基于LM8560的石英數字鐘的設計

數字鐘是一種用數字電路技術(shù)實(shí)現時(shí)、分、秒計時(shí)的裝置，傳統數字鐘的設計過(guò)程要經(jīng)過(guò)設計方案提出、方案驗證和修改3個(gè)階段。一般采用搭接實(shí)驗電路的方法進(jìn)行，往往需要實(shí)驗和修改的反復過(guò)程，直到設計出正確的結論為止，例如參考文獻中的多功能數字鐘的電路設計。而利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協(xié)議等開(kāi)始設計電子系統，大量工作可以通過(guò)計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過(guò)程在計算機上自動(dòng)處理完成。

　　電子產(chǎn)品從系統設計、電路設計到芯片設計、PCB設計都可以用EDA工具完成，其中仿真分析、規則檢查、自動(dòng)布局和自動(dòng)布線(xiàn)是計算機取代人工的最有效部分。利用EDA工具，可大大縮短設計周期，提高設計效率，減小設計風(fēng)險。

　　Protel99SE是一個(gè)32位印制板輔助設計軟件包，具有強大的設計功能，可以完成原理圖、印制板設計和可編程邏輯器件設計。

　　1 數字鐘工作原理

　　數字計時(shí)器一般由振蕩器、分頻器、計數器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。這些都是數字電路中應用最廣的電路，其組成框圖如圖1所示。

　　2 計數譯碼LM8560元件

　　計數譯碼部分采用的是LM8560元件。LM8560為PMOS大規模集成電路，采用雙列直插塑封，配用4位數字顯示板。其等效原理框圖如圖2所示。特點(diǎn)：驅動(dòng)7段LED發(fā)光管顯示;50/60Hz工作;12/24小時(shí)顯示;12小時(shí)顯示AM(上午)、PM(下午)指示;超前零關(guān)斷;9分鐘打盹報警;預置59分鐘(或1小時(shí)59分鐘)睡眠定時(shí);預置24小時(shí)內的報警;使用觸摸遞增器設置控制;電源失效指示;備用RC振蕩器;900 Hz樂(lè )音輸出。

　　1)50/60 Hz輸出選擇國內使用的交流電源頻率為50 Hz，只要將26腳(50/60Hz選擇)接到Vss即可。如果電源頻率為60 Hz時(shí)，此腳懸空不接。

　　2)12/24小時(shí)顯示選擇將第28腳(12/24小時(shí)選擇)接到Vss即可顯示24小時(shí)格式;此腳懸空不連，可顯示12小時(shí)格式。

　　3)CR輸入停電時(shí)，備用電池自動(dòng)供電，片子內部的時(shí)鐘振蕩器立刻工作，代替50/60 Hz輸入，控制時(shí)間計數器繼續計時(shí)，但不顯示;來(lái)電時(shí)自動(dòng)轉為交流電源，恢復顯示。這樣雖然停電，仍能準確地計時(shí)。在CR輸入端接的R和C的數值，決定片內時(shí)鐘振蕩器的頻率。備用振蕩器的穩定度為±10%，精度為±10%。

　　4)50/60 Hz輸入時(shí)間計數器的時(shí)基由50/60 Hz交流電源提供時(shí)從此端(第25腳)輸入。此端外接簡(jiǎn)單的RC濾波電路，能夠消除電源電壓瞬變的影響，否則容易引起時(shí)鐘的誤記或器件的損壞。

　　5)顯示模式選擇使用單刀單擲開(kāi)關(guān)可選擇4種顯示中的一種：時(shí)間、秒、報警時(shí)間、睡眠時(shí)間。

　　6)時(shí)間設置輸入小時(shí)設置和分設置端用來(lái)對準時(shí)間或設置報警和睡眠時(shí)間。在睡眠顯示模式時(shí)用小時(shí)設置即可將睡眠計時(shí)器置位到1小時(shí)59分鐘，否則將置位到59分鐘。

　　7)電源失效指示若電源斷電后又來(lái)電，則所有筆畫(huà)均以1 Hz的頻度閃爍，而后可用小時(shí)設置和分設置輸入還原。

　　8)報警輸出和報警關(guān)輸入如果報警設置和實(shí)時(shí)時(shí)間符合，則此端輸出控制外部電路發(fā)出以2 Hz斷續的900 Hz樂(lè )音。它可持續1小時(shí)59分鐘，除非它被報警關(guān)輸入或打盹輸入復位，恢復到正常狀態(tài)。此外還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的低通濾波器得到直流輸出，作為控制信號使用。

　　9)打盹翰入在報警期間，此端輸入可暫時(shí)關(guān)閉報警9分鐘，之后報警信號再現;在報警的1小時(shí)59分鐘內可以重復使用。

　　10)睡眠定時(shí)和輸入通常用于59分鐘(或1小時(shí)59分鐘)時(shí)間間隔內自動(dòng)打開(kāi)，經(jīng)過(guò)59分鐘(或1小時(shí)59分鐘)收音機自動(dòng)關(guān)閉。收音機的關(guān)閉也可用打盹輸入來(lái)手控。

　　11)使用板限值任意腳上所加的電壓范圍：+0.3～-15.0 V，工作溫度：-20℃～+70℃，儲存溫度：-55℃～+150℃，引線(xiàn)最高溫度(焊接10 s)：300℃。

3 創(chuàng )建電路原理圖

　　在Protel99E軟件平臺下繪制如圖3所示的數字鐘電路圖。

　　具體要求為：集成電路LM8560的封裝形式是DIP28;4069的封裝形式是DIP14;電阻RES2的封裝形式是AXIAL0.3;電容CAP的封裝形式是RAD0.1;電解電容ELECTRO1的封裝形式是RB.2/.4;晶振CRYSTAL的封裝形式是XTAL1;二極管DIODE的封裝形式是DIODE0.4;喇叭SPEAK-ER的封裝形式是AXIAL0.4;開(kāi)關(guān)K1～K5的封裝形式是AXIAL0.3;EN-148-28的封裝形式采用自制。

　　4 繪制印制電路版

　　1)進(jìn)行電氣規則檢查和創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )表。

　　2)規劃印制板，設置文檔參數。要求印制板尺寸為100mmx70mm;可視柵格1設置為1mm，可視柵格2設置為10mm，捕獲柵格設置為0.5mm。

　　3)裝載原理圖的網(wǎng)絡(luò )表，由于二極管封裝中的焊盤(pán)編號與原理圖中的不一致，在裝載過(guò)程中會(huì )出錯所以要修改封裝中的焊盤(pán)編號與之保持一致，并進(jìn)行更新PCB。

　　4)元件進(jìn)行手工布局調整。

　　5)設置自動(dòng)布線(xiàn)參數。具體要求如下：

　　布線(xiàn)間隔：0.254 mm;

　　布線(xiàn)轉彎角度：45°;

　　布線(xiàn)層：頂層布線(xiàn)方向垂直，底層布線(xiàn)方向水平;

　　布線(xiàn)寬度：網(wǎng)絡(luò )GND為1 mm;其他為0.5mm;

　　進(jìn)行自動(dòng)布線(xiàn)，后進(jìn)行手工調整。布線(xiàn)后的電路如圖4所示。

　　6)用3D觀(guān)察印制板設計是否合理。數字鐘印制電路版3D圖如圖5所示。

　　5 結束語(yǔ)

　　本系統基于EDA技術(shù)的設計方法，提出了一種采用PMOS大規模集成電路LM8560作為計數譯碼的石英數字鐘的設計方案，在Protel99SE軟件平臺下創(chuàng )建原理圖和繪制印制電路版，實(shí)現了基本計時(shí)顯示和設置、調整時(shí)間和鬧鐘等功能。解決了數字鐘從電路設計、性能分析到設計出PCB版(即印制電路版)圖的整個(gè)過(guò)程在計算機上自動(dòng)處理完成的問(wèn)題，從而縮短設計周期、提高設計效率、減小設計風(fēng)險。制作設計好的數字鐘印制電路版，按照原理圖安裝電路，最后裝好外殼，一個(gè)數字石英鐘就做好了，如圖6所示。研究數字鐘及擴大其應用，有著(zhù)非常的現實(shí)意義。