低功耗低成本数字时钟的设计与制作

【摘要】设计制作一款计时准确的、采用动态显示和亮度自动控制等节电工作方式的、使用CMOS门电路芯片最少的高精度低功耗低成本数字时钟，其耗电量仅为常规静态显示模式的1.8%，24小时计时误差小于0.5秒。

【关键词】低功耗；低成本；设计；制作

1.数字时钟电路的功能说明

设计制作一款由4000系列CMOS门电路芯片构成的“高精度低功耗低成本数字时钟”，由于4000系列CMOS门电路芯片具有零静态功耗和电源电压范围宽（3～15V）、输出电压可以达到全摆幅、输入端几乎不取电流、抗干扰能力强、价格低廉等优点，所以可使整机元器件成本降低到15元以下，采用动态显示、亮度自动控制等节电工作方式，耗电量仅为常规静态显示模式的1.8%，24小时计时误差小于0.5秒。其电路原理框图如图1所示。由图1知，电路由1HZ脉冲产生电路，60分频的“秒/分”计数电路、12分频的“小时”计数电路，译码驱动显示电路，时间校准电路，“时、分、秒”循环显示控制及夜间工作在节电模式时的亮度自动控制电路等6部分组成。

2.主要元器件的选择

2.1 十进制加计数器/7段译码器CD4033芯片

十进制加计数器/7段译码器CD4033芯片的引脚图及其十进制计数功能表分别如图2（a）、（b所示。由图2（a）知，CD4033为DIP16封装。该芯片常用于十进制计数，计数状态同时可作为译码输出。各引脚功能是：CP为时钟信号输入端，上升沿触发；使能端INH=0时，允许计数，INH=1时，禁止计数；R为加计数清零端，高电平有效。RBI、RBO分别为串行消零输入端和串行消零输出端。当计数器计数到零时，若RBI=0，显示器消隐零，并由RBO输出一个时钟周期的负脉冲；若RBI=1，则显示器显示零，RBO为高电平。LT为灯测试端，LT=1时，笔划全亮（高电平有效）。

2.2 双BCD同步加计数器CD4518芯片

双BCD同步加计数器CD4518芯片的引脚图及其输出端波形图分别如图3(a)、(b)所示[1]。从图3(a)知，CD4518为DIP16封装。芯片常用于多级同步计数、多级串行计数和同步分频器，其内部包含两个相互独立的计数器单元，各引脚功能是：CP1、CP2为时钟信号输入端，上升沿触发，当EN1、EN2为高电平时有效；EN1、EN2为时钟信号输入端，下降沿触发，当CP1、CP2端低电平时有效；Q1A～Q4A、Q1B～Q4B为计数器输出端，2组8个，为二―十进制计数器；R1、R2为加计数清零端，高电平有效。从图3(b)知，“分”的进位信号脉冲信号送到“小时”IC6(CC4518)的个位计数器的CP端，个位计数器便对CP信号计数，计1次为1小时。当计数到10小时时，QD(即Q3)在CP的作用下产生正跳变沿，由于“QD的上升沿是不能作向十位进位的脉冲的，只有其下降沿才是满十进一的进位信号。”因此正确的接法是：将个位上的Q3(即QD)接‘十位’上的EN端(即使能端)，‘十位’上的CP接GND(地)，而个位的CP端或CT端接分计数器的“满60分进一”信号均可。

（a）引脚图

（b）输出端波形图

2.3 14位二进制计数器CC4060芯片

14位二进制计数器CC4060的引脚图及其构成的1HZ脉冲产生电路分别如图4(a)、(b)

所示。从图4(a)知，CC4060为DIP16封装。芯片常用于组成从÷24到214的计数、分频、定时和时间延迟电路等，内含时钟形成电路，外接不同元件可组成石英振荡器、RC振荡器、斯密特电路等。各引脚功能是：CP为时钟信号输入端，下降沿触发；CR为加计数清零端，高电平有效；Q4～Q14为计数器输出端。1HZ脉冲产生电路如图4（b）所示，它是由32768HZ的石英晶体XT、微调电容与反相器等元件组成。图中门G1、门G2是CC4060芯片内的反相器，门G1用于振荡，门G2用于脉冲冲整形，10MΩ反馈电阻R14的作用是为反相器提供偏置，使其工作在放大状态。反馈电阻R14的阻值若选得太大，会使放大器偏置不稳定甚至不能正常工作；R14的阻值太小又会使反馈网络负担加重。图中C1是频率微调电容，一般取2～22PF。C2是温度特性校正电容，一般取20～50PF。电容C1、C2和石英晶体构成π型网络，以控制振荡频率，并使输出输入移相180º。石英晶体振荡器的振荡频率稳定，输出波形近似正弦波，可以运用反相器G2整形得到矩形脉冲输出。石英晶体振荡器产生标准的32768高频率脉冲，经IC2（CC4060）组成的14级2分频和IC3A（CD4518）组成的一级2分频后可得到高准确度的1HZ的“秒”脉冲信号。

3.数字时钟电路的设计

数字时钟整机电路图如图5所示，电路中的振荡器XT为目前多数石英晶体电子表中使用的频率为215=32768HZ的石英晶体，经IC2(CC4060)组成的14级2分频和IC3A(CD4518)组成的一级2分频后可得到1HZ的“秒”脉冲信号，它具有特别高的精度，误差为±5ppm，24小时计时误差小于0.5秒钟。60进制的“秒”和”分”计数、译码、锁存、驱动及显示电路分别由IC11(CD4033)、IC10(CD4033)、IC4A(CD4518)、IC5A(1/4CD4081)、数码管DS5、DS6和IC8(CD4033)、IC9(CD4033)、IC4B(CD4518)、IC5B(1/4CD4081)、数码管DS3、DS4构成。12进制的“小时”计数、译码、锁存、驱动及显示电路由IC6(CD4033)、IC7(CD4033)、IC1(CD4518)、IC5C(1/4CD4081)和数码管DS1、DS2构成。

3.1 数码管低功耗循环显示模式控制电路的设计

IC3B（CD4518）接收由IC2的Q10端输出的32HZ脉冲信号(T≈0.03秒)，当t=1T时，其Q3Q2Q1=001，经R7使Q1(9013)管导通，DS1、DS2管显示；同理当t=2T和t=3T时，依次使DS3、DS44管和DS5、DS6管显示。通常数码管采用静态驱动方式时每个段码的驱动电流为10～15mA，按照每个数码管显示数字时平均为5个段码计算，则每个数码管的驱动电流为50～75mA，6个数码管同时显示需要300～450 mA的驱动电流，所以市场上的LED数字钟一般采用交流供电方式。本设计在任一时刻只有2个数码管显示，可使6个数码管循环显示的供电电流降低到原来静态显示模式的1/3，即为100～150 mA的水平。

光敏电阻R1～R6分别为数码管DS1～DS6夜间工作在节电模式时的亮度自动控制电路。光敏电阻可选用MG41-22或MG45-12、或5606、6106型(亮电阻≤2KΩ，暗电阻≥900KΩ)。每只数码管的公共端第3(8)脚通过一光敏电阻串联晶体开关管9013接地。当夜晚室内光线较暗时，数码管自动降低亮度。数码管DS1～DS6采用超高亮度的数码管5011型，这种LED数码管耗电为普通数码管的十分之一，每个段码的驱动电流仅为1mA，就可以发出普通数码管20mA工作电流时相同的亮度。当其工作电流达20mA时，发出光亮足以保证在室外阳光下正常显示。该控制电路可使数码管显示的供电电流降低到原来的1/30，即为10～15 mA的水平。开关管Q1～Q3选用9013（40V、0.5A、0.625W、低频）可满足控制两个数码管阴极电流通断的要求。本设计还充分利用芯片CD4033的“零”数字消隐功能，即当十位数字为零时，该数码管不亮。例如，当时间为9时8分5秒，不是显示“09”时“08”分“05”秒，而是显示“9”时“8”分“5”秒，该设计方案可使数码管显示的供电电流降低到原来的1.8%，即为5～9 mA的水平，可大大降低电源的能耗。

3.2 手动时间校准电路的设计

如图5所示，S1和S2分别为“小时”与“分”的手动校准电路。S1(或S2)按动一次，IC7(或IC9)就加1计数一次。滤波电路C3、R10和C4、R13分别用来吸收S1和S2动作时产生的电压抖动。二极管D1、D2分别为“小时”与“分”校准电路与相邻下一级计数器“清零”端R之间的单向隔离元件。R11、R12为手动校准电路的限流电阻。

4.电路板的安装与测试

数字时钟单面印制电路板(PCB)图如图6所示。为了便于观察，电路有6位数码管安装在CD4033的上方，分别显示0～11小时、0～59分和0～59秒钟，且数码管与驱动电路CD4033的连线尽可能地短。根据本设计的特点，宜采用“安装完毕一个单元电路，就测试该单元电路，经测试合格后，再安装下一个单元电路”的方法。

其安装测试顺序是：

(1)1HZ脉冲信号的产生电路，运用逻辑笔测试芯片IC3A的Q0端的“1HZ”的脉冲输出信号；

(2)“秒钟”计数/译码/显示电路，显示0秒钟～59秒钟，运用逻辑笔测试芯片IC5A第3脚的“满60秒进一”的进位脉冲输出信号；

(3)“分”钟计数/译码/显示电路，显示0分钟～59分钟，运用逻辑笔测试芯片IC5B第4脚的“满60分进一”的进位脉冲输出信号；

(4)“小时”计数/译码/显示电路，显示0小时～11小时，运用逻辑笔测试芯片IC5C第10脚的“清零”脉冲输出信号；

(5)分别按动开关S1、S2，测试时间校准电路的功能及可靠性；

(6)用厚纸片遮蔽光敏电阻的上方，观测数码管亮度显示接受控制前后的响应情况。

6个单元电路组装合格后，电路可以正常显示12小时内的任一时间；可以校准当前时间；一昼夜24小时的计时误差小于0.5秒；在用3～15V范围内电源供电时，测量整机的最大工作电流（取1.5倍裕量）小于15mA。

参考文献

[1]梅开乡.数字电子技术(第3版)[M].北京:电子工业出版社,2011.10.

作者简介：张智军（1978－），男，蒙古族，内蒙古赤峰人，硕士，电气工程讲师，主要从事自动化技术方面的教学与科研。