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数字钟论文

中国矿业大学徐海学院

电子技术综合设计

姓名：

学号：

专业：

电气10-5班

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：

2012年12月

成绩：

指导教师：

年月

电子技术综合设计任务书

学生姓名专业年级电气10-5班学号

设计日期：

2012年12月17日至2012年12月28日

实践课程：

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

3.EWB仿真图

60秒、60分、24小时----计数、译码、显示电路

4.设计原理图

用AltiumDesignerSummer09设计原理图

5.设计PCB版图

用AltiumDesignerSummer09设计PCB板图

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

本次电子技术综合设计实验为数字电子钟，对数字电子技术等进行了综合应用，充分结合了组合电路和时序电路设计多功能数字钟。

该数字钟主要由振荡器、分频器、计数器、译码显示等电路组成。

在理论设计方面，该数字钟通过用555构成多谐震荡器，实现（f=1HZ）秒脉冲信号发生器，再通过4518计数器生成出60和24进制，然后利用4511解译码器将数字显示在数码管上，同时该数字钟具备校准时间的功能。

在硬件设计方面，首先将设计的原理图进行EWB仿真；然后利用AltiumDesignerSummer09软件设计出PCB电路板，最后自己动手焊接实物，完成制作。

关键字：

NE555定时器cc4511译码器cc4518计数器406024进制60进制D触发器

目录

一、设计要求及内容5

1.1技术指标5

1.1.1基本功能5

1.1.2扩展功能5

1.1.3提高功能5

1.2内容要求5

1.2.1主体电路5

1.2.2扩展电路6

1.3器件要求6

二、设计方案及步骤6

2.1原理框图6

2.2秒脉冲发生器6

2.2.1555构成的多谐震荡器6

2.2.2555构成多谐震荡器电路图7

2.2.3多谐振荡器的周期及频率计算公式：

8

2.3秒、分、小时计数电路8

2.3.1CC4518功能介绍8

2.3.2CC4518构成60、24进制计数单元电路原理9

2.4译码、显示电路10

2.4.1cc4511功能介绍：

管脚图、真值表。

10

2.4.2LG5011AH共阴数码管11

2.4.360进制技术、译码、显示单元电路12

2.4.424进制技术、译码、显示单元电路图12

2.5振荡器12

2.5.1石英晶体振荡电路12

2.5.2晶振构成秒信号发生器13

2.5.3.二极管与门工作原理14

2.6整流桥部分工作原理15

2.7校时电路16

2.8扩展功能17

2.8.1闹时功能17

2.8.2定时报时电路17

三、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18

四、焊接与调试18

4.1系统软件仿真、硬件安装、调试遇到的问题18

4.2问题记录、分析存在的原因19

4.3说明排除方法和效果19

五、参考文献20

附录：

21

附录1:

21

数字钟电路原理图21

附录2:

22

数字钟电路Protel设计图22

附录3:

23

系统整体仿真图23

附录4：

..................................................24

篮球24秒.....................................................24

六、实验心得25

一、设计要求及内容

1.1技术指标

1.1.1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

1.1.2扩展功能

定点报时

闹时控制

仿广播电台整点报时

自动整点报时

1.1.3提高功能

小时的计数要求为“12归1”

1.2内容要求

1.2.1主体电路

图1-1主体电路思想

1.2.2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。

1.3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、设计方案及步骤

2.1原理框图

图2-1数字钟的原理框图

2.2秒脉冲发生器

2.2.1555构成的多谐震荡器

555芯片介绍（附图）：

功能图、内部结构

图2-2555功能图、内部结构

注：

（1GND、2触发、3输出、4复位、5控制电压、6门限（阈值）、7放电、8Vcc）

2.2.2555构成多谐震荡器电路图

图2-3多谐震荡电路

2.2.3多谐振荡器的周期及频率计算公式：

电容C充电时，暂稳态持续时间：

（1）

电容C放电时，暂稳态持续时间：

（2）

输出脉冲的周期为：

（3）

频率为：

（4）

表2-1数据的选取及所得结果

元件参数

结果

R1=428.5KΩ

R2=500KΩ

C=1μF

T=1s

f=1HZ

经过仿真得出多谐振荡波形图，如下所示，其中

为电容C充电时，暂稳态持续时间，

为电容C放电时，暂稳态持续时间。

图2-4多谐振荡波形图

2.3秒、分、小时计数电路

2.3.1CC4518功能介绍

用CC4518构成60、24进制计数电路，然后级联组成时、分、秒整体计数电路，其管脚图和真值表如下：

图2-5CC4518管脚图

表2-2CC4518的真值及对应的功能

CL

EN

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

2.3.2CC4518构成60、24进制计数单元电路原理

工作原理

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。

计数器级为D型触发器。

具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟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线为高电平时，计数器清零。

计数器在脉动模式可级联，通过将Q3连接至下一计数器的EN输入端可实现级联。

同时后者的CP输入保持低电平。

CC4518提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。

根据CC4518管脚排列，如图2.3.1

（2），左边管脚控制60进制的高位，逢6清零所以经0110输出经过与门后接MRB端清零，而左边管脚控制的是60的低位，为标准的10进制，所以MRA清零端只需接地即可。

图2-660进制计数单元电路图

图2-724进制计数单元电路图

工作原理

根据CC4518管脚排列，工作如原理同上，但是又有所不同如图2-6，如60进制，左边管脚控制24进制的高位，逢2清零，故经0010输出；右边管脚控制24进制的低位，逢10清零，故经1010输出，但同时要24归零所以两端输出经过与门，左端与右端同时输出2和4时，高电平有效，从与门出来分别接到MRA与MRB端清零，如图2-7所示。

2.4译码、显示电路

2.4.1cc4511功能介绍：

管脚图、真值表。

图2-8cc4511管脚图

表2-3CC4511实现译码的真值表

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

注：

LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，cd4511输出被保持在LE=0时的数值。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

 a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否正常。

2.4.2LG5011AH共阴数码管

图2-9LG5011AH管脚图及内部结构

1.该共阴极数码管和CC4511相连，相对应的abcdefg连在一起，而8管脚不连，3管脚接地。

LG5011AH内部结构图由8个二极管所连接，A~G控制数字“8”而DP则控制小数点。

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：

（5）

2.4.360进制技术、译码、显示单元电路

图2-1060进制技术、译码、显示单元电路

2.4.424进制技术、译码、显示单元电路图

图2-1124进制计数、译码、显示电路

2.5振荡器

振荡器是计时器的核心，主要用来生产时间标准信号，也称为时基信号。

数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及稳定度。

振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大。

一般采用石英晶体振荡器经过分频后得到这一信号，也采用由555定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号。

2.5.1石英晶体振荡电路

由石英晶体、微调电容、反相器等构成。

晶振频率为10kHz，输出反馈电阻R为非门提供偏置，使电路工作于放大区，非门U2是振荡器整形缓冲级与石英晶体串联的微调电容，可以对振荡器频率做微量调节，从而在输出端得到较稳定的1OkHZ脉冲信号

石英晶体振荡器原理图如下：

图2-12石英晶体振荡器

原理解释：

图中，门1、门2时反相器，门1用于振荡，门2用于缓冲整形。

RF为反馈电阻（10-100M），反馈电阻的作用是为CMOS反向器提供偏置，使其工作在放大状态。

C1可对振荡器频率作微量调整，C1一般采用5-35PF半可调电容。

G2是温度特性校正用的电容，一般取20-405平方，电容C1、C2与晶体共同构成型网络，完成对振荡频率的控制，并提供必要的180度相移。

2.5.2晶振构成秒信号发生器

振荡器产生的时基信号通常频率都很高，要使它成为能用过来计时的“秒”信号，需由分频器来完成。

分频器的级数和每级的分频次数要根据时基频率来决定。

例如，目前石英电子钟多采用32768HZde时标信号，将此信号经过15级即可得到周期为1S的“秒”信号。

也可选用其他频率的时基信号，确定好分频次数后再选选择合适的集成电路。

石英晶体振荡器产生的32768Hz时标信号进行15分频。

选用14为二进制计数器\分频器CMOS集成电路CC4060，由它可以得到14分频的信号，分频分出2Hz，再经过CD4040的2分频分出秒脉冲。

CD4040的管脚图及分频原理：

图2-13CC4060管脚图

分频原理如下表：

表2-4CD4060的分频原理

Q4

24

16

Q5

25

32

Q6

26

64

Q7

27

128

Q8

28

256

Q9

29

512

Q10

210

1024

Q11

211

2048

Q12

212

4096

Q13

213

8192

Q14

214

16384

2.5.3.二极管与门工作原理

焊接板上的二极管与门电路可以大致表示成以下电路

图2-14二极管与门工作电路

这张电路图中，如果A或者B其中一个电压低于0.7V，此时任意一个二极管导通，电压钳位在0.7V，看表就知道，此时F点的输出电压为0.7V，也就是低电平，用0表示，如果当A、B两点的电压都等于3V的时候，此时两个二极和不导通，F点就输出高电平用1表示，F点接到计数器或者其它的元件上

12V是R与D1D2的电源，也为F点提供3.7V的电压

如果你需要F点输出高电平AB两点可接5V正极，如果你需要F点输出低电平，那么就5V负极，F点接你后面的驱动电路。

2.6整流桥部分工作原理：

如下图所示

图2-15单相桥式整流电路

如图2-15所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI变成整流电路要求的交流电压，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。

单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。

为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。

在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。

其电流通路可用图中实线箭头表示。

在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。

电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。

其电流通路如图中虚线箭头所示。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

其波形图如下图：

图2-16单相桥式整流电路波形图

2.7校时电路

图2-17校时电路

表2-4校时电路的功能

S1

S2

功能

校时脉冲

功能

1

1

计数

连续脉冲（1Hz）

快速校时

1

0

校分

点脉冲

慢速校时

0

1

校时

2.8扩展功能

2.8.1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

2.8.2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。

三、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

四、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。

五、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】华成英.模拟电子技术第4版.北京：

清华大学

【4】《电子技术基础》康华光主编高等教育出版社

【5】《常用数字集成电路原理与应用》卿太全主编人民邮电出版社

【6】《电子电路试验及应用课题设计》中国科技大学出版社

附录：

附录1:

数字钟电路原理图

附录2:

数字钟电路AltiumDesignerSummer09设计图

附录3:

系统整体仿真图

附录4：

篮球24秒

6、实验心得

经过两周漫长的课程训练，我们结束了电子综合设计，在此过程中，我们学到了很多，从EWB软件仿真到画原理图与PCB的设计，每一步都得踏踏实实的不得马虎，保证工作的严谨性，这将有利于以后的工作。

在PCB的绘制过程中要强调工作的严谨性，每一个步骤都不能出错，否则在生成PCB时就会出现错误，整个工程就会失败，这在以后的工作中时是不可想象的，例如，焊盘小了的话容易导致虚焊及其如果焊错从焊的话，在拆的过程中容易把整个焊盘拆坏，整块板子就会被毁掉，后果不堪设想。

在此过程中我懂得了产品开发研制和生产过程，为以后相关工作打下基础。

在此期间我遇到了很多问题，使得我学会了查阅相关资料解决问题的能力，增强了我解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能力。

这一课程设计，培养了我工作的严谨性。

在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。