电子技术综合设计报告数字钟设计

1、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： 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 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） 用555设计CP脉冲源 (f=1KH) 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

2、PCB板图（计算机打印）6. 功能扩展要求设计：定点报时功能 12小时归1计数电路指导教师签字： 年 月 日 摘要设计简述数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用数字电子钟，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。此次设计数字电子钟是为了了解数字电子钟的原理，从而学会制作数字电子钟。而且通过数字电子钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。且由于数字电子钟电路包括组合逻辑电路和时序电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时

3、序电路的原理与使用方法。数字电子钟有下几部分组成：信号发生器、CC4518组成 “时、分、秒”计数器、CC4511译码器及LC5011（共阴极）数码显示电路、校时电路、整点报时电路等。 信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用555构成的振荡器来实现。将标准秒脉冲信号送入“秒计数器”。用 CC4518双四位BCD同步加计数器设计60进制，24进制计数器以实现60秒、60分、24小时归0的计数电路，CC4518为双位计数器，所以每个计数器分为十位和个位两部分，当秒计数器计数到60时向分计数器进位同时秒计数器归零，分计数器向时计数器工作原理同秒计数器，当时计数器计数到24时

4、归零。利用CC4511 七段译码驱动/锁存器及LG5011AH共阴数管设计译码及显示电路（数码管需加限流电阻）将时间显示。关键词：数字电路 数字钟课程设计 数字计时器设计 组合逻辑芯片 目录1 数字钟的基本组成及工作原理51.1数字钟的构成51.2 数字钟的工作原理52 数字钟电路原理设计62.1原理框图72.2秒脉冲发生器设计72.2.1 NE555芯片介绍72.2.2 NE555构成多谐振荡器电路图（f=1HZ）72.3秒、分、小时计数器电路82.3.1 CC4518双BCD同步加法计数器82.3.2 用CC4518构成60进制、24进制计数单元电路92.4 译码显示电路102.4.1 C

5、4511译码器102.4.2 LC5011（共阴极）数码显示管112.5电路设计及仿真122.5.1 60进制计数、译码、显示仿真图122.5.2 24进制计数、译码、显示仿真图122.6二极管与门工作原理132.7整流桥132.8 校时电路142.9扩展功能152.9.1 闹时功能电路152.9.2定时报时电路153 焊接与调试173.1系统硬件安装、调试中遇到的问题173.2问题现象、分析存在原因173.3排除方法和效果174 实验心得195 参考文献206 附录216.1数字钟电路原理图216.2 数字钟电路PCB原理图226.3 数字钟电路PCB布线图236.4系统整体仿真图246.5

6、 实际焊接的印刷电路板元件分布图256.6 基本电路元件清单267 附录31附录数字钟系统整体仿真图31附录2.数字钟PCB原理图32附录3.数字钟PC33 徐海学院11届电子技术综合设计报告 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由振荡器、分频器、计数器、译码器、数码显示器等几部分组成。振荡电路：主要用来产生时间标准信号，因为时钟的精度主要取决于时间标准信号的频率及稳定度，所以采用石英晶体振荡器。分频器：因为振荡器产生的标准信号频率很高，要是要得到“秒”信号，需一定级数的分频器进行分频。计数器：有了“秒”信号，则可以根据60秒为1分，24小时为1天的进制，分别设定“时”、“分

7、”、“秒”的计数器，分别为60进制，60进制,24进制计数器，并输出一分，一小时，一天的进位信号。译码显示：将“时”“分”“秒”显示出来。将计数器输入状态，输入到译码器，产生驱动数码显示器信号，呈现出对应的进位数字字型。如下图所示为数字钟的一般构成框图。图1.1 数字钟构成框图1.2 数字钟的工作原理本系统由秒脉冲发生器、计数器、显示器、校时电路组成。由振荡器输出稳定的高频脉冲信号作为时间基准，经分频器输出标准的秒脉冲，秒计数器满60向分计数器进位，分计数器满60向小时计数器进位构成计时系统，再将信号送到显示器；计数出现误差可用校准时电路进行校时、校分。1)晶体振荡器电路晶体振荡器是构成数字式

8、时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定。一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类,一类是用TTL门电路构成;另一类是通过CMOS非门构成的电路。该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路,如数字钟,电子计算机,数字通信电路等。2)分频器电路通常,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到1Hz的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路,一般采用多级2进制计数器来实现。3)时间计数单元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进制计数器或24进制计数器,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,

9、其输出也为8421BCD码。本次实验采用的是CC4518和CC4511计数的。4)译码驱动及显示单元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。5)校时电源电路 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2 数字钟的设计与

10、制作2.2设计步骤和方法2.2.1 NE555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. VCC2、NE555构成多谐振荡器多谐振荡器工作原理：Ø VCC通过R1、R2向C充电,在电容充电VC ：0vVCC 1/3 之间,Vo 输出1。Ø 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。Ø 当VC2

11、VCC /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3VccvoRD+-84562713RRRRbQQC1C2TR1CR2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4 NE555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

12、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2 CC4518功能表CL (CP0)EN (CP1)R功 能10加计数00加计数×0不 变×0不 变00不 变10不 变××1Q3Q0=0图6 CC4518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

13、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7 60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8 24进制计

14、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（0010 0100）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

15、码管管脚图（图10）以及引脚功能（图11）。表9 CC4511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Q0Q3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ab都为低电平，各字段熄灭。（3）数码显示： 当BI=1 LT=1 LE=0，译码器工作，当3210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LEBILTDCBAabcdefg001100001111110

16、101100010110000201100101101101301100111111011401101000110011501101011011011601101100011111701101111110000801110001111111901110011110011消隐011101000000001111消隐´01´´´´0000000锁存111´´´´锁存灯测试´´0´´´´1111111功能说明：LG5011是共阴极数码管，所有的数码管的

17、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10 LG5011AH管脚图 图11 LG5011AH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。3、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

18、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U（手册数据），工作电流为I（手册数据），译码器输出的高电平Uag，则限流电阻上的电压应该为UU，限流电阻阻值： R（UagU）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

19、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）2.3.3 PCB板图1、数字钟电路PROTE

20、L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

21、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， 1D8D为数据输入端，1Q

22、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

23、成芯片451839电解电容1f/16v124511610电容0.01F3374ALS00211电阻47042474ALS32212500K1574ALS74213285K16芯片座16P151433K17数码管LG5011AH615微动开关6*6*628脉冲信号源555116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18D锁存器74LS27337复位开关12同或门74LS26658自锁开关134输入2与门74LS2149喇叭14芯片座20P310音乐片1514P911灰排线20P16三极管9013212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)。秒到分不进位 。4.2问题记录、分析存在的原因1、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。2、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。 3、焊限流电阻，电阻黄色为有效环需