电子技术综合设计-多功能数字钟

徐海学院电子技术综合设计 第 27页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： 2010年 12月12日至12月26日 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 学号 设计日期：2010 年 12月12日 至2010年 12月26日设计专题： 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PROTEL99设计原理图5. 设计PCB版图用PROTEL99设计PCB板图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：主要技术路线：用自己所学的数电知识，利用4518编码器生成出60和24进制的计数器,然后利用4511解码器进行EWB输出仿真；利用所设计的EWB原理图在protel软件中生成PCB电路板，最后生成电路板动手焊接，完成制作。系统设计特点：该电子钟利用了D触发器和与门的结合解决了初始状态下地位不是0的情况，并且利用了“555振荡器”代替了一般的晶振。最终实现的功能； 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 扩展功能 定点报时 闹时控制 仿广播电台整点报时 自动报整点时 提高功能 小时的计数要求为“12归1”关键词：24进制 60进制 CC4518 CC4511 12归一 目 录1 设计说明书 1.1技术指标.6 1.1.1基本功能.6 1.1.2扩展功能.6 1.1.3提高功能.6 1.2功能要求. .6 1.2.1主体电路.6 1.2.2扩展电路.7 1.3器件要求.72 设计步骤 2.1方案确定.7 2.2秒脉冲发生器.8 2.2.1 555构成多谐震荡器.8 2.2.2 555构成多谐震荡器电路图.9 2.3秒、分、小时计数电路.9 2.3.1 cc4518功能介绍.9 2.3.2 cc4518构成60、24进制计数单元电路原理.9 2.4译码、显示电路.10 2.4.1 cc4511功能介绍.10 2.4.2 LG5011AH共阴数码管.11 2.4.3 60进制技术、译码、显示单元电路.12 2.2.4 24进制技术、译码、显示单元电路.12 2.5校时电路.13 2.6扩展功能.13 2.6.1闹时功能.13 2.6.2定时报时电路.13 2.7系统整体仿真图.14 2.7.1设计原理图.14 2.7.2设计PCB版图.14 2.7.3整体原理电路图.14 2.8焊接板电路分析.142.8.1石英晶体振荡器.142.8.2晶振构成秒脉冲发生器.152.8.3二极管与门工作原理.162.8.4发光二极管工作原理.162.8.5整流桥部分工作原理.172.9电路原件清单.18 2.9.1主板元件清单.18 2.9.2副版元件清单.183 焊接与调试.19 3.1系统软件仿真、硬件安装、调试遇到的问题.19 3.2记录问题现象、分析存在的原因.19 3.3说明排除方法和效果.194 实验总结.20 参考文献.20 附录.21实验心得.261 设计说明书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功能要求1.2.1主体电路图1.2.1 主体电路思想1.2.2扩展电路图1.2.2（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钟的分频电路中。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 设计步骤2.1方案确定图2.1方案确定思想构架2.2秒脉冲发生器2.2.1 555构成的多谐震荡器 555芯片介绍1 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值） 7放电 8 Vcc2.2.2 555构成多谐震荡器电路图 参数计算：f=1HZ R1=285K R2=500K C1=0.01F C2=1F tw1= Tw2= T=1s 图2.2.2多谐震荡电路2.3秒、分、小时计数电路2.3.1 CC4518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4518真值表CLENR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2.3.1 CC4518管脚图 2.3.2CC4518构成60、24进制计数单元电路原理图2.3.1（2）60进制计数单元电路图工作原理根据4518的功能表，当CP0处于上升沿、CP1A处于0时和清零端MRA处于0时，4518能正常从零开始计数。当低位向高位进位时，低位向高位的进位脉冲，用03A的下降沿接CP1B端，同时用有2个管脚与门连接00A、03A，输出端接CP0B端，这样当低位到9时，能自动向高位进1。当计数器到59时，用有2个管脚的与门连接高位的01B和02B为下一个4518提供脉冲，同时把输出端接清零端MRA，使得4518计数到59自动清零，从而使下一个输出为00。图2.3.1（3）24进制计数单元电路图工作原理根据4518的功能表，当CP0处于上升沿、CP1A处于0时和清零端MRA处于0时，4518能正常从零开始计数。当低位向高位进位时，低位向高位的进位脉冲，用03A的下降沿接CP1B端，同时用有2个管脚与门连接00A、03A，输出端接CP0B端，这样当低位到9时，能自动向高位进1。当计数器到24时，用有3个管脚的与门连接低位的00A、02A和高位的01B，输出端接清零端MRA，使得4518计数到24自动清零，从而使下一个输出为00.2.4译码、显示电路2.4.1 cc4511功能介绍CC4511实现译码显示输 入输 出LEBILTDCBAabcdefg001100001111110101100010110000201100101101101301100111111011401101000110011501101011011011601101100011111701101111110000801110001111111901110011110011 cc4511真值表 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。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 图2.4.1 cc4511管脚图 处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，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。2.4.2 LG5011AH共阴数码管 该共阴极数码管和CC4511相连，相对应的a b c d e f g连在一起，而8管脚不连，3管脚接地。 图2.4.2 LG5011AH管脚图 图2.4.2（2）LG5011AH内部结构图 图2.4.2（2）表示出了LG5011AH内部结构图由8个二极管所连接，AG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 2.4.3 60进制技术、译码、显示单元电路 图2.4.3 60进制计数、译码、显示单元电路2.4.4 24进制计数、译码、显示单元电路 图2.4.3（2） 24进制计数、译码、显示单元电路2.5校时电路S1S2功能11计数10校分01校时校时脉冲功能1HZ快校时单次脉冲慢校时图2.5校时电路2.6扩展功能2.6.1闹时功能 图2.6.1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)=12.6.2定时报时电路图2.6.2定时报时原理图工作原理：74LS273是一种带清除功能的D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q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。2.7系统整体仿真图 2.7.1设计原理图（见附一） 2.7.2设计PCB版图（见附二）2.7.3整体原理电路图（见附三）2.8焊接板电路分析2.8.1石英晶体振荡器选用32768Hz的晶振构成振荡电路晶体振荡管的工作原理：图2.7.1晶体振荡管的工作原理VCX由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成,通过控制变容二极管的电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。2.8.2晶振构成秒信号发生器 32768Hz晶振构成秒信号发生器，先经过CD4060的14级分频分出2Hz， 再经过CD4040的2分频分出秒脉冲。 分频原理： Q4： 24 = 16 Q14： 214 = 32768/2RC振荡晶体振荡2.8.3. 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2.7.3二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。2.8.4发光二极管工作原理 发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。2.8.5整流桥部分工作原理如下图所示 单相桥式整流电路如图1（a）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。 图2.7.5桥式整流原理图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1（a）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1（a）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。2.9电路元件清单2.9.1主板电路清单 序号名称型号数量序号名称参数数量1集成芯片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2.9.2扩展板电路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13 焊接与调试3.1系统软件仿真、硬件安装、调试遇到的问题1、原来我是和同学用的同一种方法，所以在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portal中进行电气检查的时候，发现自己线路中又有许多断点3、在生成PCB板的时候会产生封装错误4、由于副板要焊接的元件太多，所以线路很密，会有很多线把焊接孔堵住，而且完成主板和副版的焊接后，用排线将其连接后主板数码管的分十位不显示进位。3.2记录问题现象、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。可以用晶闸管和D触发器的延迟作用进行校正，但我是并不是用这两种方法，而是从芯片本身的连接上上来解决这个问题。2、 有些是元件不用的管脚应该要标记，以便让软件知道，还有一些是因为自己连线的时候没有连好。3、生成PCB板时产生的封装错误一、自己填写封装时填的就是错误的。二、可能是自己做的封装没有导入library库里。三、library库里面的封装没有导出应用。四、也可能是软件自身问题DIP-X中间的连字符的取舍问题。4、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。3.3说明排除方法和效果1、我看了同学们的解决这个问题的方法，他们有用的是利用晶闸管和D触发器。比如利用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，发出高电平，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”。 3.3利用D触发器校正后的电路图 根据4518的功能表，我把脉冲接CL（CP0）,把EN（CP1）接地。当CP0处于上升沿、CP1A处于0时和清零端MRA处于0时，4518就能正常从零开始计数。当低位向高位进位时，低位向高位的进位脉冲，用03A的下降沿接CP1B端，同时用有2个管脚与门连接00A、03A，输出端接CP0B端，这样当低位到9时，能自动向高位进1。当计数器到59时，用有2个管脚的与门连接高位的01B和02B为下一个4518提供脉冲，同时把输出端接清零端MRA，使得4518计数到59自动清零，从而使下一个输出为00.如图3.4仅用芯片解决提前问题的60进制电路图。图3.4 不用触发器或晶闸管的六十进制电路图 2、 根据电气检查的提示的错误信息，把元件应该要标记的一些管脚进行标记，一些线路上的问题，直接进行从连。3、当完成PCB原理图并经过ERC检查无误进行update PCB时，先检查自己是不是填的就是错误的封装，再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这个文件，将此文件导入后重新update PCB即可。4、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实验总结参考文献【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】 孙树朴等.电力电子技术.徐州：中国矿业大学，2003.3附录附录1数字钟电路原理图附录2 数字钟电路Portal设计图附录3系统整体仿真图附录4印刷电路板的元件分布图附录5印刷电路板布线图实验心得 第一次如此的深入的去研究一个课题，通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过EWB和portal这两个软件从最初的电路图的设计到形成自己设计的PCB电路板，虽然每一步都感到有一些吃力，但经过同学们的讨论、老师尽心的辅导和自己的努力，得到了自己平时在课堂和课本上无法获得的知识和经验，并且把以前所学的EWB和portal两个软件整合起来，巩固了以前所学的内容。 在实验设计过程中，有时把一个问题想的简单化了，但在实践时却总是遇到各