整点报时器模电课程设计说明书.docx
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整点报时器模电课程设计说明书
信息与电气工程学院
课程设计说明书
（2009/2010学年第二学期）
课程名称：
电子技术课程设计
题目：
整点报时数字钟电路设计
专业班级：
电气0801
学生姓名：
王贝贝
学号：
080060104
指导教师：
崔春艳
设计周数：
2周
设计成绩：
2010年7月9日
1课程设计目的及设计要求1
2系统的方案设计1
3系统的详细设计1
3.1脉冲产生和分频电路1
3.1.1脉冲产生和分频电路的设计1
3.1.2关键器件CD4060的介绍1
3.2计时电路1
3.2.1分，秒计时电路的设计1
3.2.2小时计时电路的设计1
3.2.3关键器件CD4510的介绍1
3.3显示译码电路1
3.3.1显示译码电路的设计1
3.3.2关键器件CD4511和数码管的介绍1
3.4校时电路1
3.4.1校时的电路的详细设计1
3.4.2关键器件RS触发器的详细介绍1
3.5整点报警电路2
4设计过程说明2
5心得体会2
6参考文献2
1课程设计目的及要求
设计目的
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。
数字钟，从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。
因此，设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟，而且可以通过数字钟的制作进一步了解在制作中用到的各种中小规模集成电路的作用及使用方法。
再者，由于数字钟包括组合逻辑电路和时序电路，通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法
设计要求
㈠设计指标
（1）时间以24小时为一个周期；
（2）显示时、分、秒；
（3）有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；
（4）保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。
㈡设计要求
（1）画出电路原理图和PCB图；
（2）自行装配和调试，并能发现问题和解决问题；
（3）编写设计报告，写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸及心得体会。
2系统的方案设计
本实验设计的数字钟具有基本功能和扩展功能两部分。
其中，基本功能由振荡器、分频器、计数器和译码显示器构成，可以实现准确计时，并以数字形式显示时、分、秒的时间。
扩展功能则具有校时和整点报时两个功能。
根据设计要求首先建立了一个数字钟电路系统的组成框图，如图1所示。
图1
由图1可知，电路的工作原理是：
振荡器产生的高秒冲信号作为数字钟的振源，在经分频器输出标准秒脉冲。
秒计数器计满60后向分计数器个位进位，分计数器计满60后向小时计数器个位进位并且小时计数器以24小时为一个周期。
计数器的输出经译码器由数码管显示。
当计时出现差错时，校时电路进行校时、校分、校秒，使其校正到标准时间。
计时过程中具有报时功能，当时间到达整点前10秒（即59分50秒）时进行蜂鸣报时。
▪3系统的详细设计
下面将对各部分电路进行详细设计
3.1脉冲产生和分频电路
3.1.1脉冲产生和分频电路的设计
（1）数字钟的构成
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
（2）晶体振荡器电路
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。
不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用ＴＴＬ门电路构成；另一类是通过ＣＭＯＳ非门构成的电路，本次设计采用了后一种。
由ＣＭＯＳ非门Ｕ１与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，Ｕ２实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。
输出反馈电阻Ｒ１为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。
电容Ｃ１、Ｃ２与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个１８０度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。
由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。
（3）分频器电路
通常，数字钟的晶体振荡器的输出频率较高，为了得到1HZ的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。
通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。
实际上，从尽量减少元器件的数量的角度来考虑，可选用CD4060和CD4040来构成分频电路。
而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用起来更为方便，所以这里采用CD4060元器件实现该分频功能。
由于32768为2的15级进制，而CD4060只能实现2的14次分频，故还需要一个异位二进制计数器（为74LS74）实现二分频功能，这样便将32768HZ的振荡信号分频为所需的1HZ的秒脉冲输入信号。
图2.晶振-分频电路
3.1.2关键器件CD4060的介绍
CD4060------14位二进制串行计数器
简要说明：
CD4060由一震荡器和14极二进制串行计数器位组成，震荡器的结构可以是RC或晶振电路。
CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器。
在CP1（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。
CD4060提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。
引出端符号
CP1时钟输入端
CP0时钟输出端
CP0反相时钟输出端
Q4～Q10，Q12～Q14计数器输出端
Q14第14级计数器反相输出端
VDD正电源
Vss地
逻辑符号：
CD4060引脚图
:
引出端排列（俯视）
CD4060内部结构图:
功能表：
逻辑图：
CD4060秒脉冲发生器电路
脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。
如晶振为32768Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出，电路图如图3所示。
图3
3.2计时电路
时间计数电路有时计数、分计数、秒计数几部分构成。
其中由1个二十四进制电路、2个六十进制电路组成秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而小时计数为24进制计数器，其输出均为两位8421BCD码形式。
一般采用10进制计数器CD4510通过反馈法来构成各进制计数器以便实现各时间计数单元的计数功能，并且每一计数器均有一个异步清零端和置数端（高电平有效）。
下面将分别介绍各部分计数器的使用。
3.2.1分，秒计时电路的设计
秒个位计数单元为１０进制计数器，无需进制转换，在正常加计数工作状态下，只需将进位输入信号端CI、反馈清零端CR、反馈置数端LD接地，数据输入端D0、D1、D2、D3接地，U/D端接电源，而进位信号输出端CO可作下一个的信号输入与秒十位的CK端相连。
秒十位计数单元为６进制计数器，需要进制转换。
将１０进制计数器转换为６进制计数器的电路连接方法采用反馈清零法，将Q2、Q4通过与门相连作为反馈清零信号连到CR端，其中CO端可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的ＣK相连。
分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的CO端作为向上的进位信号应与分十位计数单元的Ｃk相连，分十位计数单元的CO作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣK相连。
3.2.2小时计时电路的设计
时个位计数单元电路结构仍与秒（或分）个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，而不是１０的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行24进制转换，再利用１片与门74LS08实现24进制计数的功能。
3.2.3关键器件CD4510的介绍
十进制同步加/减计数器CD4510
简要说明
CD4510为可预置BCD可逆计数器，该器件主要由四位具有同步时钟的D型触发器（具有选通结构，提供T型触发器功能）构成。
具有可预置数、加减计数器和多片级联使用等功能。
CD4510具有复位CR，置数控制LD、并行数据D0～D3、加减控制U/D、时钟CP和进位CI等输入。
CR为高电平时，计数器清零。
当LD为高电平时，D0～D3上的数据置入计数器中，CI控制计数器的计数操作，CI＝0时，允许计数。
此时，若U/D为高电平，在CP时钟上升沿计数器加1计数；反之，在CP时钟上升沿减1计数。
除了四个Q输出外，还有一个进位/错位输出CO/BO。
CD4510提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。
引出端功能符号
CI进位输入端LD数据置入控制端
CO/BO进位/错位输出端Q0～Q3计数器输出端
CP时钟输入端U/D加/减计数控制端
CR清除端VDD正电源
D0～D3并行数据输入
Vss地
逻辑符号
引出端排列（俯视）
功能表
CD4510引脚功能图
有进位输入端Ci及进位输出端Co。
以供做串联使用。
其功能如下：
Ci：
进位输入端，当其为1，则clock输入都无效，只有在Ci=0时，clock的正缘触发才能使计数器计数。
Co：
进位输出端，平常输出都保持在1，只有在上数计数到9，或下数计数到0时才会变为0输出，以作为进位或借位之准备，直到下一个时序信号的正缘输入后才转为1。
因此做计数器串联时，需将个位数Ci接地，而将其Co接到十位数计数的Ci中。
具体如图4所示
图4.CD4510串联方式电路图
3.3显示译码电路
3.3.1显示译码电路的设计
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。
由CD4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。
这里的LED数码管是采用共阴极方法连接的。
3.3.2关键器件CD4511和数码管的介绍
4线－七段所存译码器/驱动器CD4511
简要说明
CD4511是BCD－7段所存译码驱动器，在同一单
片结构上由COS/MOS逻辑器件和n－p－n双极型晶
体管构成。
这些器件的组合，使CD4511具有低静态
耗散和高抗干扰及源电流高达25mA的性能。
由此可
直接驱动LED及其它器件。
LT、BI、LE输入端分
别检测显示、亮度调节、存储或选通一BCD码等功能。
当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。
CD4511提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。
各端子功能如下：
BI-4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT-3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE-5脚是锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
功能表
选用共阴极数码管，对于CD4511，它与数码管的基本连接方式如下图：
图5
3.4校时电路
当重新接通电源或走时出现差错时都需要对时间进行校正。
通常，校正的方法是：
首先截断正常的计数器通路，然后再进行人工触发计数器或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计数状态即可。
3.4.1校时的电路的详细设计
数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。
即为用COMS与或非门实现的时或分校时电路，In1端与低位的进位信号相连；In2端与校正信号相连，校正信号可直接取自分频器产生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信号；输出端则与分或时个位计时输入端相连。
当开关打向上时，因为校正信号和0相与的输出为0，而开关的另一端接高电平，正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处于正常计时状态；当开关打向下时，情况正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态。
这里的校时电路由两个与非门74LS00与电阻构成基本RS触发器，有分校正和时校正两部分，具体电路如下图所示：
图6
3.4.2关键器件RS触发器的详细介绍
基本RS触发器的电路结构和工作原理：
把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，通过反馈组成对称的双稳态电路即为基本RS触发器，它有R,S两个输入端和正反两个输出端，为输入低电平有效。
其逻辑功能表分别如下图所示：
逻辑功能表
R
S
Q
1
0
1
0
1
0
1
1
不变
0
0
不定
实际使用时，因为电路开关存在抖动问题，所以一般会接一个RS触发器构成开关消抖动电路，所以整个较时电路就如图7为：
图7带有消抖电路的校正电路
3.5整点报时电路
一般时钟应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内数字钟会自动报时，以示提醒。
其作用方式是发出连续虚的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。
本实验要求电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，发出报时电路报时控制信号。
当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5、9和5，因此可将分计数器十位的QＣ和QＡ、个位的QＤ和QＡ及秒计数器十位的QＣ和QＡ相与，从而产生报时控制信号。
报时电路可选两个与门74LS08来构成，选蜂鸣器为电声器件。
4设计过程说明
理论设计
（1）各功能块电路图
1晶体振荡分频电路
2时间计数及译码显示电路
3校正电路
4整点报时电路
（2）总接线元件布局
整个数字钟由时间计数电路、晶体振荡电路、校正电路、整点报时电路组成。
其中以校正电路代替时间计数电路中的时、分、秒之间的进位，当校时电路处于正常输入信号时，时间计数电路正常计时，但当分校正时，其不会产生向时进位，而分与时的校位是分开的，而校正电路也是一个独立的电路。
电路的信号输入由晶振电路产生，并输入各电路。
（3）电路原理总图
在原有的简图的基础上，按实际布局画了这张按实际芯片布局的接线图，详见附图1
（4）PCB图的设计和生成
实践设计
（1）印刷板制作工艺流程：
①打印
②转印
③腐蚀
④打孔
⑤上松香水
附注：
（1）松香水的作用是防氧化，助焊及增加焊点的光亮度等；松香溶液是用松香粉末与酒精按一定比例配制面成，其浓度应适中，以用感有一定粘性即可。
（2）三氯化铁溶液对人体皮肤不会有不良影响，但三氯化若搞到衣服上或地面上，寻是难以洗掉的，所以使用时一定要特别小心。
（2）焊接及器件安装：
（3）调试：
选择恰当的仪器和仪表，对电路板进行检查，并能发现和解决存在的问题及电路故障。
在调试过程中遇到的具体问题及解决方法：
1在刚接通电源后，发现存在短路现象，经检查为开关的接触问题，调试后数字钟可正常显示
2数字钟在开始计时工作时，它的输入信号不是正常的1HZ秒脉冲信号，检查后发现为CD4060接触问题，经调试后数字钟可以获得正常的1HZ秒脉冲信号，这样便可以开始计时工作。
3其他调试结果除去不能实现理想的整点报时功能外一切正常，其原因是在报时电路中选则了不恰当的元器件而并非电路自身原因。
5心得体会
两周的课程设计已到最后阶段，本小组负责整点报时器的制作整体取得了很大成功，首先，我们要感谢我们本次课程设计的指导老师崔老师。
实验初始阶段，在老师的帮助下我们明确了电路设计思路，为之后的设计、画电路图、制版、连线打好了基础；实验过程中遇到的一些困难也在老师的帮助下一一解决，最终使我们的制作工作获得了成功。
本人在此次课程设计工作中主要负责制作电路的原理图级Pcb图，初期，在积极配合我们小组其他组员工作的前提下开始对Protel进行学习，在第一周的周三终于把电路的原理图绘出，接下来的四天我边学习边运用，期间遇到了不少问题，也是在老师的帮助下得以解决，最终将原理图转化为Pcb板并按照要求成功布线，令人欣慰的是，在上交Pcb图时得到老师的赞赏。
通过对Protel的学习及运用跟我有一个很大启示，决心是做好一件事的前提。
由于电路的Pcb图是将理论图转化为实物的媒介，如果我失败了，就等于我们的设计理论得不到实践的验证。
所以在第一天我就决定要把Protel学好。
接下来就是印制电路板，这些工作也在我们小组共同努力下顺利进行。
在最后的焊接、调试中我们四个人共同努力，在调试失败后仔细分析电路并排查错误，最终完成了本次课程设计。
最后，我还是要强调团队的力量，实验中我们每个人都有明确分工，可以说少了我们中任何一人都会失败，我们互相配合，互相帮助。
合作意识是我本次课程设计中最大的收获，同时也是我们成功的最关键部分。
6参考文献
【1】康华光.电子技术基础.数字部分北京：
高等教育出版社，2000
【2】吕思忠.电子技术实验与课程设计哈尔滨工业大学出版2001
【3】高吉祥.电子技术基础实验与课程设计电子工业出版2002
【4】谢自美.电子电路设计实验及测试华中理工大学出版2000
课程设计
评语
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成绩
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