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實現時、分、秒計時的裝置，傳統數字鐘的設計過程要經過設計方案提出、方案驗證和修改3個階段。一般采用搭接實驗電路的方法進行，往往需要實驗和修改的反復過程，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、協議等開始設計電子系統，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程在計算機上自動處理完成。

　　電子產品從系統設計、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、自動布局和自動布線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，減小設計風險。

　　Protel99SE是一個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：驅動7段LED發光管顯示;50/60Hz工作;12/24小時顯示;12小時顯示AM(上午)、PM(下午)指示;超前零關斷;9分鐘打盹報警;預置59分鐘(或1小時59分鐘)睡眠定時;預置24小時內的報警;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，此腳懸空不接。

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

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

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

　　5)顯示模式選擇使用單刀單擲開關可選擇4種顯示中的一種：時間、秒、報警時間、睡眠時間。

　　6)時間設置輸入小時設置和分設置端用來對準時間或設置報警和睡眠時間。在睡眠顯示模式時用小時設置即可將睡眠計時器置位到1小時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電，則所有筆畫均以1 Hz的頻度閃爍，而后可用小時設置和分設置輸入還原。

　　8)報警輸出和報警關輸入如果報警設置和實時時間符合，則此端輸出控制外部電路發出以2 Hz斷續的900 Hz樂音。它可持續1小時59分鐘，除非它被報警關輸入或打盹輸入復位，恢復到正常狀態。此外還可以通過簡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，此端輸入可暫時關閉報警9分鐘，之后報警信號再現;在報警的1小時59分鐘內可以重復使用。

　　10)睡眠定時和輸入通常用于59分鐘(或1小時59分鐘)時間間隔內自動打開，經過59分鐘(或1小時59分鐘)收音機自動關閉。收音機的關閉也可用打盹輸入來手控。

　　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℃，引線最高溫度(焊接10 s)：300℃。

3 創建電路原理圖

　　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;開關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)進行電氣規則檢查和創建網絡表。

　　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)裝載原理圖的網絡表，由于二極管封裝中的焊盤編號與原理圖中的不一致，在裝載過程中會出錯所以要修改封裝中的焊盤編號與之保持一致，并進行更新PCB。

　　4)元件進行手工布局調整。

　　5)設置自動布線參數。具體要求如下：

　　布線間隔：0.254 mm;

　　布線轉彎角度：45°;

　　布線層：頂層布線方向垂直，底層布線方向水平;

　　布線寬度：網絡GND為1 mm;其他為0.5mm;

　　進行自動布線，后進行手工調整。布線后的電路如圖4所示。

　　6)用3D觀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

　　本系統基于EDA技術的設計方法，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軟件平臺下創建原理圖和繪制印制電路版，實現了基本計時顯示和設置、調整時間和鬧鐘等功能。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)圖的整個過程在計算機上自動處理完成的問題，從而縮短設計周期、提高設計效率、減小設計風險。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，有著非常的現實意義。