由： 馬歇爾大腦

　　你有沒有想過數(shù)字鬧鐘是如何工作的? 耶拿·阿德爾 / 蓋蒂圖片社

　　很有可能在你的臥室里，你的床邊有一個數(shù)字時鐘。你有沒有在早上看過它，想知道它是如何工作的?

　　在本文中，您將確切地了解數(shù)字時鐘(或手表)的工作原理。事實(shí)上，你甚至?xí)W(xué)習(xí)如何建立自己的!

　　要了解數(shù)字時鐘的工作原理，您必須進(jìn)入內(nèi)部并查看發(fā)生了什么。所以讓我們開始吧!

　　基礎(chǔ)知識

　　如果您已閱讀 擺鐘的工作原理，您知道所有時鐘(無論技術(shù)如何)都有一些必需的組件：

　　運(yùn)行時鐘的動力源 在擺鐘中，砝碼或彈簧處理這一角色。

　　充當(dāng)時鐘心跳的精確時基 在擺鐘中，擺錘和擒縱機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)這一角色。

　　一種降低時基以提取不同時間分量的方法 (小時、分鐘、秒)在擺鐘中， 齒輪 擔(dān)任此角色。

　　一種顯示時間的方法 在擺鐘中，指針和面部扮演著這個角色。

　　數(shù)字時鐘也不例外。它只是以電子方式而不是機(jī)械方式處理這些功能。因此，在數(shù)字時鐘中，有一個電源(要么 電池 或來自墻壁的 120 伏交流電源)。有一個電子時基以某種已知和準(zhǔn)確的速率“滴答作響”。有某種電子“傳動機(jī)制”—— 通常，數(shù)字時鐘用一個叫做“計數(shù)器”的組件來處理齒輪。 還有一個顯示器，通常要么 發(fā)光二極管 (發(fā)光二極管)或 液晶顯示器 (液晶顯示器)。

　　高級視圖

　　以下是數(shù)字時鐘組件的高級概述。

　　在時鐘的中心有一個片段可以產(chǎn)生準(zhǔn)確的60赫茲(Hz，每秒振蕩)信號。有兩種方法可以生成此信號：

　　信號可以從法線下的 60 Hz 振蕩中提取 電力線.許多從墻上插座獲得電源的時鐘都使用這種技術(shù)，因?yàn)樗缺阋擞秩菀?。為此，電源線上的 60 Hz 信號相當(dāng)準(zhǔn)確。

　　信號可以使用 晶體振蕩器.顯然，任何電池供電的時鐘或手表都會使用這種技術(shù)。它需要更多零件，但通常更準(zhǔn)確。

　　60 Hz 信號使用 計數(shù)器.在構(gòu)建自己的時鐘時，典型的 TTL部分 使用是 7490 十年計數(shù)器.該部分可以配置為除以 2 到 10 之間的任何數(shù)字，并生成 二進(jìn)制數(shù) 作為輸出。因此，您采用 60 Hz 時基，將其除以 10，除以 6，現(xiàn)在您有一個 1 Hz(每秒 1 次振蕩)的信號。這種 1 Hz 信號非常適合驅(qū)動顯示器的“二手”部分。到目前為止，時鐘在框圖中如下所示：

　　要實(shí)際看到秒數(shù)，計數(shù)器的輸出需要驅(qū)動顯示器。兩個計數(shù)器產(chǎn)生 二進(jìn)制數(shù).被 10 分頻計數(shù)器在其輸出上產(chǎn)生 0-1-2-3-4-5-6-7-8-9 序列，而被 6 分頻計數(shù)器在其輸出上產(chǎn)生 0-1-2-3-4-5 序列。我們希望在稱為 7段式顯示器.7段顯示器上有七個條形圖，通過打開不同的條形圖，您可以顯示不同的數(shù)字：

　　要將 0 到 9 之間的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)男盘栆则?qū)動 7 段顯示器，請使用(正確命名的)“二進(jìn)制數(shù)到 7 段顯示轉(zhuǎn)換器”。 該芯片查看傳入的二進(jìn)制數(shù)，并打開 7 段 LED 中的相應(yīng)條以顯示該數(shù)字。如果我們顯示秒，那么時鐘的秒部分如下所示：

　　該級的輸出以每分鐘一個周期的頻率振蕩。您可以想象時鐘的分鐘部分看起來完全相同。最后，小時部分看起來幾乎相同，只是被 6 分頻計數(shù)器替換為除以 2 的計數(shù)器。

　　現(xiàn)在還有兩個細(xì)節(jié)需要弄清楚你是否正在構(gòu)建一個真正的時鐘：

　　這里設(shè)計的時鐘不明白在 12：59：59 它應(yīng)該循環(huán)回 1：00。這是一個混亂的小問題，有幾種方法可以解決它。一種技術(shù)涉及創(chuàng)建一點(diǎn)邏輯，可以檢測數(shù)字 13 并將小時部分重置回 1(而不是零)。另一種技術(shù)涉及使用 蝰蛇.就我們的目的而言，在軍事時間中處理更容易，因?yàn)檐娛聲r間包括零小時。

　　我們需要一種方法來設(shè)置時鐘。通常，這是通過將高于正常頻率的門控到分鐘部分來處理的。例如，大多數(shù)時鐘都有“快速”和“慢速”設(shè)置按鈕。當(dāng)您按下“快速”按鈕時，60-Hz 信號將直接進(jìn)入分鐘計數(shù)器。當(dāng)您按下“慢速”按鈕時，1-Hz 信號被驅(qū)動到分鐘部分。還有其他可能的技術(shù)，但這是最常見的。

　　現(xiàn)在讓我們看看我們必須做些什么來構(gòu)建一個真正的時鐘!

　　構(gòu)建自己的數(shù)字時鐘

　　了解數(shù)字時鐘的不同組件以及它們?nèi)绾螀f(xié)同工作的最佳方法是實(shí)際完成構(gòu)建自己的時鐘的步驟。在這里，我們將只構(gòu)建時鐘的“秒”部分，但您可以輕松地擴(kuò)展內(nèi)容以構(gòu)建具有小時、分鐘和秒的完整時鐘。要了解這些步驟，您需要閱讀 布爾邏輯的工作原理 和 電子門的工作原理.特別是，電子門文章向您介紹了TTL芯片，面包板和電源。如果您已經(jīng)按照該文章中的描述使用過門，那么這里的描述將更有意義。

　　我們需要的第一件事是一個 電源.我們在電子門文章中構(gòu)建了一個。當(dāng)時，我們使用標(biāo)準(zhǔn)壁式變壓器產(chǎn)生直流(直流)電源，然后使用 7805 將其調(diào)節(jié)到 5 伏。對于我們的時鐘，我們希望做一些稍微不同的事情，因?yàn)槲覀儗碾娫淳€中提取 60 Hz 時基。這意味著我們想要一個 交流 而不是直流變壓器，我們將使用一個名為 橋式整流器 將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。因此，我們的電源需要以下部件：

　　12 伏交流變壓器(Jameco 部件 #115602)

　　橋式整流器(Jameco 部件 #103018)

　　7805 5 伏穩(wěn)壓器(TO-220 外殼)(Jameco 部件 #51262)

　　兩個 470 微法拉電解電容器(Jameco 部件 #93817)

　　5.1 伏齊納二極管(Jameco 部件 #36097)

　　1 K歐姆電阻器(Jameco 部件 #29663)

　　關(guān)于所用零件的一些注意事項(xiàng)：

　　兩者之間的區(qū)別 交流變壓器 我們在這里使用，我們在關(guān)于柵極的文章中使用的直流變壓器是交流變壓器保留了 60 伏家用電流中的 120 Hz 正弦波。如果要使用伏特歐姆表測量交流變壓器的電壓，請確保使用交流電壓范圍而不是直流范圍。

　　我們使用 橋式整流器 將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。整流器上的一個端子將標(biāo)有“+”——從中您可以找到負(fù)號和交流輸入。交流變壓器沒有極性，因此將哪根變壓器引線連接到整流器的哪根交流引線并不重要。

　　這 7805 和 電容器 就像他們在 電子門 品。

　　這 電阻器 和 齊納二極管 從變壓器的正弦波中提取 60 Hz 信號。一個 二極管 是電子的單向閥。齊納二極管也是一種單向閥，但如果電子高于一定電壓，它也會在另一個方向上傳遞電子。因此，齊納二極管將 10 伏正弦波轉(zhuǎn)換為在 0 到 5 伏之間振蕩的削波。這非常適合為 TTL 計數(shù)器計時。1 K歐姆電阻確保流向齊納二極管的電流受到限制，因此我們不會燒壞二極管。二極管的一端將涂有一個帶 - 這個帶應(yīng)該是連接到電阻器的末端。

　　電路圖

　　這是電源和時基的電路圖。

　　正如我們在文章中看到的 電子門，電源是最難的部分!

　　要創(chuàng)建時鐘的其余部分，您需要：

　　至少四個 7490 或 74LS90 芯片

　　至少兩個 7447 或 74LS47 二進(jìn)制至 7 段轉(zhuǎn)換器

　　7段顯示器中的LED至少有20個電阻(330歐姆就可以了。

　　一些正常的 發(fā)光二極管

　　至少兩個共陽極 (CA) 7 段 LED 顯示屏(Jameco 部件 # 17208 是典型值。

　　面包板、電線等(見 本頁 獲取完整列表。

　　您需要的芯片、電阻器和 LED 的數(shù)量取決于您有興趣實(shí)現(xiàn)的位數(shù)。在這里，我們將只討論幾秒鐘，因此“至少”數(shù)字是正確的。

　　7490 引腳排列

　　讓我們簡要看一下 7490，看看它是如何工作的。

　　7490 是一款 十年計數(shù)器，這意味著它能夠周期性地從 0 計數(shù)到 9，這是它的自然模式。也就是說，QA、QB、QC 和 QD 是二進(jìn)制數(shù)中的 4 位，這些引腳從 0 循環(huán)到 9，如下所示：

　　QD QC QB QA

　　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

　　1 0 0 1

　　您還可以將芯片設(shè)置為最多計數(shù)到其他最大數(shù)字，然后返回零。您可以通過更改 R01、R02、R91 和 R92 線路的接線來“設(shè)置它”。如果R01和R02均為1(5伏)，R91或R92均為0(地)，則芯片會將QA、QB、QC和QD重置為0。如果 R91 和 R92 都是 1(5 伏)，則 QA、QB、QC 和 QD 的計數(shù)為 1001 (5)。所以：

　　要創(chuàng)建一個 被 10 分頻計數(shù)器，首先將引腳 5 連接到 +5 伏，將引腳 10 接地為芯片供電。然后將引腳 12 連接到引腳 1，并將引腳 2、3、6 和 7 接地。在引腳 14 上運(yùn)行輸入時鐘信號(來自時基或以前的計數(shù)器)。輸出顯示在 QA、QB、QC 和 QD 上。使用引腳 11 上的輸出連接到下一級。

　　要創(chuàng)建一個 被 6 分頻計數(shù)器，首先將引腳 5 連接到 +5 伏，將引腳 10 接地為芯片供電。然后，將引腳 12 連接到引腳 1，將引腳 6 和 7 接地。將引腳 2 連接到引腳 9，將引腳 3 連接到引腳 8。在引腳 14 上運(yùn)行輸入時鐘信號(來自時基或以前的計數(shù)器)。輸出顯示在 QA、QB 和 QC 上。使用引腳 8 連接到下一級。

　　創(chuàng)建秒針

　　了解了所有這些，您就可以輕松創(chuàng)建數(shù)字時鐘的“秒針”。它看起來像這樣：

　　在此圖中，頂部的兩個 7490 將來自電源的 60-Hz 信號除以 60 倍。第三個 7490 將 1 赫茲信號作為輸入并將其除以 10。在此圖中，其四個輸出驅(qū)動普通 LED。第四個 7490 將第三個的輸出除以 6，其三個輸出也驅(qū)動普通 LED。此時您擁有的是時鐘的“秒針”，秒針的輸出以二進(jìn)制顯示。如果您想創(chuàng)建一個以二進(jìn)制顯示時間的時鐘，那么您已經(jīng)設(shè)置好了!下面是一個面包板的視圖，其中包含一個 10 分頻計數(shù)器、一個 6 分頻計數(shù)器和一組 LED，用于以二進(jìn)制形式顯示計數(shù)器的輸出：

　　從左邊進(jìn)入圖片的電線是電路板的電源、接地和時鐘線。左邊的計數(shù)器是設(shè)置為除以 10 的 7490，右邊的計數(shù)器是另一個設(shè)置為除以 6 的 7490。

　　如果您將東西收得更緊并完成更整潔的接線工作，則在一個面包板上最多可以安裝四個計數(shù)器。

　　以數(shù)字形式顯示時間

　　如果要將時間顯示為數(shù)字，則需要使用 7447。這是 7447 的引腳排列，以及 7 段 LED 的段標(biāo)簽。

　　您可以像這樣將 7447 連接到 7490：

　　在引腳 16 上提供 +5 伏電壓，在引腳 8 上提供接地電壓，為 7447 芯片供電。

　　將 7490 的 QA、QB、QC 和 QD 分別連接到 7447 的引腳 7、1、2 和 6。

　　將 330 歐姆電阻連接到 7447 的引腳 13、12、11、10、9、15 和 14，并將這些電阻連接到 7 段 LED 的 a、b、c、d、e、f 和 g 段。

　　將 7 段 LED 的公共陽極連接到 +5 伏。

　　您需要具有所用特定 LED 顯示屏的引腳排列，以便了解如何將 7447 的輸出連接到 7 段設(shè)備中的 LED。(另請注意，7448 等效于 7447，只是它驅(qū)動共陰極顯示器。在這種情況下，將 LED 的公共陰極接地。)

　　您可以看到，通過擴(kuò)展電路，我們可以輕松創(chuàng)建一個完整的時鐘。要創(chuàng)建時鐘的“分針”部分，您需要做的就是復(fù)制“秒針”部分。要創(chuàng)建“時針”部分，您需要發(fā)揮創(chuàng)造力。可能最簡單的解決方案是創(chuàng)建一個顯示軍事時間的時鐘。然后你會想要使用 和門 (或 7490 的 R 輸入)來識別二進(jìn)制數(shù) 24，并使用識別器的輸出將小時計數(shù)器重置為零。

　　您需要創(chuàng)建的最后一件作品是 設(shè)置機(jī)構(gòu).在面包板上，設(shè)置時鐘很容易 - 只需移動輸入線即可將更高頻率的信號驅(qū)動到時鐘的分針部分。在實(shí)際時鐘中，您將使用按鈕或開關(guān)和門來做同樣的事情。

　　如果您碰巧將床頭時鐘或手表拆開，您會注意到的一件事是里面可能沒有 15 個 TTL IC。事實(shí)上，您可能根本找不到芯片。在大多數(shù)現(xiàn)代鐘表中，時鐘的所有功能(包括鬧鐘和任何其他功能)都集成到一個低功耗芯片中(在手表中，芯片和顯示器加起來僅消耗大約百萬分之一瓦)。該芯片可能直接嵌入電路板中.你也許可以看到一團(tuán)黑色塑料保護(hù)著這個芯片。這個微小的芯片包含了我們在這里討論的所有組件。

　　現(xiàn)在，您已經(jīng)完全了解了數(shù)字時鐘的工作原理。下次你看床邊的時鐘或數(shù)字手表時，你可以對里面發(fā)生的事情有新的尊重!如果您想更上一層樓，了解如何使用微控制器構(gòu)建數(shù)字時鐘，請參閱 微控制器的工作原理.