电子技术综合设计报告数字钟设计(1)毕业设计

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F1KH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）3EWB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本次实验在老师的带领下我们用了两周时间学习了如何设计制造一个数字钟。在课堂上我们从设计入手，到选材到焊接调试，完整体验了一个工程项目设计的完整周期，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，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟的原理其实并不复杂，其实他只是用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时归零。利用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）将时间的以显示。因此，我们此次设计与制做数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟而且通过数字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钟包括组合逻辑电路和时叙电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，熟练掌握应用仿真软件EWB、与PCB板设计软件ATLIMDESIGNER等。关键词数字钟；时序电路；组合逻辑电路；EWB；ATLIMDESIGNER；目录1数字钟的基本组成及工作原理111数字钟的构成112数字钟的工作原理12数字钟的设计与制作121设计步骤与方法1221NE555脉冲电路产生2222计数器电路3223译码显示电路5224校时电路623数字钟仿真7231数字钟电路原理图7232系统整体仿真图8233PCB板图83数字钟的扩展功能931定点报时93212归1104数字钟的焊接及注意事项1041焊接元件清单1042实际焊接的印刷电路板元件分布图1243焊接注意事项125系统软、硬件调试1351系统软件调试过程中遇到的问题以及排查经过136总结及体会1361设计遇到的问题及解决方法1462EWB仿真中的问题1463设计总结1464对课程设计的建议147参考文献148附录1581附录11582附录21583附录31684附录41785附录517徐海学院2011届电子技术综合设计报告第1页1数字钟的基本组成及工作原理11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。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。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。如图11所示，数字钟电路系统有主体电路和扩展电路两大部分组成。其中，主体电路完成数字钟的基本功能，扩展部分主要完成数字钟的扩展功能。该系统的工作原理是振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，在经分频器输出标准秒脉冲。秒计数满60后在向分计数器进位，分计数器记满60后向小时计数器进位，小时计数器按照24进制规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。图11多功能数字钟系统组成框图12数字钟的工作原理数字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。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）将时间的以显示。2数字钟的设计与制作21设计步骤与方法徐海学院2011届电子技术综合设计报告第2页221NE555脉冲电路产生秒脉冲发生器是数字钟的核心。由555构成多谐振动荡器，使其产生1HZ的振荡周期。555与RC构成多谐振荡电路，电路参数如图22所示。555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200MA。比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。工作原理接通电源后，VCC通过R1、R2给C充电，VC逐渐上升。当VC升到2/3VCC，比较器C1输出低电平VC10，555内RS触发器被复位，V1导通，输出V00。之后电容C通过R2和V1放点，使VC下降。当VC下降到1/3时，笔记哦啊器C2输出低点品VC20，555内RS触发器又被置位，输出V01变成高电平。这时因为V1截止，电容C再次充电。如此周而复始，输出就是个周期的矩阵方波了。功能说明参数计算F11HZ,R1423K,R2115K,C1148UF,C2001UFTW105S,TW205S徐海学院2011届电子技术综合设计报告第3页电路图222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，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。小时计数单元为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，其输出也为8421BCD码。一般采用10进制计数器CC4518来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量，可选CC4518。图26秒、分计数电路60进制13CV2O2WT1C徐海学院2011届电子技术综合设计报告第4页图27时计数电路24进制徐海学院2011届电子技术综合设计报告第5页图28秒、分、小时计数电路系统启动后，发现秒个位进行计数还未向秒时位进位时，其高位自动生成1，是软件所存在的漏洞；为了解决这一问题，需要在电路中加入消1功能。图29系统整体修改后的计数电路223译码显示电路如图所示，计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用LG5011AH共阴数码管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CD4511作为显示译码电路，选用LG5011AH徐海学院2011届电子技术综合设计报告第6页共阴数码管数码管作为显示单元电路。图211译码、显示电路图212译码器电路224校时电路当数字钟初次接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间，校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子手表都具有时、分、秒等校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校时。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有“快校时”和“慢校时”两种，“快校时”是，通过开关控制，使计数器对1HZ的校时计数。“慢校时”是用手动产生单脉冲作校时脉冲。如图为校时、校分电路。其中为校分用的控制开关，1S为校时用的控制开关，他们的控制功能如表21所示。校时脉冲采用分频器2S输出的1HZ脉冲，当或分别为“0”时可以进行“快校时”。如果校时脉冲1S2由单次脉冲产生器提供，则可以进行“慢校时”。图210显示工作电路原理徐海学院2011届电子技术综合设计报告第7页图212校时电路23数字钟仿真231数字钟电路原理图徐海学院2011届电子技术综合设计报告第8页232系统整体仿真图233PCB板图徐海学院2011届电子技术综合设计报告第9页3数字钟的扩展功能31定点报时上述闹钟报时功能设计只是固定一个时间，如可以随意调节时间，需要增加电路的硬件，最实现，当我们选择好要定的时间后，如需要闹钟响多长时间就按下开关多长时间。其电路如图31所示。徐海学院2011届电子技术综合设计报告第10页图31定点报时电路3212归1图3212归1原理图徐海学院2011届电子技术综合设计报告第11页图3312归1电路图4数字钟的焊接及注意事项41焊接元件清单1主板元件清单2扩展板元件清单序号名称型号数量个8D锁存器74LS2733同或门74LS26654输入2与门74LS214芯片座20P314P9三极管90132序号名称型号数量个复位开关1自锁开关1喇叭1音乐片1灰排线20P电路板1徐海学院2011届电子技术综合设计报告第12页42实际焊接的印刷电路板元件分布图43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。正正正正徐海学院2011届电子技术综合设计报告第13页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。11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）。12扩展板与主板用排线相连，扩展板上的各连接线要求走水平或垂直且直角。徐海学院2011届电子技术综合设计报告第14页5系统软、硬件调试51系统软件调试过程中遇到的问题以及排查经过在进行通电试验时，数字钟出现了第三个译码管出现到80清零的错误，根据原理图我想到应该是控制秒的计时电路出现了问题，于是我用万用表对着板子上的走线进行一条条的排查，后来确认是一个点出现了焊盘松动掉落的情况。最后我用电阻腿进行了搭接使电路正常工作了。6总结及体会61设计遇到的问题及解决方法在整个设计学习的过程中收获很多，但同时也遇到不少问题。围绕这课程内容做综合性的训练，题目虽出自实际电路，但比较简单，比较定型，一般不是真实的生产、科研任务，基本上是有章可循。所以在大的方向上没有什么问题。这次设计是开始从理论学习轨道引向实际方面。把过去熟悉的定性分析，定量计算方法与工程估算，实验调整等手段结合起来。遇到的问题包括EWB仿真中的问题、PROTEL设计电路中的问题、焊接中问题。62EWB仿真中的问题1使用555芯片时要准确计算电阻和电容大小，以求能得到准确的脉冲2EWB软件中CC4518的功能表与实际功能不相符，具体使用见使用示例。3数码管八个管角与芯片相连时一定要注意高低位的顺序。4校时功能只要做到秒十位即可，精确到秒个位没有意义。徐海学院2011届电子技术综合设计报告第15页5校时功能实现是应添加开关使先计时停止然后再校时。6EWB测试电路时，发现启动后自动生成1，这是软件所存在的漏洞，为了解决这一问题，我们在电路中加入了晶闸管，由于晶闸管内部是有一个PNP和一个NPN构成，利用它的导通特性解决这一问题。63设计总结通过这次对多功能数字电子钟的设计和制作，让我对电路设计的基本步骤更加的了解了，同时我在实物设计的原理与设计理念方面有了全新的认识，要设计一个好的电路首先要进行软件模拟仿真实现，然后通过一系列的改进使之更加精确，最后再根据仿真电路进行实际的电路制作。仿真与实际可能存在差距，这些需要综合考虑芯片的特性及与实际的差异，最后找到最合适的设计方法。通过这次为期两周的学习，我的收获确实很大，特别是在焊接方面，可以说是让我重拾了信心。另外对PROTEL软件的使用也有了巩固。总之，有付出就有收获，细心也很重要，这次设计过程对我来说很重要，为我以后的学习打下了一个好的基础，我会再接再厉，以后的设计作业完成的更好。64对课程设计的建议综合性的大实验对同学的锻炼很好，我们可以将课堂上所学的东西应用到实际中去，加深理论知识的理解和记忆，同时还锻炼了我们的动手能力，希望以后多开这种综合实验。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出版社，19982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）3赵伟军PROTEL99SE教程北京人民邮电出版社,2004（第一版）47544谢自美电子电路设计实验测试武汉华中科技大学出版社,2006年（第三版）8附录81附录1徐海学院2011届电子技术综合设计报告第16页82附录2徐海学院2011届电子技术综合设计报告第17页83附录384附录徐海学院2011届电子技术综合