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一、电路原理

 1．电路原理图

电路如图1所示。

与那些用专用的数字电子钟集成电路不同，电路采用了4000系列的 CMOS集成电路制作，其特点是走时精确、省电（用4节5号电池供电）、时间调整方便。

 2．数字电子钟计数原理

电路由时钟脉冲电路、分/小时计数电路、时间显示电路、时间调整电路4部分组成；电路原理框图如图2所示。 电路电源为5V，采用4节5号充电电池供电。

时钟脉冲电路输出周期为1s的脉冲信号。电路采用了频率为1 MHz的有源晶体振荡器 IC1，它体积小巧并具有很高的精度；其封装为4脚矩形排列，有两个电源引脚、一个输出引脚及一个空置的引脚，管脚接线如图1中所示。它的误差为±5ppm；理论上说每天计时误差不超过1秒钟。该振荡器供电电压为正5V， 故电路采用4节5号充电电池供电。电路通过3个4518集成电路中的6组10分频电路，把1 MHz的脉冲变成1 Hz脉冲信号。

 分/小时计数电路实际上分别是60分频和24 分频电路， 采用4040集成电路组成6分频电路和24分频电路实现。这里的6分频电路从10分钟计数器的输入端取计时脉冲信号，以实现60分钟向小时进位的功能。当分钟计时到了60分钟的时候，向小时计数器 IC发出加1的计数脉冲信号；在小时加1的同时，分钟计数器归零。这样从显示的结果来看，分钟显示范围是从 0分到59分。小时显示器的进位单位是24小时；每到23小时59分钟时，再加1分钟则变成 0小时 0分。

 3．数码管节电措施

时间显示电路由4只4033计数/译码/驱动IC与4只配套的5011系列的数码管组成。数码管的驱动方式有动态和静态两种； 采用动态驱动的每个段码驱动电流平均为15mA； 采用静态驱动一般在10- 20 mA。这样，按照每个数码管显示数字时平均为5个段码计算，驱动电流为50- 100mA。4个数码管的电子钟需要300mA的电流驱动， 如果用5 号充电电池供电仅可用半天；所以目前的 LED数字电子钟大多采用交流供电。

电路的设计目标是用5号电池充电一次使用半个月；为此，电路采用了多种节电措施。首先是采用了超高亮度的数码管。这种数码管仅仅用 1 mA 的驱动电流，就可以发出普通数码管用20mA电流相同的亮度；当使用20mA电流时，发出的光亮足以保证在室外阳光下正常显示。有关超高亮度 LED 的发光效率的具体数据，有兴趣的读者可以在网络等文献中查阅。

第二是采用了小时与分钟每秒钟交替显示一次的措施； 即把一秒钟分成两段，“分钟”和“小时”各显示一段时间，当分钟显示时小时熄灭，小时显示时分钟熄灭。电路从 IC4的5脚取出1Hz的秒信号，其占空比为 0.4；用门4、门5、门6将相位调整到每秒钟分钟显示 0.6秒、熄灭0.4秒； 小时显示0.4秒，熄灭 0.6秒。

第三是采用了4033的零消隐功能， 也就是当十位的数字为零时，该位数码管不亮；举例来说，当前时间为8时6分，不显示 08时 06分，而显示8 时6分。

最后一项措施是显示的亮度受环境光线强弱的控制，当夜晚室内光线较暗时，数码管自动降低亮度。具体做法是每只数码管通过一个光敏电阻接地。光敏电阻可用Φ5的，阻值用亮电阻小于5kΩ的5606或者5516；如果不知道型号，应采用亮电阻最小的那一挡。

采用了上述节电措施后，效果如何评估呢？ 超高亮度 LED数码管耗电为普通数码管的十分之一，轮流显示措施节电一半，零位不亮耗电约为原来的70%，夜间降低亮度使耗电为原来的60%；总的算下来，本电路耗电为普通电路的 0.1× 0.5× 0.7×0.6= 0.021，整机耗电的平均电流为8mA；耗电为原来的百分之二，大大延长了电池使用时间。

 4．时间调整电路

 时间调整电路采用所见即所得的方式，也就是在时钟正常工作的状态下， 不用按动任何开关，只需按动快进或者慢进按钮， 就可以向前调整时间；到了当前时间后，松开按钮，钟表就可以正常进入计时状态。在正常计时状态下， IC4的14脚的10Hz信号通过一个5kΩ电阻输出给下一级计数器的1脚；当按下慢进按钮 AN1时， IC3的12脚输出的2kHz信号直接输入到 IC4的1脚。这样，计数器的速度快了200倍，不再是每分钟加1，而是每秒钟加3；也就是每秒钟可向前调整3分钟。按下快进按钮AN2则用50kHz信号取代原来的10Hz信号，可在一秒钟的时间向前调整90多分钟。

 二、在面包板上组装数字电子钟

 1．拼合面包板

     电路总共使用了16个集成电路， 这些集成电路总共占用 1 00多列面包插孔，超过了一块面包板的63列插孔；再考虑到其他元器件，可使用2块面包板制作电路。将2块面包板按同一方向上下对齐，用它上面的燕尾钩、燕尾槽连接并固定成一块大面包板；如图3所示。

 2．安装集成电路

      根据电路的特点，安排每个集成电路在面包板上面的位置，将它们插放在面包板上。可以根据自己的想法灵活安排各个部分的布局。以本文所介绍的一种布局为例，首先考虑的因素是怎样观察时间结果。电路有4位数字输出，0- 23小时和 0- 59分钟；也就是说，小时和分钟各用2个数码管。采用2位绿色数码管显示分钟数字，2位红色数码管显示小时。考虑到数码管与驱动集成电路4033的连线长度应尽量短，将数码管的安装在4033的上方。为了便于观察，显示小时和分钟的电路分别安装在面包板的左右两边；一种布局方案如图4所示

  如图 4 所示的集成电路从左到右的位置说明：

      上方面包板是 IC16、IC1、IC15、IC2、IC3、IC4、IC5、IC14和 IC13，下方面包板是 IC12、IC11、IC8、IC7、IC6、IC10和 IC9。

3．分步组装

       对于比较复杂的电路， 不要采用把全部电路组装完成后再进行调试的方法； 建议采用分步组装的方法。分步组装的原则是先组装那些相对可以独立工作的电路， 以便组装一部分电路之后，就可以对这工作的电路再进行下一步的组装，直至全部电路组装调试成功。

结合本电路的特点，建议分步组装的顺序是：

       时间显示电路- 分钟/小时计数电路- 时钟脉冲产生电路-时间调整电路时间显示电路组装完成后，应该可以显示 0到9999的数字。

分钟/小时计数电路组装完成后， 电路可以显示 0时 0分到23时59分的数字。

      时钟脉冲电路组装完成后， 时间显示电路可以时间调整电路组装完成后， 可以调整时间以显示 0时 0分到23时59分的数字。

     时钟脉冲电路组装完成后， 时间显示电路可以显示24小时的时间。

     时间调整电路组装完成后， 可以调整时间以显示当前时间。

4．双 BCD同步加计数器4518集成电路

   4518的管脚接线图如图5所示。

该集成电路内部包含有两个相互独立的计数器单元，各管脚功能如下。

CPA、CPB：时钟输入端，上升沿触发； CPEA、CPEB端高电平有效。

CPEA、CPEB：时钟输入端，下降沿触发； CPA、CPB端低电平有效。

Q1A～Q4B：计数器输出端，2组共8个，为二-十进制计数器。

RA、 RB：加高电平计数器清零。

451 8与4520计数器管脚接线完全相同，它们的不同之处在于4518为十进制，而4520为十六进制。

4518的输出端波形图如图6所示。

从图6可以看出，如果单独观察各个输出端的计数结果， Q1、Q2、Q3、Q4的分频系数分别为2、5、10、10；例如，当时钟输入端 CP的频率为100Hz，则 Q1、Q2、Q3、Q4输出的频率分别为：50 Hz、20Hz、1 0 Hz、1 0 Hz；仔细观察会发现， Q3、Q4输出的脉冲频率相同，但相位不同， 占空比也不同。

调整时钟脉冲电路时可用一个压电陶瓷片监听电路是否正常工作； 方法是将压电陶瓷片的一脚接在4518的一个输出端上，另一脚接地。如果电路工作正常， 连接的4518的输出端频率在音频范围内时，就可以听到压电陶瓷片发出的声音到 CD4060的15脚 Q10处就成功了。

对于恒流充电为1.8A的充电器，10小时可以充电18AH，对于14AH以内的蓄电池，即使从最低允许电压开始充电，加上考虑电化学转换的效率，需要充人14×1.2=16.8AH，所以不超过10小时就会亮绿灯，设定10小时作为保护时间是合理的。如果仍然用原来的充电器而更换成大容量蓄电池例如20AH， 从最低允许电压开始充电再考虑转换效率。亮绿灯会超过10小时，如果仍然用10小时作为保护时间，就会出现欠充电。这就要调 RP加长555的脉冲周期， 使保护时间大于亮绿灯所需要的时间即可。例如，调为绿灯亮后1小时30分继电器断电，保护断电时间就自动成为8×1.5=12小时了。使用充电保护器，可以无人管理放心地充电，并能延长蓄电池的使用寿命和节约电力。

5．时间调整

开机后，按下快进按钮 AN1调整小时，可将显示时间小时调整到当前时间； 按下慢进按钮 AN2，将显示分钟调整到当前时间。

6．拓展实验

（1） 可通过改变时间调整电路中按钮连接到451 8的不同计数输出端，得到较快或者较慢的时间调整速度。

（2） 还可以增加一个时钟脉冲禁止输入按钮，按动它可以让时钟暂停计数；特别适用于需要把时钟调慢几秒钟的情况。

（3）改成12小时进制的钟表

三、拓展制作——增加整点报时功能

一种解决方案是：声音源可从时钟发生器取出，控制脉冲从小时进位信号获得； 可直接通过门电路驱动陶瓷片。