电子技术综合设计报告数字钟设计3毕业设计 推荐.docx
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电子技术综合设计报告数字钟设计3毕业设计推荐
摘要
本次课程设计为多功能数字电子钟，主要由振荡器、分频器、计数器、译码显示、报时等电路组成。
其目的是为我们更好的掌握硬件电路组成的应用知识，有助于提高我们的动能力，同时加深对知识的了解，也是为我们的毕业设计打下基础，加强知识的综合应用。
主板部分，是以4518计数器生成出60和24进制的计数器然后利用4511解译码器将数字显示在数码管上，进而设计了一款简易数字时钟。
该时钟系统主要计数、编码、译码、显示等四路模块组成。
并通过用555构成多谢震荡器，实现（f=1HZ）秒脉冲信号发生器，能够较准确显示时间（显示格式为时时：
分分：
秒秒，24小时制），可随时进行时间调整。
同时利用了D触发器和与门的结合解决了初始状态下低位不是0的情况。
通过这一个阶段的对知识点的了解更加明确，同时也明确一些理论知识的用处，在这个过程中需要多方面的知识，还需要大量的查阅资料，再把自己的所学知识综合应用，这样才能达到预期的结果。
关键字：
多功能数字钟cc4511cc45184060
目录
1设计要求及内容············································6
1.1内容要求···············································6
1.1.1主体电路···········································6
1.1.2扩展电路·······································6
1.2技术指标···············································6
1.2.1基本功能···········································6
1.2.2扩展功能···········································7
1.2.3提高功能···········································7
1.3器件要求················································7
2数字种的制作················································7
2.1原理框图·················································7
2.2设计步骤和方法··········································8
2.2.1NE555脉冲电路产生···································8
2.2.2计数器电路·········································11
2.2.3译码显示电路········································12
2.2.4校时电路············································15
2.3数字钟仿真图··········································16
2.3.1数字钟电路原理图···································16
2.3.2系统整体仿真图······································16
2.3.3PCB板图············································16
2.4扩展功能·················································17
2.8.1闹钟功能·············································17
2.8.2定时报时电路…·······································17
3电路元件清单················································18
3.1主板电路清单···········································18
3.2扩展板电路清单·········································19
4焊接与调试···················································19
4.1系统软件仿真、硬件安装、调试遇到的问题············19
问题记录、分析存在的原因································19
4.3说明排除方法和效果···································19
5实验心得·····················································21
6参考文献·····················································22
7附录·························································23
附录1.数字钟电路原理图······································23
附录2.数字钟电路Protel设计图·······························23
附录3.系统整体仿真图········································24
附录4.实际焊接的印刷电路板元件分布图························24
1.设计要求及内容
1.1内容要求
1.1.1主体电路
图1-1主体电路思想
1.1.2扩展电路
图1-2扩展电路
其中在主板电路中的秒脉冲信号发送到扩展电路的分频电路中。
1.2技术指标
1.2.1基本功能
实现60秒、60分、24小时的计数、译码、显示；
具有校准功能
自带秒脉冲信号发生器
1.2.2扩展功能
定点报时
仿电台整点报时
1.2.3提高功能
小时的计数要求为“12归1”
1.3器件要求
计数电路：
用CC4518计数器
译码电路：
用CC4511译码
显示电路：
用LG5011AH共阴数码管
秒脉冲信号发生器：
用555多谐振荡器（用发光二极管作输出显示）
2数字钟的制作
2.1原理框图
图2-1数字钟的原理框图
2.2设计步骤和方法
2.2.1NE555脉冲电路产生
用NE555多谐振荡器产生所需的秒脉冲信号，f=1Hz。
1、芯片介绍
管脚图（图2）以及引脚功能表（表1）。
表1引出端功能符号说明
符号
功能
符号
功能
低触发端
阀值端
输出
放电端
复位
控制电压
图2管脚图
1．
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.VCC
2、NE555构成多谐振荡器
多谐振荡器工作原理：
ØVCC通过R1、R2向C充电,在电容充电VC：
0v—VCC1/3之间,Vo输出1。
ØVCC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。
Ø当VC＝2VCC/3时，Vo由1翻转为0。
T导通，电容C经R2、T放电。
Ø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。
Ø当Vc降至VCC/3时，使得Vo回到1，截止电容，C再充电。
Ø进入循环...
原理图见图3
图3多谐振荡电路原理图
NE555构成多谐振荡器电路图见图4
图4NE555多谐振荡器电路图
相关参数计算：
3.波形的记录（见图5）
图5波形图
从波形图中可知，多谐振荡器的特点是：
（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。
2.2.2计数器电路
用CC4518构成60进制和24进制计数器，然后进行级联组成秒、分、小时计数。
1、认识芯片
管脚图（图6）以及引脚功能表（表2）。
表2CC4518功能表
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
图6CC4518管脚图
2、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。
3、用CC4518构成60进制、24进制计数单元电路
1）60进制计数电路（图7）
图760进制计数电路
2）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。
3）24进制计数电路（图8）
图824进制计数电路
4）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扯到十位和个位（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、认识芯片
CC4511管脚图（图9）以及引脚功能表（表3）。
LG5011AH共阴数码管管脚图（图10）以及引脚功能（图11）。
表9CC4511管脚图
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。
CC4511功能表
表3
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：
LG5011是共阴极数码管，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。
图10LG5011AH管脚图图11LG5011AH管脚功能
2、芯片功能简介
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。
2、译码、显示电路框图（图12）
图12译码、显示电路
4、译码、显示单元电路工作原理（图13）
图13译码、显示单元电路工作原理
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、校时电路原理图功能如图14所示。
图14校时电路原理图
2、工作原理简要介绍：
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数字钟仿真图
2.3.1数字钟电路原理图（见附录）
2.3.2系统整体仿真图（见附录）
2.3.3PCB板图
1、数字钟电路PROTEL设计图
2、PCB板反面图
3、PCB板走线图
4、简述绘图主要技术、技巧
1）绘制电路图
这是电路板设计的先期工作，主要是完成电路原理图的绘制，包括生成网络表。
当所设计的电路图非常简单时，也可以不进行原理图的绘制，而直接进入PCB设计系统。
2）规划电路板
在绘制印制电路板之前，要对电路板有一个初步的规划，例如电路板的物理尺寸，采用几层电路板，元件采用何种封装形式及其安装位置等。
3）设置参数
设置元件的布置参数、层参数、布线参数等。
装入网络表及元件封装
将以生成的网络表装入，若前面没有生成网络表，则可以用手工的方法放置元件。
4）元件的布局
布局有自动布局和手工布局两种方式。
规划好电路板并装入网络表后，可以让程序自动装入元件，并自动将元件布置在电路板边框内。
也可以手工布局，将元件封装放置在电路板的合适位置。
5）布线
布线时完成元件之间的电路连接，有自动布线和手工布线两种方式。
若在之前装入了网络表，则在该步中就可以采用自动布线方式。
在布线前，要设定好设计规则。
2.4扩展功能
2.4.1闹时功能
图2-18闹时功能电路
工作原理：
例如:
上午7点59分发出闹时信号，持续1分钟。
7点59分的对应的数字钟的状态分别为0111十个位/0101分十位/1001分个位
闹时控制信号K=（Q2Q1Q0）（Q2Q0）（Q3Q0）=1
2.4.2定时报时电路
图2-19定时报时电路图
工作原理：
74LS273是带有清楚端的8D触发器，只有在清除端保持高电平，才具有锁存的功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。
CPU的ALE信号必须经过反相器反相之后才能与74LS273的控制端CLK端相连。
74LS273是一种带清除功能的8D触发器，1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，而74LS266里面是四个异或非门，266的一端连着CC4518的输出管脚，由图2.6.2可知闹钟定时可以精确到秒的十位，其工作原理为当先将时钟调制到用户想要的点数，然后按下开关，74LS373会自动锁存住这一时间，而当时钟下一次运行至这一时间时，三个CC4518会发出高电平信号，连同的74LS373也会发出高电平信号，通过266的与或非门后到达74LS21，而74LS21中全是与门，则最终输出高电平，经过三极管进行数模信号转换后到达扬声器发出声音。
3电路元件清单
3.1主板电路清单
表3-1主板电路元器件清单
序号
名称
型号
数量
序号
名称
参数
数量
1
集成芯片
4518
3
9
电解电容
1μf/16v
1
2
4511
6
10
电容
0.01μF
3
3
74ALS00
2
11
电阻
470Ω
42
4
74ALS32
2
12
500KΩ
1
5
74ALS74
2
13
285KΩ
1
6
芯片座
16P
15
14
33KΩ
1
7
数码管
LG5011AH
6
15
微动开关
6*6*6
2
8
脉冲信号源
555
1
16
电路板
3.2扩展板电路清单
表3-2扩展板电路元器件清单
序号
名称
型号
数量
序号
名称
型号
数量
1
8D锁存器
74LS273
3
7
复位开关
1
2
同或门
74LS266
5
8
自锁开关
1
3
4输入2与门
74LS21
4
9
喇叭
1
4
芯片座
20P
3
10
音乐片
1
5
14P
9
11
灰排线
20P
1
6
三极管
9013
2
12
电路板
1
4焊接与调试
4.1系统软件仿真、硬件安装、调试遇到的问题
1、在EWB模拟仿真中，出现数码管初始不显示0状态，而是从1开始。
2、在生成PCB板的时候会产生封装错误。
3、在焊接的副板的时候，会有很多线把焊接孔堵住，而且完成主板和副版的焊接后，用拍向将其连接后主板数码管的分十位不显示进位。
4、扬声器焊接完成后不能固定。
5、数码管0-9显示不完整（对应的电阻可能有虚焊）。
6、秒到分不进位。
4.2问题记录、分析存在的原因
1、在EWB中的数码管显示问题是由于脉冲源会提前一个周期到达4518是软件自身的问题缺陷。
可以用D触发器的延迟作用进行校正。
（电路图见附录）
2、生成PCB板时产生的封装错误有可能是自己做的封装没有导入library库里，也可能是library库里面的封装没有导出应用，也可能是软件自身问题DIP-X中间的连字符的取舍问题。
3、在焊接前没能布置好线的排列，导致一些线穿过焊接孔导致堵塞；数码管不进位可能是焊接时不小心造成短路也可能是芯片问题。
4、在焊接前应该用两根废旧电阻腿焊在扬声器的另外一端保持固定。
4.3说明排除方法和效果
1、利用D触发器或门的串联，如图3.3所示，当秒脉冲信号进入D触发器时，D端接搞电平，Q`端发出电平，而从D触发器出来的信号也是高电平。
通过或门，相当于不影响4518清零，则此时D触发器起到一个延迟作用，则会使数码管在初始状态下显示是“0”而非是“1”。
如下图所示：
图4-1校正后的电路图
2、当完成PCB原理图并经过ERC检查无误进行updatePCB时，检查出现封装问题，则先检查自己画的封装是否已经导入library库文件中，在生成PCB之前，在browse下拉字菜单中选中libraries，然后点击add，在安装目录下的library文件夹中找到PCB/genericfootprint/generalIC.ddb这个文件，将此文件导入后重新updatePCB即可。
3如果导线将焊接口堵住可以先设计一下导线的路线，尽量避免从焊接口的上方走，在完成主板和副版的焊接时出现的分的十位没有进位的现象经仔细检查后确定是因为焊接点短路造成。
重新进行焊接，保持焊接点整洁问题得到解决。
4、在焊接前应该用两根废旧电阻腿焊在扬声器的另外一端保持固定。
5实验心得
本次数字钟设计制作与调试过程中，让我更加清楚了设计电路的程序，懂得了数字钟的原理与基本的设计理念。
在整过过程中让我学到了很多，特别在PCB布线和设计部分，我们调整元件排布无数次，让我明白了这是一个细心的工程，要相当好的耐心和细心。
这次实习的主要任务是原理设计、印制电路板、元件安装、电路焊接以及结果调试。
在电路焊接以及结果调试过程中，由于电路焊接有过几次实习，懂得基本的操作方法，操作起来比较轻松，但最后整个电路板的焊得还是不够好。
还有在调试过程中遇到了不少问题，如测试时按下去没有进位信号，在我们用万用表检测多处线路后，发现个别焊盘脱落，造成断路。
在我们细致修改后，终于得到了预期的结果。
在这次实验中，我了解了学习的重要性和细心探索认真做事的意义。
最后特感谢毕老师、刘老师等实验室老师的教导与支持。
在你们的帮助下，我们一定能不断进取，提高自己的能力，取得更大的进步。
6参考文献
【1】曹国清.数字电路与逻辑设计.徐州：
中国矿业大学出版社，1998
【2】谢自美.电子线路设计·实验·测试.武汉：
华中科技大学出版社，2000
【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】
7附录
附录1.数字钟电路原理图
附录2.数字钟电路Protel设计图
附录3.系统整体仿真图
附录4.实际焊接的印刷电路板元件分布图
附录5.印刷电路板的元件分布图
附录5.
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