裝一部分電路之后，就可以對(duì)這一部分電路進(jìn)行調(diào)試；確保這部分電路組裝成功后.再進(jìn)行下一步的組裝，直至全部電路組裝調(diào)試成功。
　　結(jié)合本電路的特點(diǎn)，建議分步組裝的順序是：
　　時(shí)間顯示電路一分鐘/小時(shí)計(jì)數(shù)電路一時(shí)鐘j脈沖產(chǎn)生電路一時(shí)間調(diào)整電路時(shí)間顯示電路組裝完成后，應(yīng)該可以顯示0到9999的數(shù)字。分鐘/小時(shí)計(jì)數(shù)電路組裝完成后，電路可以顯示0時(shí)0分到23時(shí)59分的數(shù)字。
　　時(shí)鐘脈沖電路組裝完成后，時(shí)間顯示電路可以顯示24小時(shí)的時(shí)間。
　　時(shí)間調(diào)整電路組裝完成后，可以調(diào)整時(shí)間以顯示當(dāng)前時(shí)間。

　　4.雙BCD同步加計(jì)數(shù)器
　　CD4518集成電路CD4518的管腳接線圖如下圖所示(略)。

　　該集成電路內(nèi)部包含有兩個(gè)相互獨(dú)立的計(jì)數(shù)器單元，各管腳功能如下。
　　CPA、CPB：時(shí)鐘輸入端，上升沿觸發(fā)：CPEA、CPEB端高電平有效。
　　CPEA、CPEB：時(shí)鐘輸入端，下降沿觸發(fā)：CPA、CPB端低電平有效。
　　Q1A～Q4B：計(jì)數(shù)器輸出端，2組共8個(gè)，為二一十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。
　　RA、RB：加高電平計(jì)數(shù)器清零。
　　CD4518與CD4520計(jì)數(shù)器管腳接線完全相同，它們的不同之處在于CD4518為十進(jìn)制，而4520為十六進(jìn)制。4518的輸出端波形圖如下圖所示。
　　從下圖可以看出，如果單獨(dú)觀察各個(gè)輸出端的計(jì)數(shù)結(jié)果，Q1、Q2、Q3、Q4的分頻系數(shù)分別為2、5、10、10；例如，當(dāng)時(shí)鐘輸入端CP的頻率為100Hz，則Q1、Q2、Q3、Q4輸出的頻率分別為：50Hz、20Hz、10Hz、10Hz；仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，Q3、Q4輸出的脈沖頻率相同，但相位不同，占空比也不同。
　　調(diào)整時(shí)鐘脈沖電路時(shí)可用一個(gè)壓電陶瓷片監(jiān)聽電路是否正常工作；方法是將壓電陶瓷片的一腳接在4518的一個(gè)輸出端上，另一腳接地。如果電路工作正常，連接的4518的輸出端頻率在音頻范圍內(nèi)時(shí)，就可以聽到壓電陶瓷片發(fā)出聲音。

　　5.時(shí)間調(diào)整
　　開機(jī)后，按下快進(jìn)按鈕AN1調(diào)整小時(shí)，可將顯示時(shí)間小時(shí)調(diào)整到當(dāng)前時(shí)間；按下慢進(jìn)按鈕AN2，將顯示分鐘調(diào)整到當(dāng)前時(shí)間。

　　6.拓展實(shí)驗(yàn)
　　 (1)可通過改變時(shí)間調(diào)整電路中按鈕連接到4518的不同計(jì)數(shù)輸出端，得到較快或者較慢的時(shí)間調(diào)整速度。
　　 (2)還可以增加一個(gè)時(shí)鐘脈沖禁止輸入按鈕，按動(dòng)它可以讓時(shí)鐘暫停計(jì)數(shù)；特別適用于需要把時(shí)鐘調(diào)慢幾秒鐘的情況。