数字钟论文2.docx
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数字钟论文2
目录
1数字钟的基本组成及工作原理…………………………………………3
1.1数字钟的构成…………………………………………………………3
1.2数字钟的工作原理……………………………………………………3
2数字钟的设计与制作………………………………………………………4
2.1系统方案选择与论证…………………………………………………4
2.2设计步骤与方法…………………………………………………………4
2.2.1NE555脉冲电路产生 ………………………………………………4
2.2.2计数器电路…………………………………………………………7
2.2.3译码显示电路………………………………………………………8
2.2.4校时电路……………………………………………………………12
2.3数字钟仿真图…………………………………………………………12
2.3.1数字钟电路原理图………………………………………………12
2.3.2系统整体仿真图…………………………………………………12
2.3.3PCB板图…………………………………………………………12
3数字钟的扩展功能…………………………………………………………14
3.1定点报时…………………………………………………………………14
3.212归1……………………………………………………………………15
4数字钟的焊接及注意事项………………………………………………17
4.1焊接元件清单………………………………………………………17
4.2实际焊接的印刷电路板元件分布图………………………………17
4.3焊接注意事项…………………………………………………………17
5系统软、硬件调试…………………………………………………………18
5.1系统软件调试过程中遇到的问题以及排查经过………………18
5.2系统硬件调试过程中遇到的问题以及排查经过………………18
6总结及体会…………………………………………………………………20
7参考文献………………………………………………………………………21
8附录……………………………………………………………………………22
8.1附录1……………………………………………………………………22
8.2附录2……………………………………………………………………23
8.3附录3……………………………………………………………………24
8.4附录4……………………………………………………………………25
8.5附录5……………………………………………………………………26
8.5附录6……………………………………………………………………27
1数字钟的基本组成及工作原理
为将所学数字电子技术的相关理论与动手实践相结合，本次综合设计独立完成了数字钟一系列设计与焊接工作。
与机械式时钟相比，数字钟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。
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。
为了更加贴近于生活，方便使用。
一方面，我们设计了校准电路，解决了当时钟出现错误时，能够对其进行调整完成正常的计数；另一方面，加入了一定的扩展功能，实现了定点报时。
数字钟的一般构成框图如下（图1）。
图1数字钟构成图
1.2数字钟的工作原理
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、显示电路
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。
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。
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NE555，搭建多谐振荡器产生所需的秒脉冲信号。
由于RC震荡电路不稳定，且不能精确产生所需秒脉冲，而NE555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，所以我采用方案二。
2.2设计步骤与方法
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7）
2.3.2系统整体仿真图（见附录2）
2.3.3PCB板图
1、数字钟电路PROTEL设计图（见附录3）
2、PCB板反面图（见附录4）
3、PCB板走线图（见附录5）
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。
3数字钟的扩展功能
3.1定点报时
1、数字钟定点报时介绍
电路实现原理如下（图15）
图15定点报时原理
注：
M=1（为上午的信号输出）
2、定点报时实物焊接电路图如下（图16）
图16实物焊接图
3.212归1
1、完成12归1电路图如下（图17）
方案一
方案二
图17CC4518实现12归1
2、原理简述
方案一原理：
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,经与门产生高电平给CC4518清零端MRB，同时DFF1的Q翻转为零，个位清零。
当十位和个位为10011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。
方案二原理：
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1）
4.2实际焊接的印刷电路板元件分布图（见附录6）
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；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）。
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仿真时遇到了要对电路进行上电消零的问题，经过我们几个小组的讨论，我们确定了使用JK触发器和D触发器两种电路消零，又经过方案比较反较、测试和验证，我们确定使用D触发器电路，这样具有电路简单和芯片管脚少的优点。
在制作原理图过程中也遇到了很多问题，像是对器件的封装不熟悉，还有芯片的引脚接线容易出错，另外器件网络标号也容易重复，所以需要细心。
元件库需要建好，还有数码管既要建原理图库，又要建PCB库。
5.2系统硬件调试过程中遇到的问题及排查
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
按电路连线，输出可接发光二极管。
观察在CP作用下（CP为1HZ，可由NE555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。
调试过程中要注意以下几个问题：
（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。
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应为底电平。
3、校时电路的安装与调试
将NE555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。
４、组装后的电路安装和调试
组装后发现显示电路的分个位数码管有一位不能正常显示的状况，经过对这一位线路的追踪检查，发现主要是由于在焊接过程中使用吸锡器将其中一个焊盘与接线抽断的原因，用锡将焊盘与线路连接后，数码管显示正常。
在焊接过程中，要一定要注意由低到高焊元器件，这样焊起来容易；另外芯片座一定要看清缺口，正确摆放位置，不能着急，应当认真细心。
6总结及体会
1、理论方面
这次电子技术的综合实验，将我们之前所学习过的模拟电子技术和数字电子技术综合的应用了起来，使我的知识得到了融会贯通，让我从实际中验证了自己课堂上所学的知识，通过实验也使我熟练的掌握了EWB和PROTEL99SE软件。
实验中难免会遇到问题，在遇到问题时，我会静下心来认真思考、翻阅资料，也会和同学讨论或者向老师请教，最终解决问题，这些问题的解决更加巩固了我的理论知识，同时也弥补了我理论知识的不足。
2、实际动手方面
本次实验在将我所学习的理论知识得到充分的应用的同时，也培养了我的动手能力，整个实验的安排使我从拿到任务开始，经过资料查阅、产品设计、仿真验证、原理图绘制、PCB制板、实物焊接、组装调试等流程，真正意义上让我学习到一个电子产品开发的整个过程。
3、论文撰写方面
这是我第一次撰写技术论文，其中遇到了很多问题，开始时不够重视，草草的写完了，很不符合规范，经老师的再三指正不足之处，才知道，每一句话都要真实简练，每一个插图都要既符合原理又美观，论文中的字体字号都好按要求做，排版也要清晰明了，这每一个细节都要认真完成，之后我经过反复的修改，才最终完成了这篇论文的撰写。
通过这次电子技术的综合实验，让我感觉到要学习好一门课程除了理论知识掌握的牢以外，一定要动手操作练习。
只有经过实际的验证才能更深刻的了解所学到的东西。
我这次实验能成功，主要是电子电工实验室给我搭建了一个动手实践的平台，我非常感谢实验室各位老师对我的悉心关照和培养，同时也感谢同学对我的帮组和支持。
7参考文献
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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]赵伟军.PROTEL 99 SE教程.北京:
人民邮电出版社,2004（第一版）：
47-54
8附录
附录1：
元件清单
主板
序号
型号
参数
数量（个）
序号
型号
参数
数量（个）
1
集成芯片
CC4518
3
11
4148
6
2
CC4511
6
12
电解电容
100uF／16V
5
3
CC4060
1
13
电容独石
104
12
4
CC4040
1
14
电阻1/4W
1MΩ
4
5
芯片座
16P
11
15
220KΩ
5
6
数码管
LG5011AH
6
16
470Ω
42
7
晶振
32768
1
17
220Ω
2
8
三极管
PNP（1015）
1
18
微动开关
6*6*6
4
9
发光二极管
∮5
4
19
稳压电源座
∮3.5空心座
1
10
二极管
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