CD4033,CD4518數字電子鐘電路圖,Digital electronic clock

1.電路原理圖

電路如圖所示。與那些用專用的數字電子鐘集成電路不同，電路采用了CD4000系列的CMOS集成電路制作，其特點是走時精確、省電(用4節5號電池供電)、時間調整方便。

2.數字電子鐘計數原理

電路由時鐘脈沖電路、分/小時計數電路、時間顯示電路、時間調整電路4部分組成；電路原理框圖如下圖所示。電路電源為5V，采用4節5號充電電池供電。

時鐘脈沖電路輸出周期為1s的脈沖信號。電路采用了頻率為1MHz的有源晶體振蕩器IC1，它體積小巧并具有很高的精度；其封裝為4腳矩形排列，有兩個電源引腳、一個輸出引腳及一個空置的引腳，管腳接線如圖1中所示。它的誤差為±5ppm；理論上說每天計時誤差不超過1秒鐘。該振蕩器供

電電壓為正5V，故電路采用4節5號充電電池供電。電路通過3個4518集成電路中的6組10分頻電路，把1MHz的脈沖變成1Hz脈沖信號。

分/小時計數電路實際上分別是60分頻和24分頻電路，采用4040集成電路組成6分頻電路和24分頻電路實現。這里的6分頻電路從10分鐘計數器的輸入端取計時脈沖信號，以實現60分鐘向小時進位的功能。當分鐘計時到了60分鐘的時候，向小時計數器IC發出加1的計數脈沖信號；在小時加1的同時，分鐘計數器歸零。這樣從顯示的結果來看，分鐘顯示范圍是從0分到59分。小時顯示器的進位單位是24小時；每到23小時59分鐘時，再加1分鐘則變成0小時0分。

3.數碼管節電措施

時間顯示電路由4只CD4033計數/譯碼/驅動IC與4只配套的CD5011系列的數碼管組成。數碼管的驅動方式有動態和靜態兩種；采用動態驅動的每個段碼驅動電流平均為15mA；采用靜態驅動一般在10—20mA。這樣，按照每個數碼管顯示數字時平均為5個段碼計算，驅動電流為50—100mA。4個數碼管的電子鐘需要300rnA的電流驅動，如果用5號充電電池供電僅可用半天；所以目前的LED數字電子鐘大多采用交流供電。

電路的設計目標是用5號電池充電一次使用半個月；為此，電路采用了多種節電措施。首先是采用了超高亮度的數碼管。這種數碼管僅僅用1mA的驅動電流。就可以發出普通數碼管用20mA電流相同的亮度；當使用20rnA電流時，發出的光亮足以保證在室外陽光下正常顯示。有關超高亮度LED的發光效率的具體數據，有興趣的讀者可以在網絡等文獻中查閱。
第二是采用了小時與分鐘每秒鐘交替顯示一次的措施；即把一秒鐘分成兩段，“分鐘”和“小時”

各顯示一段時間，當分鐘顯示時小時熄滅。小時顯示時分鐘熄滅。電路從IC4的5腳取出1Hz的秒信號。其占空比為0.4；用門4、門5、門6將相位調整到每秒鐘分鐘顯示0.6秒、熄滅0.4秒；小時顯示04秒，熄滅0.6秒。

第三是采用了CD4033的零消隱功能，也就是當十位的數字為零時，該位數碼管不亮；舉例來說，當前時間為8時6分，不顯示08時06分，而顯示8時6分。

最后一項措施是顯示的亮度受環境光線強弱的控制，當夜晚室內光線較暗時，數碼管自動降低亮度。具體做法是每只數碼管通過一個光敏電阻接地。光敏電阻可用φ5的，阻值用亮電阻小于5kΩ的5606或者5516；如果不知道型號，應采用亮電阻最小的那一擋。

采用了上述節電措施后，效果如何評估呢?超高亮度LED數碼管耗電為普通數碼管的十分之一，輪流顯示措施節電一半，零位不亮耗電約為原來的70％，夜間降低亮度使耗電為原來的60％；整機耗電的平均電流為8mA；耗電為原來的百分之二，大大延長了電池使用時間。

4.時間調整電路

時間調整電路采用所見即所得的方式，也就是在時鐘正常工作的狀態下，不用按動任何開關，只需按動快進或者慢進按鈕，就可以向前調整時間；到了當前時間后，松開按鈕，鐘表就可以正常進入計時狀態。在正常計時狀態下，IC4的14腳的10Hz信號通過一個5kQ電阻輸出給下一級計數器的1腳；當按下慢進按鈕AN1時，IC3的12腳輸出的2kHz信號直接輸入到lC4的1腳。這樣，計數器的速度快了200倍，不再是每分鐘加1，而是每秒鐘加3；也就是每秒鐘可向前調整3分鐘。按下快進按鈕AN2則用50kHz信號取代原來的10Hz信號，可在一秒鐘的時間向前調整90多分鐘。

二、在面包板上組裝數字電子鐘

1.拼合面包板

電路總共使用了16個集成電路，這些集成電路總共占用100多列面包插孔，超過了一塊面包板的63列插孔；再考慮到其他元器件，可使用2塊面包板制作電路。將2塊面包板按同一方向上下對齊，用它上面的燕尾鉤、燕尾槽連接并固定成一塊大面包板。

2.安裝集成電路

根據電路的特點，安排每個集成電路在面包板上面的位置，將它們插放在面包板上。可以根據自己的想法靈活安排各個部分的布局。以本文所介紹的一種布局為例，首先考慮的因素是怎樣觀察時間結果。電路有4位數字輸出，0～23小時和0—59分鐘：也就是說，小時和分鐘各用2個數碼管。采用2位綠色數碼管顯示分鐘數字，2位紅色數碼管顯示小時。考慮到數碼管與驅動集成電路CD4033的連線長度應盡量短，將數碼管的安裝在CD4033的上方。為了便于觀察，顯示小時和分鐘的電路分別安裝在面包板的左右兩邊；一種布局方案如下圖所示。

如圖4所示的集成電路從左到右的位置說明：

上方面包板是IC16、IC1、IC15、IC2、IC3、IC4、IC5、IC14和lCl3，下方面包板是IC12、lC11、IC8、IC7、IC6、lC10和IC9。

3.分步組裝

對于比較復雜的電路，不要采用把全部電路組裝完成后再進行調試的方法；建議采用分步組裝的方法。分步組裝的原則是先組裝那些相對可以獨立工作的電路，以便組裝一部分電路之后，就可以對這一部分電路進行調試；確保這部分電路組裝成功后.再進行下一步的組裝，直至全部電路組裝調試成功。

結合本電路的特點，建議分步組裝的順序是：

時間顯示電路一分鐘/小時計數電路一時鐘j脈沖產生電路一時間調整電路時間顯示電路組裝完成后，應該可以顯示0到9999的數字。分鐘/小時計數電路組裝完成后，電路可以顯示0時0分到23時59分的數字。

時鐘脈沖電路組裝完成后，時間顯示電路可以顯示24小時的時間。

時間調整電路組裝完成后，可以調整時間以顯示當前時間。

4.雙BCD同步加計數器

CD4518集成電路CD4518的管腳接線圖如下圖所示(略)。

該集成電路內部包含有兩個相互獨立的計數器單元，各管腳功能如下。

CPA、CPB：時鐘輸入端，上升沿觸發：CPEA、CPEB端高電平有效。

CPEA、CPEB：時鐘輸入端，下降沿觸發：CPA、CPB端低電平有效。

Q1A～Q4B：計數器輸出端，2組共8個，為二一十進制計數器。

RA、RB：加高電平計數器清零。

CD4518與CD4520計數器管腳接線完全相同，它們的不同之處在于CD4518為十進制，而4520為十六進制。4518的輸出端波形圖如下圖所示。

從下圖可以看出，如果單獨觀察各個輸出端的計數結果，Q1、Q2、Q3、Q4的分頻系數分別為2、5、10、10；例如，當時鐘輸入端CP的頻率為100Hz，則Q1、Q2、Q3、Q4輸出的頻率分別為：50Hz、20Hz、10Hz、10Hz；仔細觀察會發現，Q3、Q4輸出的脈沖頻率相同，但相位不同，占空比也不同。

調整時鐘脈沖電路時可用一個壓電陶瓷片監聽電路是否正常工作；方法是將壓電陶瓷片的一腳接在4518的一個輸出端上，另一腳接地。如果電路工作正常，連接的4518的輸出端頻率在音頻范圍內時，就可以聽到壓電陶瓷片發出聲音。

5.時間調整

開機后，按下快進按鈕AN1調整小時，可將顯示時間小時調整到當前時間；按下慢進按鈕AN2，將顯示分鐘調整到當前時間。

6.拓展實驗

(1)可通過改變時間調整電路中按鈕連接到4518的不同計數輸出端，得到較快或者較慢的時間調整速度。

(2)還可以增加一個時鐘脈沖禁止輸入按鈕，按動它可以讓時鐘暫停計數；特別適用于需要把時鐘調慢幾秒鐘的情況。