浅谈数字电子时钟的设计及应用
2015年4月23日 09:17 作者:郑三婷 白燕燕 胡晓霞浅谈数字电子时钟的设计及应用
郑三婷 白燕燕 胡晓霞 西安工业大学北方信息工程学院 710200
【文章摘要】
从时钟发明之日起，它便作为人类实际生活的必需品，人们的日常生活到处都有它的存在。本文介绍了几种数字电子时钟的设计方案及其应用，鉴于其显示直观，走时精准，使用寿命更长等优点，不仅在单个家庭还是在各种车站、影视剧院、学校、办公室等一些公共场所中均得到广泛应用，在很大程度上改善了人们的日常生活、培训学习、工作以及消遣娱乐。
【关键词】
电子时钟；LED 显示；计数器
0 前言
对人类而言，时间相当宝贵。从发明时钟之日起，它便作为人类实际生活的必需品，人们的日常生活到处都有它的存在。当今社会，随着人类工作的逐渐繁忙， 对于做事效率也就有着愈来愈高的要求， 从而使得时钟广泛应用于实际的学习、生产等各个领域里面。电子技术在上个世纪末的蓬勃发展，极大地促进了每个领域中应用的现代电子产品的更新换代的节奏， 从而也极力地提升了世界信息化的程度并促进了生产力的发展。其中，数字式时钟发展起来，其性能远远比传统的老式钟表高出很多。另外，基于数字式时钟，对钟表的诸如定时自动闹铃、校准时间、定时报警、报时等多种功能的设置也变得异常容易。
时钟从传统的机械钟发展到现今的电子钟，其准确度和直观性变得越来越高，不需要机械装置也能有相当长的使用寿命，在人们实际生活中随处可见，应用相当广泛，并且随着电子技术的飞速发展，时钟的智能性越来越高，已渗透到很多电子设备里面。数字电子钟就是在数字电子技术的基础之上，对时、分、秒 完成自然计时的一种器件，换言之就是对基准频率( 通常是1 赫兹) 进行计数的一种计数电路。其工作原理首先是由振荡电路产生秒脉冲信号，并将其输入到计数器中准确计数，随后将累计计算的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。通常由振荡电路、计数器、数码显示器、校时电路、整点报时电路等模块电路组成。
现今社会，人们日常生活中绝对少不了电子时钟的存在，不仅在单个家庭中还是在各种车站、影视剧院、学校、办公室等一些公共场所中均应用广泛，从而在很大程度上改善了人们的日常生活、培训学习、工作以及消遣娱乐。综上，电子时钟的设计及扩大其应用范围，意义非凡。
2 几种数字电子时钟的设计
2.1 基于集成电路及芯片的电子钟设计
这种设计电路基本上是由振荡器、定时器、分频器、计数器、译码显示器、时间校准电路等电路组成。谢家兴等在传统机械式钟表和基本电子钟的基础之上，数字模拟机械、优势互补，开发设计出一种可对时间进行显示并能定时、报时、校时，同时配备了数码管、LCD1602 和LED 显示及语音录放提示功能的多用途数字电子时钟。该电子钟智能方便，增强了用户交互体验、体现了人性化设计。李瑞等[4] 用数字电路设计的数字式电子钟，采用译码器和LED 显示器分别代替了传统的机械传动方式及时间显示方式，这种做法大大减小了计时误差。其原理是利用定时器和分频器得到频率为1 赫兹的基准信号（此信号的标准与否直接关系到电子钟的走时准确），由74LS90 集成芯片分别设计二十四进制计数器的“小时”计数器和六十进制计数器的“秒”计数器，由74LS161 集成芯片设计六十进制计数器的“分”计数器。本电子钟电路中虽未包含校时电路，但可附加如报时、显示日期的电子电路等扩展电路。这种数字式电子时钟相比于传统机械式时钟，它的使用寿命更长、显示更加直观、走时准确性更高。
数字钟的走时不准或误差主要来源于系统基准频率- 秒脉冲信号。黄明等利用石英晶体振荡器产生精度极高的标准信号，分别将六十进制、二十四进制等进制的计数器转换成与之相对应的二进制数，随后可将“时”“分”“秒”的具体时间通过利用显示及译码电路精准地显示。这种数字电子时钟相比于传统的机械钟，表现出易于校时、可直观显示、走时精准等特点。
2.2 基于单片机的数字电子钟的设计
针对一些数字电子时钟体积较大、不能同时实现整点报时与闹铃功能、不便于携带等问题，有些人在原有基础之上结合单片机原理知识，采用单片机芯片设计出更有利于人类使用的高精度、液晶显示、小型的可调整设置且具有同时记录多组时间的数字电子钟。
罗佳利用单片机芯片STC89C52，根据单片机技术原理开发设计了一种多功能数字时钟系统。其中的液晶显示模块不仅能将年月日、星期和具体时间同时显示出来，还能很方便地对其进行设置；结合DAC0832 这种数模转换芯片可在仪器上同步显示时钟；具有同时实现整点报时和闹铃的功能；十二小时或二十四小时制两种显示模式可随意进行切换，并且还配备多组闹钟秒表设计等功能。刘翠玲等则是采用了AT89S51 单片机进行数字钟的设计。用6 位7 段数码管显示当前时间，利用2 行4 列8 个按键设置初始时间及控制系统运行。具体的运行结果表明，该数字钟系统涉及的硬件电路简单易懂、软件编程部分灵活多样、系统工作可靠性强， 同时能够清晰直观地显示信息，在必要的时候还可以拓展其功能，如同时实现整点报时和闹铃的功能，整体效果比较理想。
2.3 基于可编程门阵列（FPGA）的数字钟设计
当今世界，电子技术迅猛发展， 尤其是出现现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA) 以后，其集成度就越来越高、规模越来越大并且速度也越来越高。FPGA 这种较高集成度的集成电路，可通过在芯片级实现任意数字逻辑电路，使得硬件结构电路得以简化， 工作效率得以提高，从而在新产品的设计研发方面使得时间周期大幅缩短。综上所述，在这种新的技术手段——可编程门阵列基础之上来研究电子钟有重要的现实意义。
现有的设计出来的数字电子钟所涉及的硬件集成电路稍多，线路连接相对比较繁杂，不易于人们阅读理解。罗映祥根据层次电路设计原则，为易于阅读理解、整体电路布局清晰明了，将系统中各个功能模块分层次设计。这样使得每一层作为独立的电路，能更好地进行单独设计和设置，便于团队之间的合作设计。
采用FPGA 现场可编程技术，同时根据自顶向下的设计理念设计数字式电子时钟，这样设计的目的则会省略硬件电路的焊接与调试。同时鉴于可编程门阵列这种现场可编程技术包含这丰富的输入输出端口，并且可随意更改其内部逻辑， 从而更易于完成数字电子钟的设计。采用 FPGA 进行的数字电路设计具有更大的灵活性和通用性，已成为目前数字电路设计的主流方法之一。王琥[9] 给出一种基于 FPGA 的数字钟设计方案。该方案采用 VHDL 设计底层模块，采用电路原理图设计顶层系统。整个系统在 Quartus Ⅱ开发平台上完成设计、编译和仿真，并在 FPGA 硬件实验箱上进行测试。测试结果表明该设计方案切实可行。
3 结论
作为电子类专业两大基础专业课的模拟电子技术与数字电子技术，是人们在设计数字电子时钟时的依据。而数字电子技术用到的更多，涉及到最基础的逻辑门电路、编码器、译码器显示等基本原理。进一步细分，数字钟是数字电子技术二大分支之一的时序逻辑电路的典型设计，其中包含了六十进制、二十四进制两种不同进制的计数器。在实际的教学过程中，让学生们进行数字钟的设计与制作练习，有利于学生进一步掌握数字电路，为设计制作更为复杂的数字电路提供思路和处理方法。
数字电子钟是用数字集成电路构成并有数字显示特点的一种现代计数器， 相比于早期的那些机械式钟表而言，几乎不会出现机械磨损，同时能直观的进行显示，走时精准，使用寿命更长等，鉴于它的优点而在汽车站、火车站、商场、办公楼等公共场所中应用广泛。
【参考文献】
[1] 赵文来, 杨俊秀, 严国红, 等. 基于FPGA 的电子钟设计与实现[J]. 浙江理工大学学报, 2010, 27(4).
[2] 徐连成. 基于NI MULTISIM 11.0 软件的数字钟设计与仿真[J]. 电子技术设计与应用.
[3] 谢家兴, 王建, 刘洪山, 等. LED 点阵显示式多功能数字电子钟设计[J]. 软件导报,2014,13(4).
[4] 李瑞, 王明艳, 向厚振, 等. 基于计数器的数字电子钟的设计[J]. 山西电子技术,2011,(4).
[5] 黄明, 黄艳. 多功能数字钟电路的设计与制作[J]. 机械与电子, 2009 , (29).
[6] 罗佳. 基于单片机的数字电子钟及其实现[J]. 常州信息职业技术学院学报,2010,9(2).
[7] 刘翠玲, 吕娣, 丛俊玲. 基于AT89S51 单片机数字电子钟设计与实现[J]. 信息系统工程,2011.
[8] 罗映祥. 基于Multisim 9 的数字电子钟设计与仿真[J]. 现代电子技术,2010,(9).
[9] 王琥, 任峻. 基于 FPGA 的数字电子钟设计[J]. 电子设计工程,2014,22(4).
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