电子技术综合设计报告数字钟设计讲解

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

2、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：多功能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 . 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

3、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。此次课程设计的数字钟由下几部分组成：石英晶体振荡器、分频器、秒脉冲发 生器、校正电路、 60进制的秒、分计时器和 24 进制计时计数器以及秒、分、时的 译码显示部分等。 此次设计与制作数字电子钟的目的是让学生在了解数字钟的原理的前提下，运用刚 刚学过的数电知识设计并制作数字钟， 而且通过数字钟的制作进一步了解各种在制 作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。由于数字电子钟包括组合逻辑 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序电路的原 理与使用方法，从而实现理论与实践相结合。关键词 ：数字钟，

4、数字电路原理，集成电路，课程总结 ,课程设计目录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 22 数字钟的设计与制作 32.1 设计步骤与方法 32.1.1 校时电路 32.1.2 振荡电路 32.1.3 计数器电路 42.1.4 译码显示电路 52.1.5 整点报时电路 72.1.6 秒脉冲发生器 72.2 数字钟仿真图 82.2.1 cc4518 功能 82.2.2 cc4511 功能 92.2.3 数字钟电路原理图 93 数字钟的焊接及注意事项 103.1 焊接元件清单 113.2 焊接注意事项 123.3 安装调试 124 扩展功能 134.1

5、数字钟闹时电路 144.2 仿电台报时电路 144.3 定点报时电路 145 总结及体会 13 参考文献 146 附录 14第1页徐海学院 11 级电子技术综合设计报告1 数字钟的基本组成及工作原理数字钟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。目前 , 数字钟的功 能越来越强 ,并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。从有利于学习的角度考虑 , 这里 主要介绍以中小规模集成电路和 PLD器件设计数字钟的方

6、法。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。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。如图所示为数字钟的一般 构成框图。晶体振荡器电路 晶体振荡器电 路给数字钟提供一个频率稳定准确 32768Hz的方波信号 , 可保证数字钟的 走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电 路。分频器电路 分频器电路将 32768Hz的高频方波信号经 32768() 次分频后得到 1Hz的 方波信号供秒计数器

7、进行计数。分频器实际上也就是计数器。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 , 而根据设计要求 , 时个位和时十位计数器为 12 进制计数器。译码驱动电路 译码驱动电路将计数器输出的 8421BCD码转换为数码管需要的逻辑 状态, 并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。数码管 数码管通常有发光二极管 (LED)数码管和液晶 (LCD)数码管, 本设计提供的 为 LED数码管。1.2 数字钟的工作原理1) 晶体振荡器电路晶体振荡器是构成数字式时

8、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。例如 , 将 32768Hz的振荡信号分频为 1HZ的分频倍数为 32768(), 即实现该分频功徐海学院 11 级电子技术综合设计报告第 2页

9、能的计数器相当于 15 级2 进制计数器。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 , 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

10、 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即可。6) 整点报时电路一般时钟都应具备整点报时电路功能 ,即在时间出现整点前数秒内 , 数字钟会自动报 时,以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波 , 较复杂的也可以是实时语音 提示。第3页徐海学院 11 级电子技术综合设计报告2 数字钟的设计与制作2.1 设计步骤与方法2.1.1 校时电路当重新接通

11、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即可。根据要求，数字钟应具 有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时 信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。校时电路如图所示2.1.2 振荡电路晶体振荡器是构成数字式时钟的核心， 它保证了 时钟的走时准确及稳定。如右图所示。2.1.3 计数器电路时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为进制计 数器计数器，其输出为两位码形式；分计数

12、和秒计数单元为进制计数 器，其输出也为码。秒个位计数单元为进制计数器，无需进制转换，只需将与（下降沿有 效）相连即可。（下降没效）与 Z 秒输入信号相连，可作为向上的进位信 号与十位计数单元的相连。秒十位计数单元为进制计数器，需要进制转换。分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过 分个位计数单元的作为向上的进位信号应与分十位计数单元的相连，分十位计 数单元的作为向上的进位信号应与时个位计数单元的相连。时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应徐海学院 11 级电子技术综合设计报告 第 4页 为进制计数器，不是的整数倍，因此需将个

13、位和十位计数单元合并为一个整体才 能进行进制转换。CC4518双 BCD同步加法计数器（国外同类型号： CD4518、MC4518） 管脚图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功能表: 计数状态表 :60 进制计数电路 :（个位向十位的进位脉冲，需用 Q4的下降沿,接 EN端）CPQ4Q1000001000120010300114010050101601107011181000910011000002.1.4 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，选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

14、要的输出逻辑和一定的电流，选用CC4511作为显示译码电路，选用 LED数码管作为显示单元电路。CC4511 7 段锁存/ 译码/ 驱动器（国外同类型号： CD4511、MC4511）显示输入输出LEBILTDCBAabcdefg001100001111110101100010110000201100101101101301100111111011401101000110011501101011011011601101100011111701101111110000801110001111111901110011110011消隐011101000000001111消隐010000000锁存11

15、1锁存灯测 试01111111第5页管脚图：徐海学院 11 级电子技术综合设计报告功能表：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 Q0 Q3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。LC5011-11 LED/7 段（共阴极

16、）数码管徐海学院 11 级电子技术综合设计报告第6页译码/ 显示电路 :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） I2.1.5 整点报时电路一般时钟都应具备整点报时电路功能， 即在时间出现整 点前数秒内，数字钟会自动报时， 以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。2.1.6 秒脉冲发生器555 构成多谐振荡器（ f=1HZ

17、）555芯片介绍 管脚图：555 构成多谐振荡器电路图（ f=1HZ ）参数计算:徐海学院 11 级电子技术综合设计报告第7页R1=500kohm R2=250kohm C1=1.5uf C2=0.01uf 多谐振荡器的特点：（ 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。 工作原理 :（1）Vcc 通过 R1、R2向 C充电,在 VC 没有充电到 2VCC/3 之前,Vo 保持 1 不变。（2）当 VC2VCC /3时 Vo由 1翻转为 0 。 T 导通，电容 C 经 R2、T放电。（3）当 Vc降至 VCC /3时，使得 V

18、o回到 1 ，T截止，电容 C 再充电，进入循环2.2 数字钟仿真图2.2.1 cc4518 功能CC4518实现计数芯片功能介绍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。管脚图cc4518 功能表第8页徐海学院 11 级电子技术综合设计报告波形图极限参数2.2.2 cc451

19、1 功能芯片功能介绍CC4511 是 BCD-7段所存译码驱动器，在统一单片结构上由 COMO逻S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。管脚图徐海学院“级电子技术综合设计报告功能襲出 t AH H L LH H L LL L H H33射血娜丽面輛RRininiRihlllhhhhHbHL hlihh hlhlhlluH L H HIHH

20、H L hlhlhhlhX xlllhlhX- IL mJ h IE Llhhhhhhh*输出上一 tLE=L时，為一A】的输人状怎.2.2.3数字钟电路原理图徐海学院 11 级电子技术综合设计报告第 10 页第 11 页徐海学院 11 级电子技术综合设计报告3 数字钟的焊接及注意事项3.1 焊接元件清单（见附录）3.2 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

21、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

22、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。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）。3.3 安装调试 在进行整体电路连接之前，应对各部分的电路进行逐一安装和调试。 （一）晶体振荡器的安装和调试 振荡电路输出接发光二极管，观察发光二极管的显示情况。（二）计数器的安装和调试1.按电路连线，输出可接发光二极管。观察在 CP作用下（CP为 1HZ，可由

23、555振荡电 路提供）输出端发光二极管的状态变化情况，验证是否为六十进制计数器。2. 调试过程中要注意以下几个问题：（1）根据 HEF4518的功能表，当触发脉冲由 CP端输入时，EN端应接高电平，此时 CP4、上升沿触发；当触发脉冲由 EN端输入时， CP输入端接底电平，此时 CP下降沿触发。（2）Cr 为异步复位端，高电平有效。当 Cr 为高电平时，计数器复位，正常计数时，应徐海学院 11 级电子技术综合设计报告第 12 页使 Cr=0。（ 三 ） 译码显示电路的安装和调试 按电路在实验板上连线。它是由十进制加法计数器 CC4518，BCD-7段锁存译码 / 驱动 器 CC4511和 LE

24、D七段数码管组成。观察在 CP作用下数码管的显示情况。需要注意的是， CD4511正常工作时， LT =BI 应为 高电平， LE应为底电平。（四）校时电路的安装和调试将 555 电路输出接发光二极管。拨动开关，观察在 CP 1HZ作用下，输出端发光二 极管的显示情况。通过调节 555 电路的微调电位器来进行时钟频率调节 ,以至和北京时间 一致即可。徐海学院 11 级电子技术综合设计报告第 13 页441 数字钟闹时电路、扩展功能4.2 仿电台报时电路第 14 页4.3 定点报时电路徐海学院 11 级电子技术综合设计报告徐海学院 11 级电子技术综合设计报告第 15 页5 总结及体会通过本次的

25、数字钟设计 , 使我掌握了数字钟的制作原理和工作状态，在理论上更进一 步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。在连接六进制 , 十进制, 六十进制的进位及十二进制的接法中 ,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能 , 那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。实践上焊接的水平和速度都有 所提高。但也存在一些失误，在设计电路中 , 往往是先仿真后连接实物图 , 但有时候仿真和 电路连接并不是完全一致的 , 在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接 触不良以及接线的错误所引起的。在仿真过程 EWB 中，可能因为级联时出现问题导致秒进时不准， 只从 01

26、跳到 60，而 不是从 00 跳到 60，所以在仿真时我们讨论了加入触发器的方法改善了这种状况。之后可 能因为线路太过凌乱而导致错误，详细检查后改正，使之正确。在 Protel 制作过程中我们根据自己在 EWB 中设计的图设计，由于线路复杂导致一些 细小的错误，接地出现错误。在 PCB 制作过程中在最后连线时， 由于单面板总是会出现绿线， 因此采取了双面板的 制作，但在实际中浪费了材料。在焊接过程中，经过几天的手工焊接，我们必须要有足够的耐心和恒心才能完成这项 艰巨的任务。在排线前应该考虑这样做会不会出现不必要的线，会引起在焊接过程中不必 要的难度。比如铜丝很容易缠在另外的铜丝上，这样就耽误了

27、进程。由于线路较复杂，采 用飞线连接，在检查电路过程中，很难检查错误。在飞线过程中用不同颜色的线连接，在 检查过程中容易分辨。在最后连接主板后发现不能发出音乐，可能是在焊接过程中部分铜 线出现漏焊徐海学院 11 级电子技术综合设计报告第 16 页参考文献1 艾永乐 付子义. 电子技术课程指导书 ,1999 年2 赵伟军.Protel 99 SE教程. 北京:人民邮电出版社 ,2004（第一版）：47-543 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4 王慧玲 .2003 年. 电工电子实验与实训 . 北京：机械工业出版社 .徐海学院 11 级电

28、子技术综合设计报告第 17 页附录 1 数字钟电路EWB仿真图附录第 18 页徐海学院 11 级电子技术综合设计报告附录 2 数字钟电路 Protel 设计图a1gse2345g3f3a3b3ggggseseseseg4f4a4b4ggggseseseseg5f5a5b5ggggseseseseg5gse0 R31R5R6R7R814R2R23R2R2R2R2R28R2R3RR4704707047047047047047047047047047047047044U1U2U3U4AB CD E F GA B CD E F GA BC DE F GA BC DE F GA BC DE F G4511451145114511g seg seg1 g seg seg seb1gsee1 g see4 g see5 g sec1 g seg2 g seg3 g sec