电子技术综合设计报告数字钟设计(1)毕业设计1.doc

徐海学院11届电子技术综合设计设计专题： 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 (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 要本次电子技术综合设计实验是对前期所学的“模拟电子技术”和“数字电子技术”知识的综合应用，充分结合了组合电路和时序电路设计多功能数字钟。完成在能够正常进行时、分、秒计数的基础上加入定时和12归1的功能。我们首先从系统方案设计论证开始，先后用ewb完成数字钟的仿真设计，实现了用ne555定时器组成的无稳态电路产生频率为1hz的脉冲，用cc4518计数器实现了24、60进制的计数功能电路，然后用 cc4511译码器与数码管等实现了计数显示；最终结合门电路完成了计数与校准的主板功能。在扩展板部分，有闹钟时间设置、闹钟开/关报时等功能。通过8d锁存器74ls273将所要定时的脉冲信号锁存，当此脉冲到来时，通过同或门74ls266的比较，最终送入与门74ls21，若输入为高电平，打开闹铃功能，否则，闹铃功能为关。然后用altium designer 09根据ewb中已经画好的仿真图进行相应的原理图绘制，在完成封装及检查无误后生成pcb板，完成整个电路硬件方面的设计工作。最后进行硬件的焊接。先焊接具有显示、计时、校时功能的主板，之后焊接具有定点报时的扩展板，最终将主板与扩展板进行连接调试结束本次的电子综合设计实验。 关键词：ne555脉冲 cc4518计数器 cc4511译码器 锁存器 目 录1 数字钟的基本组成及工作原理41.1数字钟的构成41.2 数字钟的工作原理42 数字钟的设计与制作52.1 系统方案选择与论证52.2 设计步骤与方法52.2.1 ne555脉冲电路产生62.2.2 计数器电路82.2.3 译码显示电路102.2.4 校时电路142.2.5 振荡器142.2.6 整流部分电路172.3 数字钟仿真图182.3.1 数字钟电路原理图（见附录7）182.3.2 系统整体仿真图（见附录2）182.3.3 pcb板图183 数字钟的扩展功能193.1 定点报时193.2 12归1204 数字钟的焊接及注意事项214.1 焊接元件清单（见附录1）224.2实际焊接的印刷电路板元件分布图（见附录6）224.3 焊接注意事项225 系统软、硬件调试235.1 系统软件和硬件调试过程中遇到的问题235.2系统软件和硬件调试过程中遇到的问题的分析235.3系统软件和硬件调试过程中遇到的问题的解决236 总结及体会247 参考文献258 附录261 数字钟的基本组成及工作原理为将所学数字电子技术的相关理论与动手实践相结合，本次综合设计独立完成了数字钟一系列设计与焊接工作。与机械式时钟相比，数字钟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。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。为了更加贴近于生活，方便使用。一方面，我们设计了校准电路，解决了当时钟出现错误时，能够对其进行调整完成正常的计数；另一方面，加入了一定的扩展功能，实现了定点报时。数字钟的一般构成框图如下（图1）。 图1 数字钟构成图1.2 数字钟的工作原理1) 秒脉冲信号发生器利用ne555多谐振荡器通过调整参数，完成了f=1hz的秒脉冲信号的产生。2) 时间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,时个位和时十位计数器为24进制计数器。结合cc4518芯片实现计数清零的功能。3) 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,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。4) 校时电源电路当重新接通电源或时钟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。5) 定点报时电路一般时钟都具备着定点报时的电路功能,即当时钟走到所设定的时间时，会自动报时。2 数字钟的设计与制作2.1 系统方案选择与论证 1、脉冲电路选择与论证 方案一：采用rc振荡电路，在通过整形电路产生所需的秒脉冲信号； 方案二：使用计时ic芯片ne555，搭建多谐振荡器产生所需的秒脉冲信号。 由于rc震荡电路不稳定，且不能精确产生所需秒脉冲，而ne555只需简单的电阻器、电容器就可以搭建出所需电路，而且它的计时精确度高，温度稳定度佳，且价格便宜，所以我们采用方案二。 2、计数器电路选择与论证 方案一：采用74ls290十进制异步清零、异步置位芯片； 方案二：采用cc4518十进制异步清零芯片。 由于cc4518是双集成bcd计数，使用它既节约成本又使线路简单，所以我采用cc4518设计计数电路。 3、译码显示电路选择与论证 方案一：采用74ls48四线七段译码器/驱动器； 方案二：采用cc4511 四线七段锁存译码器/驱动器。 由于cc4511是coms 芯片具有低功耗，电压范围宽等优点，所以我采用方案二。2.2 设计步骤与方法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： vcc通过r1、r2向c充电,在电容充电vc ：0vvcc 1/3 之间,vo 输出1。 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。 当vc2vcc /3时，vo由1翻转为0 。t 导通，电容c 经r2、t放电。 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。 当vc降至vcc /3时，使得vo回到 1 ，截止电容，c 再充电。 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第33页图4 ne555多谐振荡器电路图相关参数计算：f=1hz r1=285k r2=500k c1=0.01f c2=1f tw1=0.5495s tw2= 0.35s t=1s多谐振荡器中各参数的计算：电容充电时间tw1=0.7*(r1+r2)*c电容放电时间tw1=0.7*r2*c脉冲周期t=tw1+tw2=0.7*(r1+2r2)*c频率f=1/t=1.43/(r1+2r2)*c占空比q=tw1/t=(r1+r2)/(r1+2r2)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lebiltdcbaabcdefg001100001111110101100010110000201100101101101301100111111011401101000110011501101011011011601101100011111701101111110000801110001111111901110011110011消隐011101000000001111消隐010000000锁存111锁存灯测试01111111功能说明：lg5011是共阴极数码管，所有的数码管的阴极作为公共端，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。2、 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。2.2.5 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。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 10 khz，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1o khz脉冲信号石英晶体振荡器原理图如下图15： 图15 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) 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16 cc4060管脚图 分频原理如下表：表16 cd4060的分频原理q42416q52532q62664q727128q828256q929512q102101024q112112048q122124096q132138192二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17 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d1 d2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。2.2.6 整流部分电路图18 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d1d4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19 单相桥式整流电路波形图2.3 数字钟仿真图2.3.1 数字钟电路原理图（见附录7）2.3.2 系统整体仿真图（见附录2）2.3.3 pcb板图1、数字钟电路protel设计图（见附录3）2、pcb板反面图（见附录4）3、pcb板走线图（见附录5）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。3 数字钟的扩展功能3.1 定点报时1、数字钟定点报时介绍 电路实现原理如下（图15）图20 定点报时原理注：m=1(为上午的信号输出） 2、定点报时实物焊接电路图如下（图21）图16 实物焊接图3.2 12归11、完成12归1电路图如下（图17）方案一方案二图22 cc4518实现12归12、 原理简述方案一原理：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，同时高电平信号经反向后对dff2清零，十位清零。实现12归1的计数。方案二原理：因为cc4518为双计数器，可用cc4518另一个计数器代替方案一中的dff2，原理同方案一。4 数字钟的焊接及注意事项4.1 焊接元件清单（见附录1）4.2实际焊接的印刷电路板元件分布图（见附录6）4.3 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；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（红表笔放在被检测的管脚、黑表笔放在3管脚）11） 显示不正常，首先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），如果正常，接着查数码管及连接的电阻是否接通。 12）如果数码管显示的计数特别快，应该检测晶振是否工作正常，如果正常，检测与其连接的那一个电阻是否导通。5 系统软、硬件调试5.1 系统软件和硬件调试过程中遇到的问题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、 数码管0-9显示不完整（对应的电阻可能有虚焊)。4 、分的计数特别快，就和秒的计数一样。5 、4511译码器在实际硬件电路中与模拟仿真中连接不同（3个使能端）5.2系统软件和硬件调试过程中遇到的问题的分析1 在ewb中的数码管显示问题是由于在上电时，脉冲源会提前一个周期到达，致使数码管初始显示为1而不正常显示为0状态，这是4518软件自身的缺陷造成的，可以用d触发器的延迟作用进行校正。2 生成pcb板时产生的封装错误一方面是自己做的封装没有导入library库里再者是软件自身问题dip-x中间的连字符的取舍问题。3 数码管本身没有问题，与数码管相接的电阻的另一端形成虚焊了，导致没有形成通路4 在检测晶振之后，发现晶振是好的，在检测与晶振相连接的电阻，发现也出现了虚焊问题5 可能是系统软件的问题在焊接过程中，要一定要注意由低到高焊元器件，这样焊起来容易；另外芯片座一定要看清缺口，正确摆放位置，不能着急，应当认真细心。5.3系统软件和硬件调试过程中遇到的问题的解决 1 图23 在电路中，我使用了晶闸管和与门进行消一。在上电瞬间，计数器输出一个下降沿，mrb上就会产生一个由10的过程。1使十位计数器瞬间清零，而0使计数器回到计数状态。在上电瞬间，晶闸管是不导通的。当计到78时（0111-1000），03a=1，晶闸管的控制端接到高电平，因此晶闸管开始导通。当计到910（1001-0000）使，利用03a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。2 当完成pcb原理图并经过erc检查无误进行update pcb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/generic footprint /general ic.ddb的这个文件将此文件导入后重新update pcb即可。 3 重新焊接，在调试，直到功能实现6 总结及体会1、理论方面这次电子技术的综合实验，将我们之前所学习过的模拟电子技术和数字电子技术综合的应用了起来，使我的知识得到了融会贯通，让我从实际中验证了自己课堂