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：
本次课程设计的目的是为我们更好的掌握组合逻辑电路和时序电路的应用知识，有助于提高我们的职业素质，同时加深对知识的了解，本次设计也是为我们的毕业设计打基础，加强知识的综合应用。
本设计以石英晶体振荡器、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、时的译码显示部分为主体。
设计了一款简易数字时钟。
该时钟系统主要由时钟模块、计数模块、译码模块、显示模块组成。
系统具有简单清晰的操作界面，能够准确显示时间（显示格式为时时：
分分：
秒秒，24小时制），可随时进行时间调整。
设计以硬件软件化为指导思想，充分发挥单片机功能，大部分功能通过软件编程来实现，电路简单明了，系统稳定性高。
同时，该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性。
由于系统所用元器件较少，因此系统具有一定的可扩展性。
关键词：
数字钟，计数，译码，显示，石英晶振
目录
1绪论1
1.1电子技术综合设计性质1
1.2电子技术课程设计的方法和步骤1
1.3综合设计目的1
2数字钟的基本组成及工作原理2
2.1系统设计思路2
2.2设计方案与论证2
2.2.1总体方案框图2
2.2.2原理示意图2
2.2.3元件选择2
3数字钟的设计与制作4
3.1设计步骤与方法4
3.1.1校时电路4
3.1.2振荡电路4
3.1.3计数器电路4
3.1.4译码显示电路6
3.1.5整点报时电路7
3.1.6秒脉冲发生器8
3.2数字钟仿真图8
3.2.1cc4518功能8
3.2.2cc451功能10
3.2.3数字钟电路原理图11
3.3拓展功能12
3.3.1年、月、日、星期计数电路12
3.3.2数字钟闹时电路16
4系统调试16
4.1调试步骤16
4.2EWB仿真过程中遇到的问题及解决办法17
4.2.1遇到的问题17
4.2.2现象分析及排除方法17
4.3Protel仿真过程中遇到的问题及解决办法17
4.3.1元件问题17
4.3.2封装问题17
5数字钟的焊接及注意事项17
5.1焊接元件清单（见附录）17
5.2焊接注意事项17
5.3安装调试18
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。
18
6总结与体会19
7附录20
7.1附录一：
设计原理图20
7.2附录二：
EWB仿真图20
7.3数字钟protel设计图21
7.4PCB设计版22
7.4元件清单23
1绪论
1.1电子技术综合设计性质
电子技术是一门实践性很强的课程，加强工程训练，特别是技能的培养，对于培养工程人员的素质和能力具有十分重要的作用。
在电子信息类本科教学中，课程设计是一个重要的实践环节，它包括选择课题、电子电路设计、组装、调试和编写总结报告等实践内容。
通过课程设计要实现以下两个目标：
一、学生初步掌握电子线路的设计、组装及调试方法。
即学生根据设计要求，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能要求；二、课程设计为后续的毕业设计打好基础。
毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际方面，运用已学过的分析和设计电路的理论知识，逐步掌握工程设计的步骤和方法，同时，课程设计报告的书写，为今后从事技术工作撰写科技报告和技术资料打下基础。
1.2电子技术课程设计的方法和步骤
电子电路设计方法：
在设计一个电子电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行方案选择，然后对方案中的各部分进行单元电路的设计、参数计算和器件选择，最后将各部分连接在一起，画出一个符合设计要求的系统电路图。
明确系统的设计任务要求：
系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能、指标、内容及要求，以便明确系统应完成的任务。
1.3综合设计目的
1、巩固和加深对电子线路基本知识的理解，提高学生综合运用电子技术课程所学知识的能力，使理论和实际有机结合，真正实现由知识向智能的转化。
2、培养学生根据课题需要选学参考书，查阅手册和文献资料的自学能力。
通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析问题、解决问题的能力。
3、通过实际电路的设计方案的分析比较、参数计算、元件选取，安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
4、掌握常用仪器设备的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。
5、能按设计任务书的要求，编写设计说明书，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。
6、培养严肃认真的工作作风和科学态度，发扬团队精神。
2数字钟的基本组成及工作原理
2.1系统设计思路
数字钟实际上是一个对标准频率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。
一个基本的数字钟主要由译码显示器，时、分、秒计数器，校时电路，报时电路和信号发生脉冲电路组成。
分、秒计数器均采用60进制计数，每累计60发出一个脉冲信号，该信号将被送到下一级计数器。
时计数器采用24进制计数；译码显示电路将时、分、秒计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED七段显示器显示出来。
2.2设计方案与论证
2.2.1总体方案框图
图2.1总体设计方案框图
2.2.2原理示意图
根据总体方案框图制定出了基本原理图，详见附录一。
2.2.3元件选择
（一）时、分、秒电路的元件选择：
a）计数电路：
由于时、分、秒计数电路电路的计数初值都为零，所以可采用不预置初值的计数器CC4518，构成60进制或24进制计数电路，然后进行级联组成秒、分、小时计数；
b）译码电路：
由于七段数码管为BCD编码，所以我们采用BCD－7段锁存译码驱动器CC4511组成译码电路；
c）显示电路：
采用七段共阴极数码管，每个显示模块由两个数码管组成；
d）校准电路：
由于每个机械开关具有抖动现象，所以我们采用RS基本触发器及单刀双掷开关来组成校准电路,每搬动一次开关产生一个计数脉冲,实现校时功能；
信号发生脉冲电路：
利用CD4060和32768的晶振构成32768hz的信号发生器，然后经过CD4060的14级分频分出2Hz，再经过CD4040的2分频分出1Hz秒脉冲。
二、年、月、日电路元件的选择（扩展）：
a）计数/译码电路：
由于年、月、日计数电路的计数初值不为零，所以选用可预置初值的计数器74160，构成年、月、日计数电路；
b）数据选择电路：
由于大、小月以及2月的天数不同，所以要对设计的不同的日计数电路进行选择输出，采用74150——16选1数据选择器。
c）显示/译码电路、校准电路和信号发生脉冲电路与时、分、秒电路相同。
3数字钟的设计与制作
3.1设计步骤与方法
3.1.1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
3.1.2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。
3.1.3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
计数状态表:
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:
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）
3.1.4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
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
3.1.5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。
3.1.6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
3.2数字钟仿真图
3.2.1cc4518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
3.2.2cc451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
3.2.3数字钟电路原理图
3.3拓展功能
3.3.1年、月、日、星期计数电路
当看时间时，我们有时也想知道：
现在是几月几号？
这时我们就需要添加一个年、月、日计数电路。
年计数电路为一个累加计数电路，每当月计数满12时，计数电路便自动加一。
月计数电路为一个12归1计数电路，每满12自动置1重新计数。
日计数电路分为三种情况：
31归1（大月），30归1（小月），28归1（2月），分别设计三种计数情况的电路，然后利用数据选择器与其相连，根据不同要求选择不同的日计数电路。
一、芯片简介：
174160：
TTL可预置BCD异步清除计数器，管脚图如图所示：
图3.74160管脚图
74160功能表：
74160的预置是同步的。
当置入控制器
为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端QA－QD与数据输入端A-B一致。
74160的计数是同步的，是靠CP同时加在四个触发器上而实现的。
当ENP、ENT均为高电平时，在CP上升沿作用下QA－QB同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
74160有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端RCO输出一个高电平脉冲，可将该输出脉冲接入高位的ENP、ENT，使高位开始计数。
74160是异步清零的。
当清零端
为低电平时，不管时钟端CP状态如何，都可完成清除功能。
②74150：
TTL16选1数据选择/多路开关，管脚图如图所示：
图3.74LS150管脚图
74150为反码输出的16选1数据选择器。
数据选择端（ABCD）按二进制译码，从16个数据（E0—E15）中选取1个所需输出的数据。
只有在选通端S为低电平时才可选择数据。
W、D为输出端，输出端W为反码数据。
74150功能表：
二、计数电路设计：
①由于月计数电路与日计数电路原理相同，所以现以月计数电路（12归1）为例，简述电路原理。
12归1电路如图所示：
该电路的设计方法采用的是反馈置数法，利用A～B端给个位设置计数初值为0001，由于74160为十进制计数器，所以当个位计数到9时会产生溢出，此时RCO端输出由0变为1，将RCO端产生的信号送到十位的ENP和ENT端，使十位开始计数。
当输出为：
00010010时，将1取出经与非门送入置数端，使计数器置1，从而实现12归1。
由于日计数电路有三种情况，所以我们可以设计三组上述类似计数电路，也可以用一个计数电路分别显示三种不同情况，如图所示：
2对于星期计数电路的设计，采用两次置数法，即设置计数初值为0001
（1），当计数到6是，计数器置为1000（8）表示星期日，然后再将QD端取反送到置数端再次置数为0001。
设计电路如图所示：
③年计数电路是一个累加计数电路，可根据设计要求设计初始年份，每接受一次月计数电路送来的脉冲就记一次数，设计原理与月计数电路相似，只是当开始计数后，年计数电路不再置数，即没有反馈信号，在此就不再赘述。
三、根据各部分设计原理，进行了年、月、日电路的仿真，详见附录二年、月、日设计仿真电路。
3.3.2数字钟闹时电路
4系统调试
调试过程中，我们要用所学的电路原理来解释调试出来的结果，弄懂元件的功能，才能了解其所起到的作用，弄懂信号是如何输入和输出的。
4.1调试步骤
（1）用示波器检测石英晶振的输出信号波形和频率,输出频率应为32768Hz。
（2）将32768Hz信号送入分频器,用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合要求。
（3）将1Hz秒脉冲分别送入时、分、秒计数器,检查各组计数器的工作情况。
（4）观察校时电路的功能是否满足要求。
（5）当分频器和计数器调试正常后,观察数字钟是否准确、正常地工作。
4.2EWB仿真过程中遇到的问题及解决办法
4.2.1遇到的问题
在电路连接完成后，运行时显示电路不能从“00-00-00”开始显示，而是从“11-11-11”开始显示。
4.2.2现象分析及排除方法
我们大多使用的是破解版的EWB，所以总会有些差错。
出现上述现象如果检查电路在逻辑上没有问题，则为软件的问题。
换一个版本的EWB可以消除这个现象。
4.3Protel仿真过程中遇到的问题及解决办法
4.3.1元件问题
[现象]：
Protel99SE中没有所要求的数码管元件
[解决方法]：
Documents—>右键NEW—>SchematicLibraryDocument—>双击打开，并在十字中心开始创建自己的数码管元件，创建好后—>Tools—>Rename—>保存—>Place便可跳转到原理图放置已创建好的数码管元件
4.3.2封装问题
[现象]：
有些封装在Protel99SE中找不到
[解决方法]：
Documents—>右键NEW—>PCBLibraryDocument—>双击打开，并在十字中心开始创建自己的封装，创建好后—>Tools—>Rename（重新命的名要与原理图中给对应原件的封装名一样）—>保存
5数字钟的焊接及注意事项
5.1焊接元件清单（见附录）
5.2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）。
5.3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
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