电子技术综合设计报告数字钟设计.docx
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电子技术综合设计报告数字钟设计
设计专题：
电子技术综合设计
设计题目：
多功能数字钟
设计内容和要求：
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555设计CP脉冲源（f=1KH）
④具有系统校准功能
2.整体电路原理图
60秒、60分、24小时----计数、译码、显示电路（用8K白纸手工画图）
3.EWB仿真图
60秒、60分、24小时----计数、译码、显示电路（计算机打印）
4.设计原理图
用PROTEL99设计原理图（计算机打印）
5.设计PCB版图
用PROTEL99设计PCB板图（计算机打印）
6.功能扩展要求
设计：
①定点报时功能②12小时归1计数电路
指导教师签字：
年月日
摘要
本次实验的主要内容是设计多功能的数字钟。
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，相比之下具有更高的准确性和主观性，该数字钟具有基本功能和扩展功能两部分。
其中，基本功能部分的有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能；扩展功能部分则具有：
待机、整点报时、日期显示、闹钟、秒表。
通过数码管显示秒、分、时、日、月、年，可以灵活的设置时间，增加按钮模块通过按键扫描可以对当前的时间随意设置，为具有更高的实用价值。
由于该系统具有时间显示、闹钟、秒表等完整功能，有很高的利用价值。
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。
它是由数子钟电路、定时电路、放大执行电路、电源电路组成。
为了简化电路结构，数字钟电路与定时电路之间的连接采用直接译码技术。
具有电路结构简单、动作可靠、使用寿命长、更改设定时间容易、制造成本低等优点。
关键词：
数字钟；555芯片；计数器
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1
2数字钟的设计与制作3
2.1系统方案选择与论证3
2.2设计步骤与方法3
2.2.1NE555脉冲电路产生3
2.2.2计数器电路5
2.2.3译码显示电路7
2.2.4校时电路10
2.3数字钟仿真11
2.3.1数字钟电路原理图（见附录4）11
2.3.2系统整体仿真图（见附录6）11
2.3.3PCB板图（见附录2）11
3数字钟的扩展功能12
3.1定点报时12
3.212归113
4数字钟的焊接及注意事项15
4.1焊接元件清单（见附录3）15
4.2实际焊接的印刷电路板元件分布图（见附录5）15
4.3焊接注意事项15
5系统软、硬件调试17
5.1系统软件调试过程中遇到的问题以及排查经过17
5.2系统硬件调试过程中遇到的问题以及排查经过17
6总结及体会18
7参考文献19
附录20
附录1：
20
附录221
附录322
附录423
附录524
附录625
1数字钟的基本组成及工作原理
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，因而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。
此外，加入了一定的扩展功能，实现了定时报时。
图1-1为数字钟的一般结构框图。
图1-1数字钟组成框图
1.2数字钟的工作原理
一个具有计时、显示灯基本功能的数字钟主要由振荡器、计数器、译码器、显示器等四部分组成。
多谐振荡器产生的信号输入到秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，技术结果通过“时”、“分”、“秒”译码器译码，并通过显示器显示时间。
数字钟原理图如图1-2所示。
图1-2数字钟原理图
（1）秒脉冲信号发生器
利用NE555多谐振荡器通过调整参数，完成了f=1Hz的秒脉冲信号的产生。
（2）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，时个位和时十位计数器为24进制计数器。
结合CC4518芯片实现计数清零的功能。
（3）译码驱动及显示单元
计数器实现了对时间的累计以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段译码器显示驱动器。
常用的7段译码显示驱动器有CC4511。
（4）校时电源电路
当重新接通电源或时钟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电路，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。
（5）定点报时电路
一般时钟都具备着定点报时的电路功能，即当时钟走到所设定的时间时，会自动报时。
2数字钟的设计与制作
2.1系统方案选择与论证
（1）脉冲电路选择与论证
方案一：
采用RC振荡电路，在通过整形电路产生所需的秒脉冲信号；
方案二：
使用计时IC芯片NE55，搭建多谐振荡器产生所需的秒脉冲信号。
由于RC振荡电路不稳定，且不能精确产生所需秒脉冲，而NE55只需简单的电阻器、电容器就可以搭建出所需电路，而且它的计时精确度高，温度稳定度佳，且价格便宜，所以我们采用方案二。
（2）计数器电路选择与论证
方案一：
采用74LS290十进制异步清零、异步置位芯片；
方案二：
采用CC4518十进制异步清零芯片。
由于CC4518是双集成BCD计数，使用它既节约成本又使线路简单，所以我采用CC4518设计计数电路。
（3）译码显示电路选择与论证
方案一：
采用74LS48四线七段译码器/驱动器；
方案二：
采用CC4511四线七段锁存译码器/驱动器。
由于CC4511是COMS芯片具有低功耗，电压范围宽等优点，所以采用方案二。
2.2设计步骤与方法
2.2.1NE555脉冲电路产生
（1）555构成多谐振荡器（f=1HZ）
图2-1555芯片引脚图
表2-1引出端功能符号说明
（2）555构成多谐振荡器电路电路图
多谐振荡器工作原理：
VCC通过R1、R2向C充电，在电容充电VC：
0V-VCC/3之间，Vo输出1；VCC通过R1、R2继续向C充电，在电容充电VC：
VCC/3-2VCC/3之间，Vo保持1不变；当VC=2VCC/3时，Vo由1翻转为0。
T导通，电容C经R2、T放电；电容通过R2和三极管T继续放电，在电容放电VC：
VCC2/3-VCC/3之间，Vo保持0不变；当Vc降至VCC/3时，使得Vo回到1，截止电容，C再充电；如此循环。
下图2-2为多谐振荡器的工作原理图。
图2-2谐振荡器电路原理图
图2—2多谐振荡器电路
多振荡器电路中各参数计算：
电容充电时间tw1=0.7×（R1+R2）×C
电容放电时间tw1=0.7×R2×C
脉冲周期T=tw1+tw2=0.7×（R1+2R2）×C
频率f=1/T=1.43/（R1+2R2）×C
占空比q=tw1/T=（R1+R2）/（R1+2R2）
（3）波形记录
从图2-3多谐振荡器波形图中可以看出，多谐振荡器的特点是：
不需外触发的自激振荡器；无稳定状态，均为暂稳态；矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。
图2-3多谐振荡器波形
2.2.2计数器电路
用CC4518计数器实现60进制和24进制，然后进行级联组成秒、分、时计数。
（1）芯片介绍（国外同类型号：
CD4518、MC4518）
图2-4CC4518管脚图
图2-5功能表（硬件芯片）
图2-6计数状态表
图2-7CC451860进制计数电路图及输出波形
（个位向十位的进位脉冲，需用Q4的下降沿，接EN端。
）
图2-8CC451824进制计数电路图及输出波形
（2）功能介绍
CC4518为双BCD同步加法计数器，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法计数。
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链接至下一个计数器的EN输入端实现级联。
同时后者的CP输入保持低电平。
（3）用CC4518构成60进制、24进制计数单元电路
60进制计数电路工作原理：
根据CC4518的芯片功能，当CLK端接低电平时EN端为下降沿加法计数。
个位向十位的进位脉冲，利用Q3的下降沿，接EN端。
每当个位计数满9后就使高片计1从而完成计数。
要完成60进制，只需十位计数到0110，即Q1、Q2接与门再对十位进行清零即可。
24进制计数电路工作原理：
24进制计数电路工作原理与60进制计数电路工作原理基本思想相同，都是利用CLK端接低电平时EN端为下降沿加法计数。
个位向十位的进位脉冲，利用Q3的下降沿，接EN端。
每当个位计数满1001B后就使高片计1完成计数。
不同之处在于此电路是计数到24。
此时的清零工作分别要牵涉到十位和个位（00100100）利用个位的Q2和十位的Q1经过一个与门同时对两片CC4518芯片同时清零。
完成24进制的计数。
2.2.3译码显示电路
用CC4511实现译码：
用LG5011AH共阴数码管实现显示电路。
1.芯片介绍（国外同类型号：
CD4511、MC4511）
图2-9CC4511管脚图
功能如下：
（1）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。
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
图2-10CC4511引脚功能表
功能说明：
LG5011是共阴级数码管，所有的数码管的阴极作为公共端，并一起接地。
当给相应
管脚高电平是该段管被点亮，从而显示不同的数值。
下图为LG5011AH的管脚图和管脚功能。
图2-11LG5011AH管脚图
图2-12LG5011AH管脚功能
2.译码、显示电路框图及工作原理
图2-13译码、显示电路
图2-14译码、显示单元电路工作原理及功能表
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
3）两片CC4511用于进行译码，分别代表所记录数据的个位和十位。
当从4511的A、B、C、D四个输入端口输入一个二进制数据后会从输出口输出相应的十进制数据。
在对十进制数进行显示时只需把输出端与相应数码管的输入端连接好，即可进行显示。
4）24进制的数码显示与60进制的数码显示在译码与显示电路方面所用的电路是同一电路，而具体实现不同进制计数是通过CC4518在不同时刻对芯片清零来实现的。
5）其中数码管的显示，加入了限流电阻。
防止因电路中的电流过大而烧坏数码管，对其起到保护作用。
2.2.4校时电路
（1）校时电路原理图及功能表
图2-15校时电路原理图及功能表
（2）工作原理：
当正常计时时，分十位和秒十位进位脉冲分别通过与非门进入电路进行正常的计时，校时脉冲被封锁。
而当要校时时，S1或S2开关闭合，这是相应的分十位或秒十位脉冲被封锁，校时脉冲通过与非门进入电路完成校时功能。
2.3数字钟仿真
2.3.1数字钟电路原理图（见附录4）
2.3.2系统整体仿真图（见附录6）
2.3.3PCB板图（见附录2）
3数字钟的扩展功能
3.1定点报时
（1）闹时功能电路
图3-1定时报时电路
工作原理：
例如：
上午7点59分发出闹时信号，持续1分钟
7时59分对应数字钟的计时状态为0111/0101/1001
时个位分十位分个位
闹时控制信号K=（Q2Q1Q0）*（Q2Q0）*（Q3Q0）=1
（注：
M=1（为上午的信号输出）
（2）定点报时电路
下图为定点报时实物焊接电路图
图3-2定时报时实物焊接图
3.212归1
（1）12归1计数电路：
（2）实现12归1的电路图
实现12归1的两种方案即为图1和图2。
图1
图2
（3）工作原理
图1：
由DFF1的Q和CC4518的低三位做个位，D触发器2的Q’做十位，时钟脉冲经DFF1分频后给CC4518的时钟输入端CP1B’。
上电后全为0。
当个位1010时，经与门产生高电平对CC4518的输出端清零，DFF1的Q翻转为高电平，个位为1，同时高电平信号经反向后对DFF2清零，十位清零。
实现12归1的计数。
图2：
因为CC4518为双计数器，可用CC4518另一个计数器代替方案一中的DFF2，原理同方案一。
4数字钟的焊接及注意事项
4.1焊接元件清单（见附录3）
4.2实际焊接的印刷电路板元件分布图（见附录5）
4.3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）。
12．扩展板与主板用排线相连，扩展板上的各连接线要求走水平或垂直且直角。
5系统软、硬件调试
5.1系统软件调试过程中遇到的问题以及排查经过
在做EWB仿真时我们要对电路进行消“1”，但由于可以有不同的做法，因而容易弄混。
仿真时通常出现的错误是接错线，接错线后就不能得到结果。
遇到这种问题后我们就只能一根一根去看，所以很多时候微小的错误会造成很多的麻烦。
5.2系统硬件调试过程中遇到的问题以及排查经过
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。
（1）计数器的安装和调试
按电路连接，输出可接发光二极管。
观察在CP作用下输出端发光二极管的状态变化情况，验证是否为60进制计数器。
调试过程中应注意的几个问题：
1）根据CC4518的功能表，当触发脉冲由CP端输入时，EN端应接高电平，此时CP上升触发；当触发脉冲由EN端输入时，CP输入端接低电平，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。
（2）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，CC4511正常工作时，LT=BI应为高电平，LE应为低电平。
（3）校时电路的安装和调试
将NE555电路输出接发光二极管。
拨动开关，观察在CP作用下，输出端发光二极管的显示情况。
通过调节NE555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。
6总结及体会
通过这次数字电子钟的课程设计，我们把所学到的东西与实践相结合。
从中对我们所学的知识有了更深一步的理解，而且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。
也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。
虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。
设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。
各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。
同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。
随着电子技术在不断进步，机械式时钟已经被淘汰，取而代之的是具有高度准确性和具有更长的使用寿命等优点的数字时钟。
我们应尽量考虑到人的因素，增强时钟的实用性和操作性，为使用者提供切实的方便，营造一种舒适的生活氛围。
所以，在设计的时候，应该从多面、多角度去考虑问题，
而且应该进一步提高时钟的质量，并尽可能的增加一些使用的功能。
7参考文献
[1]曹国清数字电路与逻辑设计徐州：
中国矿业大学，1998
[2]谢自美.电子线路设计.实验.测试.武汉：
华中科技大学，2000[3]阎石.数字电子技术基础.北京：
清华大学电子学，2005
[4]张庆双.555应用电路精选.北京：
机械工业出版社，2009
[5]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
附录
附录1：
PROTEL绘制的原理图
附录2
PCB板图
附录3
元器件清单
序号
名称
型号参数
数量
1
集成芯片
CC4518
3
CC4511
6
CC4060
1
CC4040
1
2
芯片座
16P
11
20P
3
14P
9
3
数码管
LG5011AH
6
4
晶振
32768
1
5
三极管
PNP（1015）
1
6
发光二极管
∮5
4
7
二极管
IN4007
4
4148
6
8
电解电容
100uF/16V
5
9
电容独石
104
12
10
电阻1/4W
1M
4
220KΩ
5
470Ω
42
220Ω
2
11
微动开关
6*6*6
4
12
稳压电源座
∮3.5空心座
1
13
8D锁存器
74LS273
3
14
同或门
74LS266
5
15
4输入2与门
74LS21
4
16
三极管
9013
2
17
复位开关
1
18
自锁开关
1
19
喇叭
1
20
音乐片
1
21
灰排线
20P
1
22
网线
20M
1
23
电路板
1
附录4
数字钟原理图
附录5
实际焊接的印刷电路板元件分布图
附录6
系统整体仿真图
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