由： 马歇尔大脑

　　你有没有想过数字闹钟是如何工作的? 耶拿·阿德尔 / 盖蒂图片社

　　很有可能在你的卧室里，你的床边有一个数字时钟。你有没有在早上看过它，想知道它是如何工作的?

　　在本文中，您将确切地了解数字时钟(或手表)的工作原理。事实上，你甚至会学习如何建立自己的!

　　要了解数字时钟的工作原理，您必须进入内部并查看发生了什么。所以让我们开始吧!

　　基础知识

　　如果您已阅读 摆钟的工作原理，您知道所有时钟(无论技术如何)都有一些必需的组件：

　　运行时钟的动力源 在摆钟中，砝码或弹簧处理这一角色。

　　充当时钟心跳的精确时基 在摆钟中，摆锤和擒纵机构负责这一角色。

　　一种降低时基以提取不同时间分量的方法 (小时、分钟、秒)在摆钟中， 齿轮 担任此角色。

　　一种显示时间的方法 在摆钟中，指针和面部扮演着这个角色。

　　数字时钟也不例外。它只是以电子方式而不是机械方式处理这些功能。因此，在数字时钟中，有一个电源(要么 电池 或来自墙壁的 120 伏交流电源)。有一个电子时基以某种已知和准确的速率“滴答作响”。有某种电子“传动机制”—— 通常，数字时钟用一个叫做“计数器”的组件来处理齿轮。 还有一个显示器，通常要么 发光二极管 (发光二极管)或 液晶显示器 (液晶显示器)。

　　高级视图

　　以下是数字时钟组件的高级概述。

　　在时钟的中心有一个片段可以产生准确的60赫兹(Hz，每秒振荡)信号。有两种方法可以生成此信号：

　　信号可以从法线下的 60 Hz 振荡中提取 电力线.许多从墙上插座获得电源的时钟都使用这种技术，因为它既便宜又容易。为此，电源线上的 60 Hz 信号相当准确。

　　信号可以使用 晶体振荡器.显然，任何电池供电的时钟或手表都会使用这种技术。它需要更多零件，但通常更准确。

　　60 Hz 信号使用 计数器.在构建自己的时钟时，典型的 TTL部分 使用是 7490 十年计数器.该部分可以配置为除以 2 到 10 之间的任何数字，并生成 二进制数 作为输出。因此，您采用 60 Hz 时基，将其除以 10，除以 6，现在您有一个 1 Hz(每秒 1 次振荡)的信号。这种 1 Hz 信号非常适合驱动显示器的“二手”部分。到目前为止，时钟在框图中如下所示：

　　要实际看到秒数，计数器的输出需要驱动显示器。两个计数器产生 二进制数.被 10 分频计数器在其输出上产生 0-1-2-3-4-5-6-7-8-9 序列，而被 6 分频计数器在其输出上产生 0-1-2-3-4-5 序列。我们希望在称为 7段式显示器.7段显示器上有七个条形图，通过打开不同的条形图，您可以显示不同的数字：

　　要将 0 到 9 之间的二进制数转换为适当的信号以驱动 7 段显示器，请使用(正确命名的)“二进制数到 7 段显示转换器”。 该芯片查看传入的二进制数，并打开 7 段 LED 中的相应条以显示该数字。如果我们显示秒，那么时钟的秒部分如下所示：

　　该级的输出以每分钟一个周期的频率振荡。您可以想象时钟的分钟部分看起来完全相同。最后，小时部分看起来几乎相同，只是被 6 分频计数器替换为除以 2 的计数器。

　　现在还有两个细节需要弄清楚你是否正在构建一个真正的时钟：

　　这里设计的时钟不明白在 12：59：59 它应该循环回 1：00。这是一个混乱的小问题，有几种方法可以解决它。一种技术涉及创建一点逻辑，可以检测数字 13 并将小时部分重置回 1(而不是零)。另一种技术涉及使用 蝰蛇.就我们的目的而言，在军事时间中处理更容易，因为军事时间包括零小时。

　　我们需要一种方法来设置时钟。通常，这是通过将高于正常频率的门控到分钟部分来处理的。例如，大多数时钟都有“快速”和“慢速”设置按钮。当您按下“快速”按钮时，60-Hz 信号将直接进入分钟计数器。当您按下“慢速”按钮时，1-Hz 信号被驱动到分钟部分。还有其他可能的技术，但这是最常见的。

　　现在让我们看看我们必须做些什么来构建一个真正的时钟!

　　构建自己的数字时钟

　　了解数字时钟的不同组件以及它们如何协同工作的最佳方法是实际完成构建自己的时钟的步骤。在这里，我们将只构建时钟的“秒”部分，但您可以轻松地扩展内容以构建具有小时、分钟和秒的完整时钟。要了解这些步骤，您需要阅读 布尔逻辑的工作原理 和 电子门的工作原理.特别是，电子门文章向您介绍了TTL芯片，面包板和电源。如果您已经按照该文章中的描述使用过门，那么这里的描述将更有意义。

　　我们需要的第一件事是一个 电源.我们在电子门文章中构建了一个。当时，我们使用标准壁式变压器产生直流(直流)电源，然后使用 7805 将其调节到 5 伏。对于我们的时钟，我们希望做一些稍微不同的事情，因为我们将从电源线中提取 60 Hz 时基。这意味着我们想要一个 交流 而不是直流变压器，我们将使用一个名为 桥式整流器 将交流电转换为直流电。因此，我们的电源需要以下部件：

　　12 伏交流变压器(Jameco 部件 #115602)

　　桥式整流器(Jameco 部件 #103018)

　　7805 5 伏稳压器(TO-220 外壳)(Jameco 部件 #51262)

　　两个 470 微法拉电解电容器(Jameco 部件 #93817)

　　5.1 伏齐纳二极管(Jameco 部件 #36097)

　　1 K欧姆电阻器(Jameco 部件 #29663)

　　关于所用零件的一些注意事项：

　　两者之间的区别 交流变压器 我们在这里使用，我们在关于栅极的文章中使用的直流变压器是交流变压器保留了 60 伏家用电流中的 120 Hz 正弦波。如果要使用伏特欧姆表测量交流变压器的电压，请确保使用交流电压范围而不是直流范围。

　　我们使用 桥式整流器 将交流电转换为直流电。整流器上的一个端子将标有“+”——从中您可以找到负号和交流输入。交流变压器没有极性，因此将哪根变压器引线连接到整流器的哪根交流引线并不重要。

　　这 7805 和 电容器 就像他们在 电子门 品。

　　这 电阻器 和 齐纳二极管 从变压器的正弦波中提取 60 Hz 信号。一个 二极管 是电子的单向阀。齐纳二极管也是一种单向阀，但如果电子高于一定电压，它也会在另一个方向上传递电子。因此，齐纳二极管将 10 伏正弦波转换为在 0 到 5 伏之间振荡的削波。这非常适合为 TTL 计数器计时。1 K欧姆电阻确保流向齐纳二极管的电流受到限制，因此我们不会烧坏二极管。二极管的一端将涂有一个带 - 这个带应该是连接到电阻器的末端。

　　电路图

　　这是电源和时基的电路图。

　　正如我们在文章中看到的 电子门，电源是最难的部分!

　　要创建时钟的其余部分，您需要：

　　至少四个 7490 或 74LS90 芯片

　　至少两个 7447 或 74LS47 二进制至 7 段转换器

　　7段显示器中的LED至少有20个电阻(330欧姆就可以了。

　　一些正常的 发光二极管

　　至少两个共阳极 (CA) 7 段 LED 显示屏(Jameco 部件 # 17208 是典型值。

　　面包板、电线等(见 本页 获取完整列表。

　　您需要的芯片、电阻器和 LED 的数量取决于您有兴趣实现的位数。在这里，我们将只讨论几秒钟，因此“至少”数字是正确的。

　　7490 引脚排列

　　让我们简要看一下 7490，看看它是如何工作的。

　　7490 是一款 十年计数器，这意味着它能够周期性地从 0 计数到 9，这是它的自然模式。也就是说，QA、QB、QC 和 QD 是二进制数中的 4 位，这些引脚从 0 循环到 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

　　您还可以将芯片设置为最多计数到其他最大数字，然后返回零。您可以通过更改 R01、R02、R91 和 R92 线路的接线来“设置它”。如果R01和R02均为1(5伏)，R91或R92均为0(地)，则芯片会将QA、QB、QC和QD重置为0。如果 R91 和 R92 都是 1(5 伏)，则 QA、QB、QC 和 QD 的计数为 1001 (5)。所以：

　　要创建一个 被 10 分频计数器，首先将引脚 5 连接到 +5 伏，将引脚 10 接地为芯片供电。然后将引脚 12 连接到引脚 1，并将引脚 2、3、6 和 7 接地。在引脚 14 上运行输入时钟信号(来自时基或以前的计数器)。输出显示在 QA、QB、QC 和 QD 上。使用引脚 11 上的输出连接到下一级。

　　要创建一个 被 6 分频计数器，首先将引脚 5 连接到 +5 伏，将引脚 10 接地为芯片供电。然后，将引脚 12 连接到引脚 1，将引脚 6 和 7 接地。将引脚 2 连接到引脚 9，将引脚 3 连接到引脚 8。在引脚 14 上运行输入时钟信号(来自时基或以前的计数器)。输出显示在 QA、QB 和 QC 上。使用引脚 8 连接到下一级。

　　创建秒针

　　了解了所有这些，您就可以轻松创建数字时钟的“秒针”。它看起来像这样：

　　在此图中，顶部的两个 7490 将来自电源的 60-Hz 信号除以 60 倍。第三个 7490 将 1 赫兹信号作为输入并将其除以 10。在此图中，其四个输出驱动普通 LED。第四个 7490 将第三个的输出除以 6，其三个输出也驱动普通 LED。此时您拥有的是时钟的“秒针”，秒针的输出以二进制显示。如果您想创建一个以二进制显示时间的时钟，那么您已经设置好了!下面是一个面包板的视图，其中包含一个 10 分频计数器、一个 6 分频计数器和一组 LED，用于以二进制形式显示计数器的输出：

　　从左边进入图片的电线是电路板的电源、接地和时钟线。左边的计数器是设置为除以 10 的 7490，右边的计数器是另一个设置为除以 6 的 7490。

　　如果您将东西收得更紧并完成更整洁的接线工作，则在一个面包板上最多可以安装四个计数器。

　　以数字形式显示时间

　　如果要将时间显示为数字，则需要使用 7447。这是 7447 的引脚排列，以及 7 段 LED 的段标签。

　　您可以像这样将 7447 连接到 7490：

　　在引脚 16 上提供 +5 伏电压，在引脚 8 上提供接地电压，为 7447 芯片供电。

　　将 7490 的 QA、QB、QC 和 QD 分别连接到 7447 的引脚 7、1、2 和 6。

　　将 330 欧姆电阻连接到 7447 的引脚 13、12、11、10、9、15 和 14，并将这些电阻连接到 7 段 LED 的 a、b、c、d、e、f 和 g 段。

　　将 7 段 LED 的公共阳极连接到 +5 伏。

　　您需要具有所用特定 LED 显示屏的引脚排列，以便了解如何将 7447 的输出连接到 7 段设备中的 LED。(另请注意，7448 等效于 7447，只是它驱动共阴极显示器。在这种情况下，将 LED 的公共阴极接地。)

　　您可以看到，通过扩展电路，我们可以轻松创建一个完整的时钟。要创建时钟的“分针”部分，您需要做的就是复制“秒针”部分。要创建“时针”部分，您需要发挥创造力。可能最简单的解决方案是创建一个显示军事时间的时钟。然后你会想要使用 和门 (或 7490 的 R 输入)来识别二进制数 24，并使用识别器的输出将小时计数器重置为零。

　　您需要创建的最后一件作品是 设置机构.在面包板上，设置时钟很容易 - 只需移动输入线即可将更高频率的信号驱动到时钟的分针部分。在实际时钟中，您将使用按钮或开关和门来做同样的事情。

　　如果您碰巧将床头时钟或手表拆开，您会注意到的一件事是里面可能没有 15 个 TTL IC。事实上，您可能根本找不到芯片。在大多数现代钟表中，时钟的所有功能(包括闹钟和任何其他功能)都集成到一个低功耗芯片中(在手表中，芯片和显示器加起来仅消耗大约百万分之一瓦)。该芯片可能直接嵌入电路板中.你也许可以看到一团黑色塑料保护着这个芯片。这个微小的芯片包含了我们在这里讨论的所有组件。

　　现在，您已经完全了解了数字时钟的工作原理。下次你看床边的时钟或数字手表时，你可以对里面发生的事情有新的尊重!如果您想更上一层楼，了解如何使用微控制器构建数字时钟，请参阅 微控制器的工作原理.