电子技术综合设计报告数字钟设计(2)毕业设计.doc

电子技术综合设计报告数字钟设计(2)毕业设计摘要：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，数字电路原理，集成电路，课程总结,课程设计目 录1 绪论51.1 电子技术综合设计性质51.2 综合设计主要特点51.3 综合设计目的52 数字钟电路的设计72.1 方案图72.2 器件选择7 2.3 技术指标73 数字钟电路设计83.2 秒脉冲发生器设计83.2.1 NE555芯片介绍83.2.2 NE555构成多谐振荡器83.3 秒、分、小时计数电路103.3.1 CC4518双BCD同步加法计数器 103.3.2 用CC4518构成60进制、24进制计数单元电路 113.4 译码显示电路123.4.1 CC4511 7段锁存/译码/驱动器 123.4.2 LC5011-11 LED/7段（共阴极）数码管133.5 校时电路143.6 扩展功能143.6.1 闹时功能143.6.2 定时报时功能154、实验总结164.1 实验中遇到的问题及解决方法164.1.1 EWB仿真中的问题及解决方法164.1.2 PROTEL设计电路中的问题及解决方法 164.1.3 焊接中问题及解决方法164.2 实验体会175、参考文献186、附录196.1 数字钟电路原理图196.2 系统整体仿真图 206.3 数字钟电路Protel设计图216.4 印刷电路板的元件分布图 226.5 印刷电路板的布线图 226.6 元器件清单 236.7 12归1计数电路 24 1 绪论1.1 电子技术综合设计性质 电子技术综合设计是在学完模拟电子技术、数字电子技术课程之后，安排的实践教学环节。使学生能综合运用所学知识，进行实际电子线路的设计、装接、调试等。通过完成一个课题的电路设计、理论计算及实验调试任务，巩固和加深电子技术课程中所学理论知识和实验技能。 在实践中提高分析问题、解决实际问题的能力，为今后的毕业设计、工程实践打下一定基础。1.2 综合设计主要特点 1、不同于平时的习题作习题主要是为了加深对课堂上讲解知识的理解，题目内容涉及面较单一，在给定的理想化的条件下，经过抽象加工后，不难得出标准答案。而电子技术综合设计任务，多是实际的“模拟”或“数字”电路装置，它涉及的知识多而广，没有固定的答案，只能从实际出发，通过调查研究，查询资料，方案比较，设计计算得到比较好的设计方案后，再通过实验调试，使理论设计逐步完善，最后达到实际要求。 2、不同于一般的基础实验基础实验着重点是放在验证基本理论和电路性能上，通过实验只能初步了解电路实验的步骤和基本方法，熟悉常用电子仪器设备的使用方法。而电子技术综合设计，正是为学生创造一个动脑又动手，独立开展电路设计、调试的机会。可以运用实验手段检验理论设计中的问题所在，又可运用学过的知识，指导电路调试工作，使电路更加完善。 3、不同于毕业设计毕业设计是培养工科学生的最后一个教学环节，它要求学生综合运用公共基础课、专业基础课和专业课的知识，去解决工程实际问题；完成工程技术人员必须具有的基本能力的训练；从题目的广泛和深度上，毕业设计比电子技术综合设计要难。 4、电子技术综合设计围绕一门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。着眼点是让学生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。逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施办法。使理论和实际有机结合，真正实现由知识向智能的转化。锻炼分析问题、解决电路实际问题的本领。 1.3 综合设计目的 1、巩固和加深对电子线路基本知识的理解，提高学生综合运用电子技术课程所学知识的能力，使理论和实际有机结合，真正实现由知识向智能的转化。 2、培养学生根据课题需要选学参考书，查阅手册和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析问题、解决问题的能力。 3、通过实际电路的设计方案的分析比较、参数计算、元件选取，安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。 4、掌握常用仪器设备的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。 5、能按设计任务书的要求，编写设计说明书，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。 6、培养严肃认真的工作作风和科学态度，发扬团队精神。2 数字钟电路的设计2.1 方案图图2-1 方案图2.2 器件选择计数电路：用CC4518计数器译码电路：用CC4511译码器显示电路：用LG5011AH共阴数码管秒脉冲信号发生器：用555构成多谐振荡器；选用32768Hz的晶振构成振荡电路，然后经过CD4060的14级分频分出2Hz，再经过CD4040的2分频分出秒脉冲。、2.3 技术指标 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 定时控制（时间自定） 仿广播电台整点报时 触摸报整点时数 自动报整点时数 提高功能 小时的计数要求为“12归1”3 数字钟电路设计3.1 原理框图图3-1 数字钟的原理框图3.2 秒脉冲发生器设计3.2.1 NE555芯片介绍 表3-1 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3-2 555芯片管脚1 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. VCC3.2.2 NE555构成多谐振荡器1、NE555构成多谐振荡器原理图 NE555构成多谐振荡器原理（如图3-3），其中R1、R2和电容C为外接元件。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。图3-3 多谐振荡电路原理图2、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。3、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Vo回到 1 ，T截止，电容C 再充电，进入循环 图3-4 多谐振荡器电路 图3-5 多谐振荡器波形4、参数计算电容C充电时，暂稳态持续时间：电容C放电时，暂稳态持续时间：输出脉冲的周期为：频率为：表3-2 数据的选取及所得结果元件参数结果R1=428.5KR2=500KC1=0.01F C2=1Ftw1=0.65sTw2=0.35sT=1sf=1HZ5、误差计算由以上公式此可知，改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。通过实验得出某一组波形的数据如下：Tw1=370.5, tw2=249.0, T = 619.5, f = 1.605U0 = 2.44V Uc = 2V R1 = 1.25 = 0.1V = 1V R2 = 2.36 由周期公式计算理论周期和频率：已知：C=0.15UF R1=1.25 R2=2.36 =379.1 =247.8 =626.9 =1.595KHZ得出实验频率的相对误差： 100%=0.6 %3.3 秒、分、小时计数电路 表3-3 4518芯片功能表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=03.3.1 CC4518双BCD同步加法计数器芯片功能介绍： 图3-6 CC4518管脚图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C3.3.2 用CC4518构成60进制、24进制计数单元电路60进制计数电路：图3-7 用CC4518构成60进制计数电路24进制计数电路：图3-8 用CC4518构成24进制计数电路CPQ4Q1000001000120010300114010050101601107011181000910013、工作原理 CC4518为异步清零工作方式，所以在60清零，59显示。左边为十位计数，右边为个位计数，当个位计数器计到9下个脉冲来时，1001变为0000，Q4由0变1，产生下降沿使个位清零并向十位进1，当十位计到6时，既0110，Q3Q2为11，Q3Q相与后为1 接清零端让十位个位同时清零，循环置数。 同理，对于24进制的接法，只需将清零信号改为十位的2（即0010）的Q1与上个位的4（即0100）的Q2用来产生清零信号实现24进制（显示到23）。而个位向十位提供下降沿工作脉冲方式同60进制。 综合起来，我们只需将秒计数位置的59（01011001）的1相与产生高位脉冲，当60清零原相与位相与结果为0。由此产生1变0，提供分计数个位的工作脉冲（即下降沿脉冲）。而时计数所需的工作脉冲只需由分计数的十位为6清零时提供的下降沿脉冲即可。6为（0110），Q2Q1相与为1，提供高位脉冲，清零后相与结果为0，即提供了1变0的下降沿工作脉冲。由于芯片内部工作问题，此种设计仅实现了一般的24-60-60计时电路。但初态为11的问题仍旧是个缺陷，后续我们晶闸管的引入为我们的电路设计提供了解决初态为11的缺陷。使电路成功实现了初始状态为零态的时钟电路。3.4 译码显示电路3.4.1 CC4511 7段锁存/译码/驱动器1、CC4511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。图3-9 4511管脚图 表3-4 4511功能表2、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。3.4.2 LC5011-11 LED/7段（共阴极）数码管1、LC5011-11 LED/7段（共阴极）数码管管脚图及其内部电路图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3-10 LG5011AH管脚图 图3-11 LG5011AH共阴极接法电路图2、译码/显示电路及原理表3-5 5011功能表图3-12 译码/显示电路译码/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（UagU2v）I =10译码/显示电路原理:译码和数码显示电路是将数字钟和计时状态直观清晰地反映出来，被人们的视觉器官所接受。显示器件选用LED七段数码管。在译码显示电路输出的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。3.5 校时电路当数字钟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。图2-9为校时、校分电路。其中为校分用的控制开关，为校时用的控制开关，他们的控制功能如表2-1所示。校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当或分别为“0”时可以进行“快校时”。如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供，则可以进行“慢校时”。 表3-6 功能表 图3-13 校时电路原理图3.6 扩展功能3.6.1 闹时功能工作原理：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（时个位） 0101（分十位） 1001（分个位）闹时控制信号 图3-14 闹时功能电路3.6.2 定时报时功能工作原理：74LS273是带有清楚端的8D触发器，只有在清除端保持高电平，才具有锁存的功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。CPU的ALE信号必须经过反相器反相之后才能与74LS制端CLK端相连。74LS273是一种带清除功能的8D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273的控非门，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。图3-15 定时报时电路4 实验总结多功能数字钟采用由门电路或555定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号源，有了时间标准“秒”信号后，就可以根据“60秒为1分”、“60分为1小时”、“24小时为1天”的计数周期，分别组成。将这些计数器适当连接，就可以实现“秒”、“分”、“时”的计时功能。同时要将“秒”、“分”、“时”的状态显示成清晰的数字符号，就需要将计数器的状态经译码器进行译码，并通过显示器将其显示出来，这实际上构成了数字钟电路中“秒”、“分”、“时”的三个计数译码显示电路。在我们所制作的数字钟电路中，两个六十进制（秒、分）、一个二十四进制（时）的计数器均采用“集成十进制计数器CC4518”构成。4.1 实验中遇到的问题及解决方法4.1.1 EWB仿真中的问题及解决方法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2.EWB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.校时功能实现是应添加开关使先计时停止然后再校时。4.EWB测试电路时，发现启动后自动生成1，即数码管初始不显示0状态，而是从1开始。这是软件所存在的漏洞，为了解决这一问题，我们在电路中加入晶匣管，由于晶匣管内部是有一个PNP和一个NPN构成，利用它的导通特性解决这一问题。方法二：系统消1法原理：利用D触发器或门的串联，当秒脉冲信号进入D触发器时，D端接搞电平，Q端发出电平，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”。如下图所示：4.1.2 PROTEL设计电路中的问题及解决方法1.在画元件图和封装的时候要注意尺寸的大小。2. 在pcb封装库内的管脚和实际的不同，需要修改库文件才能通过检验。 4.1.3 焊接中问题及解决方法1. 焊接过程中注意控制焊点的大小，焊锡不宜太多，也不宜太少。严禁出现虚焊漏焊的现象。焊枪不宜在PCB板上停留时间过久，以免温度过高，烫掉焊盘和烫坏器件。在焊接过程中，主板的芯片在焊接时全部忘记了先焊接芯片底座，将芯片全部直接焊接。这样做很有可能将芯片烧坏，无法正常使用而无法达到与其功能。计时板验收时，主板无法正常计数，经试验实老师指导修改，改正了两处芯片错接点和一处虚焊点后成功完成时钟任务。2.焊扩展板时尽量少飞线。3.焊扩展板时线要压紧板面，尽量使导线走直角，做到美观漂亮。4.2 实验体会本次数字钟设计制作与调试过程中，让我更加清楚了设计电路的程序，懂得了数字钟的原理与基本的设计理念。在整过过程中让我学到了很多，特别在PCB布线和设计部分，我们调整元件排布无数次，让我明白了这是一个细心的工程，要相当好的耐心和细心。这次实习的主要任务是原理设计、印制电路板、元件安装、电路焊接以及结果调试。在电路焊接以及结果调试过程中，由于电路焊接有过几次实习，懂得基本的操作方法，操作起来比较轻松，但最后整个电路板的焊得还是不够好。还有在调试过程中遇到了不少问题，在老师的帮助下，终于得到了预期的结果。 在这次实验中，我了解了学习的重要性和细心探索认真做事的意义。最后特感谢毕老师在整个课题设计中给予我们细致的讲解和耐心的指导，同时也感谢实验室其他老师在电路设计和电板焊接期间所给予我的帮助。老师的耐心和用心，我的努力让我最终能够达到预期实验目标。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。【2】何荣超.数字电子技术基础.北京：北京工业大学出版社。【3】张瑞.数字电路与逻辑设计.北京：高等教育出版社。【4】康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社。6 附录6.1 数字钟电路原理图6.2 系统整体仿真图6.3 数字钟电路Protel设计图6.4 印刷电路板的元件分布图6.5 印刷电路板的布线图4AQ6.6 元器件清单 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。如下图所示：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；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）。6.7 12归1计数电路数字钟实现12归1计数功能工作原理：异步置0实现十二进制计数器：在计数器的状态为十二时输出一个复位信号，使计数器复位归0；同步置0实现实现十二进制计数器：在计数器的状态为十一时输出一个允许输入（ET）信号，将D0-D3全为0的数送到计数器中并输出。 12归1计数电路仿真图如图6-2所示图6-2 12归1计数电路仿真图