从晶体管到电子钟——全分立元件数字电子钟

梅干菜

不知道什么时候在网上看到过这样两张图片，第一反应是震撼作者背后的心血，其次是羡慕。
我也想要做！https://ch00ftech.com/2012/07/10 ... k-part-2-prescaler/


原作者用的直插件做的，体积比较大，挂在墙上；三极管做分频器，功耗大；市电作为频率基准，精度凑合。
这个项目的目标就是用全分立元件做一个低功耗的数字钟，同时体积不能太大，精度嘛，难度还是挺大的。低功耗要求使用互补MOS管，小体积就需要使用贴片元件，高精度需要石英晶振。
从2016年multisim仿真电路的结构，断断续续用了2年，完成了方案设计，终于在2018年用了半年时间搞了出来。到现在发帖2024年了，这个时钟走了6年，依然正常在运行。


项目的特点：
1、用贴片元件代替直插元件，电阻电容用0805的，MOS管用SOT-23；
2、用互补mos管 BSS138，BSS84代替三极管分频器，降低功耗。1Hz工作频率下每个D-Flip-Flop耗电大约15uA；
3、数码管用扫描的显示方式，刷新频率64Hz；
4、晚上八点到早上八点隐藏秒显示；
5、引入感光电阻，黑暗下自动降低数码管亮度；
6、32768Hz晶振作为频率源，每月误差10s以内（20~30℃）

元件种类和数量：
2N3904       83个
BSS138      498个
BSS84        584个
电容          162个
电阻          232个
IN4148      214个
led               2个
7段数码管     6个
其他接插件   若干

1、结构
如图，数字电子钟需要振荡器，分频器，计数器，译码&显示器四个基本部分。石英晶体振荡器输出的32768Hz方波经过15个二分频器得到1Hz秒脉冲信号，进入计数回路，秒、分回路是10进制，6进制级联，时回路是24进制。每个计数回路输出二进制码给译码和显示电路。除此之外，还从分频器中引出4Hz信号用在调时，1Hz信号用于驱动“秒点”。为了进一步降低功耗，显示器部分动态扫描显示，显示器“00:00 00”共7个字符，从分频器引出1024Hz信号，经过2个3分频器，驱动每个字符依次点亮约2ms，扫描频率128Hz。同时用光敏电阻控制数码管电流，随着环境光线自动调节数码管亮度。


2、32768振荡器
借鉴First-Hand:The_First_Quartz_Wrist_Watch振荡器，三极管是2N3904（S9014无法起振），用串联电容的方法调整振荡频率；这部分3.3V供电，电流0.2mA；
https://ethw.org/First-Hand:The_First_Quartz_Wrist_Watch


3、二分频器，高频分频的时候，分立元件CMOS输入电容较大，无法完成，因此此部分仍然使用2N3904分频，每节电流0.4mA


4、计数器
1）触发器
低功耗计数器的核心是CMOS组成的非门和传输门，静态时功耗几乎是0。尝试了多种组合，最终确定M-S D Flip Flop这个结构，功耗低，同时翻转工作稳定。唯一的缺点就是元件数量较多。值得一提的是，这里的双向传输门使用两个同型背靠背链接的MOS巧妙地利用了MOS管的体二极管，导通之后沟道会短路体二极管，不产生显著的压降。


2）逻辑门
CMOS电路与非门、或非门使用的原件比与门、或门使用的元件更少，因此将原作者的电路做简化。






5、译码器
BCD码转7段码基本单元是4输入与非门结构控制pmos开启，驱动共阴极数码管的每一个段。这里之所以把每段分别调整，目的是为了保证不同显示段数下，发光的均匀性。如果放在共阴极部分调亮度，会导致显示不同数字发光亮度不同。



6、显示
为了进一步降低功耗，6个数字加1组秒点部分采用动态扫描，从分频器部分引入512Hz信号给3个二分频器，每部分点亮1/8周期即1.95ms，7.8ms完成一次扫描。


7、电源
采用一个18650供电，充电部分用了4056模块，稳压部分用了一个3.3V LDO（主要是因为懒)，做好之后也没去测整机功耗，由于是使用LED的关系，2600mAh容量可以使用2个月左右。
后续计划升级二代用LCD屏幕

正式做板前也进行了洞洞板的验证,确认可行性


总的PCB布局分为２层和面板,用感光蓝油做的双面板

小花猫长高了

这得多有耐心啊！佩服。

八兆天空

第一张图的全分立器件的电子钟07年还是08年的《无线电》介绍电子计时电路的时候给过一张264个晶体管的电子表电路 做封面照片

乙猪

真去库存。

66718

算你狠，这么多元件，光是焊接，都累死人。
不过，我有机会了，也想搞一个。

luosifu

其实我一直想用3DG12+2AK+ 涤纶电容做这个，不过相比SOT23的BJT和1N4148，3DG12与2AK太贵了……

吃猫的鱼

毫米级制程，3D堆叠工艺，登月级算力

hzyjq

用CPLD自己设计一个，EPM3032应该可以搞定

JuncoJet

功耗感人               

powercfg

把我想做的给做了, 之前很喜欢看这样的帖子, 但现在只会深感自己想得太多, 做的太少!