电子技术综合设计报告-数字钟.doc

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1、 中国矿业大学徐海学院电子技术综合设计姓 名： 学 号： 专 业： 电气工程及其自动化 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： 2013年11月14日至12月28日 成 绩： 指导教师： 2013 年 12 月中国矿业大学徐海学院电子技术综合设计电子技术综合设计任务书学生姓名 专业年级 学号 设计日期：2011年11月14 日 至2011年12月 28 日设计题目：多功能数字钟设计要求：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

2、管设计译码及显示电路（数码管需加限流电阻）；用脉冲开关设计校准功能；用555构成多谐振荡器，实现（F=1HZ）秒脉冲信号发生器；2. 整体电路原理图60秒（60分）及24小时-计数、译码、显示3. EWB仿真图60秒（60分）及24小时-计数、译码、显示4. 设计原理图用PROTELL99设计原理图并打印。5. 设计PCB版图用PROTELL99设计PCB板并打印。6.功能扩展要求设计：整点报时功能 12小时归1计数电路指导教师签字：摘 要数字钟是由计数电路、译码电路、显示电路、校准电路、信号发生脉冲电路等几部分组成。首先，针对本次设计任务，采用采用不预置初值的计数器CC4518，构成60进制

3、或24进制计数电路，然后进行级联组成秒、分、小时计数。采用BCD7 段锁存译码驱动器CC4511组成译码电路。采用七段共阴极数码管构成显示电路，根据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。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，构成信号发生脉冲电路。其次，按照系统方案，运用EWB软件完成数字钟主体电路的仿真设计，用protel99软件绘制原理图，检查无误后生成PCB版，完成整个电路的设计工作。再次，进行系统电路的焊接。按照设计

4、的原理图，先焊接主板，再焊接扩展板，然后将主板与扩展板连接。最后调试焊接完的电路板，通过不断调试，实现本次数字钟设计要求的全部功能。关键词： 数字钟，振荡，计数，校正，报时目 录1数字钟的基本组成及工作原理11.1数字钟的构成11.2数字钟的工作原理12数字钟的设计与制作12.1系统方案选择与论证12.1.1方案设计12.1.2方案论证12.2设计步骤与方法22.2.1方案流程图22.2.2 NE555脉冲电路产生22.2.3计数器电路32.2.4译码和显示电路52.2.5校时电路73数字钟的扩展功能83.1定点报时83.2 12归184焊接与调试94.1 介绍系统硬件安装、调试中遇到的问题9

5、4.2 记录问题现象、分析存在原因94.3 说明排除方法和效果95总结及体会96 结束语97参考文献108附录118.1 系统整体仿真图118.2 数字钟电路Protel设计图128.3 印刷电路板的元件分布图138.4 印刷电路板布线图148.5基本电路元件清单158.6扩展电路元件清单16 8.7数字钟实物图.171数字钟的基本组成及工作原理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。它由振荡器、分配器、计数器、译码器和显示器电路组成。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）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

6、。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。1.2数字钟的工作原理振荡器产生的时钟信号经过分频器形成秒脉冲信号，秒脉冲信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。秒计数器电路计满60后触发分计数器电路，分计数器电路计满60后触发时计数器电路，当计满24小时后又开始下一轮的循环计数。通过校时电路可以对分和时进行校时，且计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。2数字钟的设计与制作2.1系统方案选择与论证2.1.1方案设计通过查找资料并展开讨论，共讨论出两个不同的设计方案，表面上看，似乎两个方案都符合要求，但经过反复深究，并将两个方案

7、加以比较，最终确定一个既符合本设计要求又具有比较强的可行性的方案作为此次设计的对象。方案一：用CC4518计数器构成计数电路，用CC4511译码构成译码电路，用LG5011AH共阴数码管构成显示电路，用555构成多谐振荡器构成秒脉冲信号发生器，用发光二极管作输出显示。方案二：首先构成一个由32768Hz的石英晶体振荡器和由CD4060构成的分频器构成的产生震荡周期为一秒的标准秒脉冲，由74LS161采用清零法分别组成六十进制的秒计数器、六十进制分计数器、二十四进制时计数器和七进制的周计数器。使用由32768Hz的石英晶体振荡器和由CD4060构成的分频器构成的产生震荡周期为一秒的标准秒脉冲，把

8、秒计数器地进位输出作为分计数器的CP脉冲，分计数器的进位输出作为时计数器的CP脉冲，时计数器的进位输出作为周计数器的CP脉冲。使用74LS48为驱动器， BS201A数码管作为显示器。2.1.2方案论证两种方案都很正确，综合本次的设计要求，为熟练掌握555定时器，本次设计选用方案一。2.2设计步骤与方法2.2.1方案流程图图1方案流程图2.2.2 NE555脉冲电路产生1）555管脚图 图2 555芯片管脚图2）555芯片引出端功能说明表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3）555构成多谐振荡器电路图（f=1HZ）图3 多谐振荡器电路 图4 多谐振荡器波

9、形4）相关参数计算 2.2.3计数器电路用CC4518构成60、24进制计数电路。1） CC4518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连接至下一计数器的EN输入端实现级联。同时后者的CP输入保持低电平。2) CC4518芯片管脚图图5 CC4518管脚图3）CC4518芯片功能表表2 CC4518功能表CL (CP0)EN (CP1)R功 能10加计数0

10、0加计数0不 变0不 变00不 变10不 变1Q3Q0=04）60进制计数电路图6 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。5）24进制计数电路图7 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

11、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2.2.4译码和显示电路CC4511实现译码，LG5011AH共阴数码管实现显示电路：1）芯片功能介绍： 图8 CC4511管脚图 图9 LG5011AH管脚图 表3 CC4511功能表显示输 入输 出LEBILTDCBAabcdefg00110000111111010110001011000020110010110110130110011111101140110100011001150110101101

12、1011601101100011111701101111110000801110001111111901110011110011消隐011101000000001111消隐010000000锁存111锁存灯测试01111111 图10 LG5011AH管脚功能数码管内部已将3端、8端连接在一起，所以使用时，3端接地，8端悬空。2）译码、显示电路11图11译码、显示电路3）译码、显示电路工作原理1）限流电阻计算：数码管的工作电压为（手册数据），工作电流为（手册数据），译码器输出的高电平，则限流电阻上的电压应该为，限流电阻阻值： 2）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

13、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。3）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。4）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。4） 60进制计数、译码、显示单元电路图12 60进制计数、译码、显示单元电路工作原理：个位进位时提供给十位一个脉冲，使十位计数，当十位计数到六时，两个高电平相与传给MRB端，进行清零。5

14、）24进制计数、译码、显示单元电路图13 24进制计数、译码、显示单元电路工作原理：个位进位时提供给十位一个脉冲，使十位计数，当十位计数到二个位计数到四时，两个高电平相与传给MRB端，进行清零。2.2.5校时电路图14 校时电路工作原理：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。3数字钟的扩展功能3.1定点报时 图15数字钟定点报时电路图工作原理：通过CC4518计时器设定好报时时刻（如：12时12分24秒）， 通过74LS273锁存器进

15、行锁存；CC4518计时器进行正常计时，当计时时间和设定的报时时间相同时，74LS266全部输出高电平，经74LS21与门输出高电平，使三极管导通，音乐芯片发出报时声音，达到效果。3.2 12归1图16 数字钟12归1电路图工作原理：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

16、号经反向后对DFF2清零，十位清零。实现12归1的计数。4焊接与调试4.1 介绍系统硬件安装、调试中遇到的问题在六十进制时，按图接线后发现，显示器上的数字总是100进制的，而不是六十进制。4.2 记录问题现象、分析存在原因 芯片引脚可能插错或者接错了。4.3 说明排除方法和效果重新检测后发现无论是线路的连通还是芯片的接触都没有问题。最后，在重新连线发现是线路接错引脚造成的，改过之后，显示就正常了。 5总结及体会 通过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一

17、样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。 通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。 6 结束语在做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限，明白了只学好课本上的知识是不够的，要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩充自己的知识。在实验过程中我们曾经遇到过问题。一个是在电路接好之后计数的显示结果不正确,经分析，检察后我们请老师帮我们检察了电路，知道了是电路导线坏了，于是

18、改正了错误。我们遇到的第二个问题是有一个芯片忘记了接地。由于有好几百条连线，所以我们没有一时检察出问题，但是我们没有沮丧。在使用万用表测量各个接点电压后我们找到了原因。但是从中我们学习到了如何对待遇到的困难，进一步培养了我们一丝不苟的科学态度和不厌其烦的耐心。所有的这些心得会对我以后的学习和工作有帮助作用。 非常感谢指导老师给予的帮助，使我能够顺利的完成设计。在这个过程中我所学到的知识将使我终身受用。7参考文献1 曹国清.数字电路与逻辑设计.徐州：中国矿业大学，19982 谢自美.电子线路设计实验测试武汉：华中科技大学，20003 王慧玲.电工电子实验与实训.北京：机械工业出版社，20034吴

19、建强.电工学新技术实践.北京：机械工业出版社，20045付家才.电工电子学习指导.北京：化学工业出版社，20036王建华，吴道悌，电工学实验. 北京：高等教育出版社，20037 孙淑艳，电子技术实践教学指导书 北京：中国电力出版社，2005.108 王彩君，杨睿，周开邻 .数字电路实验.北京：国防工业出版社，2006.78附录8.1 系统整体仿真图8.2 数字钟电路Protel设计图8.3 印刷电路板的元件分布图8.4 印刷电路板布线图8.5基本电路元件清单序号名称型号数量1集成芯片CC451832CC451163CC406014CC404015芯片座16P116数码管LG5011AH67晶振3276818三极管PNP(1015)19发光 二极管5410二极管1N4007411电解电容100uF/16V512二极管4148613电容独石1041214电阻1/4w1M415220 k516470 4217220 218微动开关6*6*6419稳压电源座3.5空心座120电路板8.6扩展电路元件清单序号名 称型 号数 量(个)18D锁存器74LS27332同或门74LS266534输入2与门74 LS2144芯片座20P3514P96三极管901327复位开关18自锁开关19喇叭110音乐片111灰排线20P12网线2米13电路板18.7数字钟实物图