电子设计.docx
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电子设计
中国矿业大学徐海学院
电子技术综合设计
姓名：
尤婷婷学号：
22071673
专业：
信电系信息07-2
题目：
多功能数字钟
专题：
电子技术综合设计
设计地点：
电工电子实验室
设计日期：
23/11/2009
成绩：
指导教师：
09年12月
电子技术综合设计任务书
学生姓名尤婷婷专业年级信息07-2班学号22071673
设计日期：
2009年11月23日至2009年12月06日
设计题目：
电子技术综合设计
设计专题题目：
简易数字钟
设计主要内容和要求：
1.主要内容：
①用CC4518双四位BCD同步加计数器设计60秒、60分、24小时归0
的计数电路；
②用CC4511七段译码驱动/锁存器及LG5011AH共阴数码管设计译码及显示电路（数码管需加限流电阻）；
③用脉冲开关设计校准功能；
④用32768Hz晶振构成秒脉冲信号发生器，（32768Hz脉冲需经过CD4060的14级分频得到2Hz脉冲，再经过CD4040的2分频得到秒脉冲。
2.整体电路原理图
60秒（60分）及24小时------计数、译码、显示（4路）
用8K复印纸手工画（如同数字实验指导书P22图6-5）
3.EWB仿真图
60秒、60分、24小时------计数、译码、显示（6路）计算机打印
4.设计原理图
用PROTEL99设计原理图并打印。
5.设计PCB版图
用PROTEL99设计PCB板并打印。
6.功能扩展要求
设计：
①整点报时功能②12小时归1计数电路
指导教师签字：
摘要：
多功能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.
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。
此次课程设计的数字钟由下几部分组成：
石英晶体振荡器、分频器、秒脉冲发生器、校正电路、60进制的秒、分计时器和24进制计时计数器以及秒、分、时的译码显示部分等。
此次设计与制作数字电子钟的目的是让学生在了解数字钟的原理的前提下，运用刚刚学过的数电知识设计并制作数字钟，而且通过数字钟的制作进一步了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。
由于数字电子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，从而实现理论与实践相结合。
关键词：
数字钟，数字电路原理，集成电路，课程总结,课程设计
目录
1数字钟的基本组成及工作原理……………………………………………1
1.1数字钟的构成……………………………………………………………1
1.2数字钟的工作原理………………………………………………………2
2数字钟的设计与制作…………………………………………………………3
2.1设计步骤与方法……………………………………………………………3
2.1.1校时电路 ………………………………………………………………3
2.1.2振荡电路…………………………………………………………………3
2.1.3计数器电路………………………………………………………………4
2.1.4译码显示电路……………………………………………………………5
2.1.5整点报时电路……………………………………………………………7
2.1.6秒脉冲发生器……………………………………………………………7
2.2数字钟仿真图………………………………………………………………8
2.2.1cc4518功能……………………………………………………………8
2.2.2cc4511功能…………………………………………………………9
2.2.3数字钟电路原理图…………………………………………………9
3数字钟的焊接及注意事项…………………………………………………10
3.1焊接元件清单……………………………………………………………11
3.2焊接注意事项………………………………………………………………12
3.3安装调试……………………………………………………………………12
4扩展功能…………………………………………………………………………13
4.1数字钟闹时电路……………………………………………………………14
4.2仿电台报时电路……………………………………………………………14
4.3定点报时电路………………………………………………………………14
5总结及体会………………………………………………………………………13
参考文献…………………………………………………………………………14
6附录…………………………………………………………………………………14
1数字钟的基本组成及工作原理
数字钟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。
目前,数字钟的功能越来越强,并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。
从有利于学习的角度考虑,这里主要介绍以中小规模集成电路和PLD器件设计数字钟的方法。
1.1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。
如图所示为数字钟的一般构成框图。
⑴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。
⑵分频器电路分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768（）次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。
分频器实际上也就是计数器。
⑶时间计数器电路时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中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,而根据设计要求,时个位和时十位计数器为12进制计数器。
⑷译码驱动电路译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
⑸数码管数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管,本设计提供的为LED数码管。
1.2数字钟的工作原理
1）晶体振荡器电路
晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定。
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。
该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路,如数字钟,电子计算机,数字通信电路等。
2）分频器电路
通常,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,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。
例如,将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768（）,即实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。
3）时间计数单元
时间计数单元有时计数,分计数和秒计数等几个部分。
时计数单元一般为12进制计数器或24进制计数器,其输出为两位8421BCD码形式;分计数和秒计数单元为60进制计数器,其输出也为8421BCD码。
本次实验采用的是CC4518和CC4511计数的。
4）译码驱动及显示单元
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出,为了将计数器输出8421BCD码显示出来,需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要的输出逻辑和一定的电流,一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。
常用的7段译码显示驱动器有CC4511。
5）校时电源电路
当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。
通常,校正时间的方法是:
首先截断正常的计数通路,然后再进行人工出触发计数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,再转入正常计时状态即可。
6）整点报时电路
一般时钟都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的或有节奏的音频声波,较复杂的也可以是实时语音提示。
2数字钟的设计与制作
2.1设计步骤与方法
2.1.1校时电路
当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。
通常，校正时间的方法是：
首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数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，再转入正常计时状态即可。
根据要求，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。
校时电路如图所示
2.1.
2振荡电路
晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。
如右图所示。
2.1.3计数器电路
时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。
时计数单元一般为１２进制计数器计数器，其输出为两位８４２１ＢＣＤ码形式；分计数和秒计数单元为６０进制计数器，其输出也为８４２１ＢＣＤ码。
秒个位计数单元为１０进制计数器，无需进制转换，只需将ＱＡ与ＣＰＢ（下降沿有效）相连即可。
ＣＰＡ（下降没效）与１ＨZ秒输入信号相连，Ｑ３可作为向上的进位信号与十位计数单元的ＣＰＡ相连。
秒十位计数单元为６进制计数器，需要进制转换。
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Ｑ３作为向上的进位信号应与分十位计数单元的ＣＰＡ相连，分十位计数单元的Ｑ２作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣＰＡ相连。
时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为１２进制计数器，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１２进制转换。
CC4518双BCD同步加法计数器
（国外同类型号：
CD4518、MC4518）
管脚图
CP
Q4～Q1
0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
8
1000
9
1001
10
0000
功能表:
计数状态表:
CL（CP0）
EN（CP1）
R
功能
↑
1
0
加计数
0
↓
0
加计数
↓
×
0
不变
×
↑
0
不变
↑
0
0
不变
1
↓
0
不变
×
×
1
Q3～Q0=0
60进制计数电路:
（个位向十位的进位脉冲，需用Q4的下降沿,接EN端）
2.1.4译码显示电路
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要的输出逻辑和一定的电流，选用CC4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。
CC45117段锁存/译码/驱动器（国外同类型号：
CD4511、MC4511）
管脚图：
功能表：
显示
输入
输出
LE
BI
LT
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
2
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
3
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
5
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
6
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
7
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
8
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
9
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
消隐
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
↓
1
1
1
1
消隐
0
1
0
0
0
0
0
0
0
锁存
1
1
1
锁存
灯测试
0
1
1
1
1
1
1
1
功能说明：
（1）灯测试功能：
LT可检查七段显示器各字段是否能正常发光。
当LT=0时，不论Q0－Q3状态如何，七段全部显示，以检查各字段的好坏。
（2）消隐功能：
当BI=0时，输出a－b都为低电平，各字段熄灭。
（3）数码显示：
当BI=1LT=1LE=0，译码器工作，当Ｑ3Ｑ2Ｑ1Ｑ0端输入8421BCD码时，译码器对应的输出端输出高电平1，数码显示相应的数字。
（4）锁存：
在LE从“0”转换到“1”时，输出显示由输入的BCD码决定。
LC5011-11LED/7段（共阴极）数码管
译码/显示电路:
1.数码管内部已将3端、8端连接在一起，所以使用时，3端接地，8端悬空）。
2.限流电阻计算：
数码管的工作电压为UＤ（手册数据），工作电流为I（手册数据），译码器输出的高电平Ua~g，则限流电阻上的电压应该为U－UＤ，限流电阻阻值：
R ＝（Ua~g－UＤ）／I
2.1.5整点报时电路
一般时钟都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的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。
2.1.6秒脉冲发生器
555构成多谐振荡器（f=1HZ）
555芯片介绍
管脚图：
555构成多谐振荡器电路图（f=1HZ）
参数计算:
R1=500kohmR2=250kohmC1=1.5ufC2=0.01uf
多谐振荡器的特点：
（1）不需外触发的自激振荡器；
（2）无稳定状态，均为暂稳态；
（3）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。
工作原理:
（1）Vcc通过R1、R2向C充电,在VC没有充电到2VCC/3之前,Vo保持1不变。
（2）当VC＝2VCC/3时→Vo由1翻转为0。
→T导通，→电容C经R2、T放电。
（3）当Vc降至VCC/3时，使得→Vo回到1，→T截止，→电容C再充电，进入循环
2.2数字钟仿真图
2.2.1cc4518功能
CC4518实现计数
芯片功能介绍
CC4518为双BCD加计数器，该器件由两个相同的同步4级计数器组成。
计数器为D触发器。
具有内部可交换CP和EN线，用于在始终上升沿或下降沿加计数。
在单个单元运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位。
CR为高电平时，计数清零。
计数器在脉动模式可级联，通过将Q3链接至下一计数器的EN输入端实现级联。
同时后者的CP输入保持低电平。
管脚图
cc4518功能表
极限参数波形图
2.2.2cc4511功能
芯片功能介绍
CC4511是BCD-7段所存译码驱动器，在统一单片结构上由COMOS逻辑器件npn双极型晶体管构成。
这些器件的组合，使CC4511具有底静态耗散和高抗干扰及原电源电流高达25mA的性能。
由此可直接驱动led及其它器件。
LT,BI,LE端分别检测显示。
亮度调节，存储或选通—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。
管脚图
2.2.3数字钟电路原理图
3数字钟的焊接及注意事项
3.1焊接元件清单（见附录）
3.2焊接注意事项
1.检查印刷线路板，是否有断线、短路等。
2.第一步焊IN4148二极管（黑圈为负极），IN4007（IN4002）二极管（白圈为负极），两个二极管要平行在一条线上。
3.第二步焊限流电阻，电阻黄色为有效环需放在上方，同时摆放要整齐。
（为了保护发光数码管防止电流过大而损坏数码管需加，电源电压低可以取值小些，电源电压高可以取值大些）。
4.第三步焊集成电路座，座的缺口为标志，方向应该在左边。
5.电解电容须分清正负极，长脚为正短脚为负，独石电容不分正负极。
6.发光二极管有正负极之分，长脚为正短脚为负,不要接反。
7.安插集成芯片时要看清候型号，注意芯片缺口方向应该在左边，缺口对应的左下方为1管脚。
8.开关（K1）调整秒，开关（K2）调整分，开关（K3）调整小时，开关K4为暂
停，通过调整使时钟的秒、分、时走时与标准时间同步。
9.芯片功能简介：
CC4518为双四位BCD同步加计数器；CC4511为七段译码驱动/锁存器；CC4060为二进制14位计数分频器；CC4040二进制12位计数分频器；LG5011AH为共阴数码管。
10.数字钟焊好通电检查，如果数码管不亮，需检查整个地线是否通、3号管脚是否接地
11.显示不正常，需要用万用表检查每个芯片的工作电源，（红表笔放在14管脚、黑表笔放在7管脚）。
3.3安装调试
在进行整体电路连接之前，应对各部分的电路进行逐一安装和调试。
（一）晶体振荡器的安装和调试
振荡电路输出接发光二极管，观察发光二极管的显示情况。
（二）计数器的安装和调试
1.按电路连线，输出可接发光二极管。
观察在CP作用下（CP为1HZ，可由555振荡电路提供）输出端发光二极管的状态变化情况，验证是否为六十进制计数器。
2.调试过程中要注意以下几个问题：
（1）根据HEF4518的功能表，当触发脉冲由CP端输入时，EN端应接高电平，此时CP4、
上升沿触发；当触发脉冲由EN端输入时，CP输入端接底电平，此时CP下降沿触发。
（2）Cr为异步复位端，高电平有效。
当Cr为高电平时，计数器复位，正常计数时，应使Cr=0。
（三）译码显示电路的安装和调试
按电路在实验板上连线。
它是由十进制加法计数器CC4518，BCD-7段锁存译码/驱动器CC4511和LED七段数码管组成。
观察在CP作用下数码管的显示情况。
需要注意的是，CD4511正常工作时，LT =BI应为高电平，LE应为底电平。
（四）校时电路的安装和调试
将555电路输出接发光二极管。
拨动开关，观察在CP〈1HZ〉作用下，输出端发光二极管的显示情况。
通过调节555电路的微调电位器来进行时钟频率调节,以至和北京时间一致即可。
4、扩展功能
4．1数字钟闹时电路
4.2仿电台报时电路
4.3定点报时电路
5总结及体会
1.设计体会
通过本次的数字钟设计,使我掌握了数字钟的制作原理和工作状态，在理论上更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
在连接六进制,十进制,六十进制的进位及十二进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。
实践上焊接的水平和速度都有所提高。
但也存在一些失误，在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的,在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的。
在仿真过程EWB中，可能因为级联时出现问题导致秒进时不准，只从01跳到60，而不是从00跳到60，所以在仿真时我们讨论了加入触发器的方法改善了这种状况。
之后可能因为线路太过凌乱而导致错误，详细检查后改正，使之正确。
在Protel制作过程中我们根据自己在EWB中设计的图设计，由于线路复杂导致一些细小的错误，接地出现错误。
在PCB制作过程中在最后连线时，由于单面板总是会出现绿线，因此采取了双面板的制作，但在实际中浪费了材料。
在焊接过程中，经过几天的手工焊接，我们必须要有足够的耐心和恒心才能完成这项艰巨的任务。
在排线前应该考虑这样做会不会出现不必要的线，会引起在焊接过程中不必要的难度。
比如铜丝很容易缠在另外的铜丝上，这样就耽误了进程。
由于线路较复杂，采用飞线连接，在检查电路过程中，很难检查错误。
在飞线过程中用不同颜色的线连接，在检查过程中容易分辨。
在最后连接主板后发现不能发出音乐，可能是在焊接过程中部分铜线出现漏焊
2.对该设计的建议
在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法.
在连接六进制,十进制,六十进制的进位及十二进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了.
在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引的.
参考文献
[1]<<电路及电子技术实验>>
[2]赵伟军.Protel 99 SE教程.北京:
人民邮电出版社,2004（第一版）：
47-54
[3] 康华光.电子技术基础 数字部分（第四版）.北京:
高等教育出版社,1998年第四版
[4]王慧玲.2003年.电工电子实验与实训.北京：
机械工业出版社.
[5]艾永乐付子义.电子技术课程指导书,1999年
附录
数字钟电路EWB仿真图
数字钟电路Protel设计图
元件清单：
序号
名称
型号
数量（个）
备注
1
集成芯片
CC4518
3
2
CC4511
6
3
CC4060
1
4
CC4040
1
5
芯片座
16P
11
6
数码管
LG5011AH
6
7
晶振
32768
1
8
三极管
PNP（1015）
1
9
发光二极管
φ5
4
10
二极管
IN4007
4
11
4148
6
12
电解电容
100uF／16V
5
13
电容独石
104
12
14
电阻1/4W
1MΩ
4
15
220KΩ
4
16
100
升级会员 