多功能數(shù)字鐘設(shè)計論文

1、中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院電子技術(shù)綜合設(shè)計姓 名：學(xué)號：專 業(yè)：題 目 多功能數(shù)字鐘專 題：電子技術(shù)綜合設(shè)計設(shè)計地點：電工電子實驗室設(shè)計日期： 2013 年11月11日至12月26日成績： 指導(dǎo)教師：年月電子技術(shù)綜合設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)年級學(xué)號設(shè)計日期：2013年11月11日至 2013年 12月26日設(shè)計專題：電子技術(shù)綜合設(shè)計設(shè)計題目：多功能數(shù)字鐘設(shè)計內(nèi)容和要求：1. 主要內(nèi)容： 用CC4518雙四位BCD同步加計數(shù)器設(shè)計60秒、60分、24小時歸0 的計數(shù)電路 用CC4511七段譯碼驅(qū)動/鎖存器及LG5011AH共陰數(shù)碼管設(shè)計譯碼及顯示電路（數(shù)碼管需加限流電阻） 用555設(shè)計CP脈沖源（f=1

2、KH） 具有系統(tǒng)校準(zhǔn)功能2. 整體電路原理圖60秒、60分、24小時-計數(shù)、譯碼、顯示電路3. EWB仿真圖60秒、60分、24小時-計數(shù)、譯碼、顯示電路4. 設(shè)計原理圖用PROTEL99設(shè)計原理圖5. 設(shè)計PCB版圖用PROTEL99設(shè)計PCB板圖6. 功能擴(kuò)展要求設(shè)計：定點報時功能12小時歸1計數(shù)電路指導(dǎo)教師簽字： 年月日摘要:本次課程設(shè)計為多功能數(shù)字電子鐘，主要由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼顯示、報 時等電路組成。其目的是為我們更好的掌握硬件電路組成的應(yīng)用知識，有助于提高我們的 動能力，同時加深對知識的了解， 也是為我們的畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)， 加強(qiáng)知識的綜合應(yīng)用。主板部分，是以 4518計

3、數(shù)器生成出 60和 24進(jìn)制的計數(shù)器然后利用 4511解譯碼器將 數(shù)字顯示在數(shù)碼管上， 進(jìn)而設(shè)計了一款簡易數(shù)字時鐘。 該時鐘系統(tǒng)主要計數(shù)、 編碼、譯碼、 顯示等四路模塊組成。并通過用 555構(gòu)成多謝震蕩器，實現(xiàn)（f=1HZ）秒脈沖信號發(fā)生器， 能夠較準(zhǔn)確顯示時間 （顯示格式為時時： 分分：秒秒， 24 小時制） ，可隨時進(jìn)行時間調(diào)整。 同時利用了 D觸發(fā)器和與門的結(jié)合解決了初始狀態(tài)下低位不是 0的情況。通過這一個階段的對知識點的了解更加明確，同時也明確一些理論知識的用處，在這 個過程中需要多方面的知識，還需要大量的查閱資料，再把自己的所學(xué)知識綜合應(yīng)用，這 樣才能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。關(guān)鍵字： 數(shù)字鐘

4、；計數(shù)器；譯碼器；數(shù)碼管顯示； 555 定時器目錄1 數(shù)字鐘電路的設(shè)計 41.1 數(shù)字鐘設(shè)計方案圖 41.2 技術(shù)指標(biāo) 41.2.1 基本功能 41.2.2 擴(kuò)展功能 41.2.3 提高功能 41.3 器件選擇 42 數(shù)字鐘電路設(shè)計 52.1 原理框圖 52.2 秒脈沖發(fā)生器設(shè)計 52.2.1 NE555 芯片介紹 52.2.2 NE555 構(gòu)成多諧振蕩器 52.3 秒、分、小時計數(shù)電路 72.3.1 CC4518 雙BCD同步加法計數(shù)器 7232 用CC4518構(gòu)成60進(jìn)制、24進(jìn)制計數(shù)單元電路 72.4 譯碼顯示電路 82.4.1 CC4511 7 段鎖存/譯碼/ 驅(qū)動器 82.4.2 L

5、C5011-11 LED/7段（共陰極）數(shù)碼管 92.5 校時電路 102.6 擴(kuò)展功能 112.6.1 鬧時功能 112.6.2 定時報時功能 12圖 2-15 定時報時電路 123 實驗中遇到的問題及解決方法 123.1 EWB 仿真中的問題及解決方法 123.3 焊接中問題及解決方法 134 電路元件清單 134.1 主板電路清單 134.2 擴(kuò)展板電路清單 145 實驗總結(jié) 146 參考文獻(xiàn) 147 附錄 157.1數(shù)字鐘電路原理圖 157.3 數(shù)字鐘電路 Protel設(shè)計圖 187.4 印刷電路板的元件分布圖 197.5 印刷電路板的布線圖 197.6 12 歸 1 計數(shù)電路仿真圖

6、201數(shù)字鐘電路的設(shè)計1.1數(shù)字鐘設(shè)計方案圖圖1-1數(shù)字鐘設(shè)計方案圖1.2技術(shù)指標(biāo)1.2.1基本功能實現(xiàn)60秒、60分、24小時的計數(shù)、譯碼、顯示; 具有校準(zhǔn)功能；自帶秒脈沖信號發(fā)生器1.2.2擴(kuò)展功能定時控制（時間自定） 仿廣播電臺整點報時觸摸報整點時數(shù)自動報整點時數(shù)1.2.3提高功能小時的計數(shù)要求為“12歸1”1.3器件選擇計數(shù)電路：用CC4518計數(shù)器譯碼電路：用CC4511譯碼器顯示電路：用LG5011AH共陰數(shù)碼管秒脈沖信號發(fā)生器：用555構(gòu)成多諧振蕩器；選用32768Hz的晶振構(gòu)成振蕩電路, 然后經(jīng)過CD4060的14級分頻分出2Hz,再經(jīng)過CD4040的2分頻分出秒脈沖。2數(shù)字鐘

7、電路設(shè)計2.1原理框圖對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間 （如 北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的 1HZ時間信號必須做到準(zhǔn) 確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。下圖所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。圖2-1數(shù)字鐘的原理框圖2.2秒脈沖發(fā)生器設(shè)計2.2.1 NE555芯片介紹8 .7 i6 |5mTH:. -5 6 7 8 地 _wr 12 3 4符號功能符號功能TR低觸發(fā)端TH閥值端OUT輸出D放電端R復(fù)位Vcc控制電壓表2-1引出端功能符號說明圖2-2 NE555管腳圖2.2.2 NE555構(gòu)成多諧振蕩器1、NE555構(gòu)成多諧

8、振蕩器原理圖NE555構(gòu)成多諧振蕩器原理（如圖3-3），其中Ri、R和電容C為外接元件。多諧 振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ?式的電能。圖2-3多諧振蕩電路原理圖2、多諧振蕩器的特點（1）不需外觸發(fā)的自激振蕩器；（2）無穩(wěn)定狀態(tài)，均為暫穩(wěn)態(tài)；（3）矩形波中含有豐富的高次諧波，習(xí)慣稱多諧振蕩器。3、工作原理（1）Vcc通過R1、R2向C充電，在VC沒有充電到2VCC/3之前,Vo保持1不變。（2） 當(dāng)VO2VCC /3時Vo由1翻轉(zhuǎn)為0。 T導(dǎo)通，電容 C經(jīng)R2 T放電。（3）當(dāng)Vc降至VCC /3時，使得-Vo回到1 ，一T截止，一電容C再充電，進(jìn)入

9、循環(huán)R23. 3K門nClOr lm圖2-4R12 電（73?ct/3s47iaJ251CZO. 01 uf振蕩器電路4、參數(shù)計算電容C充電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間:t w10.7R1切R2圖2-5多諧振蕩器波形電容C放電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間：t w 20.7R2 C輸出脈沖的周期為：頻率為：Ttw1tw20.7 R2R2 C表2-2數(shù)據(jù)的選取及所得結(jié)果元件參數(shù)結(jié)果R仁428.5KQtw仁0.65sR2=500Tw2=0.35sC1=0.01 卩 FT=1sC2=1卩 Ff=1HZ2.3秒、分、小時計數(shù)電路2.3.1 CC4518雙BCD同步加法計數(shù)器 芯片及芯片功能介紹：Vec RBQ2BQ1BEN

10、BCLB冋冋冋冋 FTIFTIFTim)CC-1518LJLJLzILiJLJLjJLJIjJCLAENAQIA QHA Q3AQ4A KA GND圖 2-6CC4518 管腳圖f TCC4518為雙BCE加計數(shù)器，該器件由兩個 相同的同步4級計數(shù)器組成。計數(shù)器為 D觸發(fā) 器。具有內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在始終 上升沿或下降沿加計數(shù)。在單個單元運算中， EN輸入保持高電平，且在 CP上升沿進(jìn)位。CR 為高電平時，計數(shù)清零。計數(shù)器在脈動模式可級聯(lián)，通過將Q3鏈接 至下一計數(shù)器的EN輸入端實現(xiàn)級聯(lián)。同時后者的CLENR功能(CP0)(CP1)T10加計數(shù)00加計數(shù)X0不變XT0不變T00不變1

11、0不變XX1QA Q0=0表2-3 4518芯片功能表CP輸入保持低電平2.3.2用CC4518構(gòu)成60進(jìn)制、24進(jìn)制計數(shù)單元電路60進(jìn)制計數(shù)電路：-4E10圖2-7 用CC4518構(gòu)成60進(jìn)制計數(shù)電路24進(jìn)制計數(shù)電路:圖2-8 用CC4518構(gòu)成24進(jìn)制計數(shù)電路3、工作原理24進(jìn)制計數(shù)電路工作原理與60進(jìn)制計數(shù)電路工作原理基本思想相同都是利用 CLK端 接低電平時EN端為下降沿加計數(shù)。個位向十位的進(jìn)位脈沖，利用 Q3的下降沿，接EN端。 每當(dāng)個位計滿1001B后就使高片計1完成計數(shù)。不同之處在于此電路是計數(shù)到24。此時的清零工作分別要牽扯到十位和個位(00100100)利用個位的Q2和十位的

12、Q1經(jīng)過一個與門同時對兩片 CC4518芯片同時清零。完成 24進(jìn)制的計數(shù)。2.4譯碼顯示電路2.4.1 CC4511 7段鎖存/譯碼/驅(qū)動器Vcc f g a b c d e 岡詞Finn ej冋回)CC4511LJlJLIliJLJbJLLlIiB C LI BI1E D A GNI1、CC4511功能介紹CC4511是BCD-7段所存譯碼驅(qū)動器，在統(tǒng)一單片結(jié)構(gòu) 上由COMO邏輯器件NPN雙極型晶體管構(gòu)成。這些器件的 組合，使CC4511具有底靜態(tài)耗散和高抗干擾及原電源電 流高達(dá)25mA的性能。由此可直接驅(qū)動 LED及其它器件。 LT,BI,LE端分別檢測顯示。亮度調(diào)節(jié)，存儲或選通一 BC

13、D 碼等功能。當(dāng)使用外部多路轉(zhuǎn)換電路時，可多路轉(zhuǎn)換和顯 示幾種不同的信號。2、功能說明(1) 燈測試功能：LT可檢查七段顯示器各字段是否能正常發(fā)光。當(dāng)LT = 0時，不論Q -Q狀態(tài)如何，七段全顯示，以檢查各字段的好壞。(2) 消隱功能：當(dāng)_BI=0時，輸出a b都為低電平，各字段熄滅。(3) 數(shù)碼顯示：當(dāng)BI=1 LT=1 LE=0，譯碼器工作，當(dāng)Q 3Q2Q1Q 0端輸入8421BCD碼時， 譯碼器對應(yīng)的輸出端輸出高電平1,數(shù)碼顯示相應(yīng)的數(shù)字。(4) 鎖存：在LE從“0”轉(zhuǎn)換到“ T時，輸出顯示由輸入的BCD碼決定。109 8 76表2-4 4511功能表I-A.I242 LC5011-1

14、1 LED/7 段（共陰極）數(shù)碼管1、LC5011-11 LED/7段（共陰極）數(shù)碼管管腳圖及其內(nèi)部電路圖LG5011是共陰極數(shù)碼管，所有的數(shù)碼管的陰極作為公共端，并一起接地。當(dāng)給相應(yīng)管腳高 電平是該段管被點亮，從而顯示不同的數(shù)值。圖2-11 LG5011AH共陰極接法電路圖圖2-10 LG5011AH管腳圖2、譯碼/顯示電路及原理譯碼/顯示電路原理：譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘和計時狀態(tài)直觀清晰地反映出來，被人們的視覺器官 所接受。顯示器件選用LED七段數(shù)碼管。在譯碼顯示電路輸出的驅(qū)動下，顯示出清晰、直 觀的數(shù)字符號。本設(shè)計所選用的是半導(dǎo)體數(shù)碼管，是用發(fā)光二極管（簡稱LED組成的字形來顯示數(shù)

15、字，七個條形發(fā)光二極管排列成七段組合字形，便構(gòu)成了半導(dǎo)體數(shù)碼管。半導(dǎo) 體數(shù)碼管有共陽極和共陰極兩種類型。共陽極數(shù)碼管的七個發(fā)光二極管的陽極接在一起， 而七個陰極則是獨立的。共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管相反，七個發(fā)光二極管的陰極接在 一起，而陽極是獨立的。當(dāng)共陽極數(shù)碼管的某一陰極接低電平時，相應(yīng)的二極管發(fā)光，可 根據(jù)字形使某幾段二極管發(fā)光，所以共陽極數(shù)碼管需要輸出低電平有效的譯碼器去驅(qū)動。 共陰極數(shù)碼管則需輸出高電平有效的譯碼器去驅(qū)動。2.5校時電路當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間，校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本 功能。一般電子手表都具有時、分、秒等校時功能。為使電路簡單，這里只進(jìn)行分和

16、小時 的校時。對校時電路的要求是，在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)；在分校正時不影響秒和小 時的正常計數(shù)。校時方式有“快校時”和“慢校時”兩種，“快校時”是，通過開關(guān)控制，使計數(shù)器對1Hz的校時計數(shù)?！奥r”是用手動產(chǎn)生單脈沖作校時脈沖。圖2-13為校時、 校分電路。其中$為校分用的控制開關(guān)，S2為校時用的控制開關(guān)，他們的控制功能如表2-1 所示。校時脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖，當(dāng)s1或s2分別為“0”時可以進(jìn)行“快校時”。 如果校時脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供，則可以進(jìn)行“慢校時”。圖2-13 校時電路原理圖表2-6 功能表至?xí)r個位計數(shù)盎至分個檢1-5V桂時妹沖2.6擴(kuò)展功能2.6.1鬧

17、時功能工作原理：例如：上午7點59分發(fā)出鬧時信號，持續(xù) 鐘的狀態(tài)分別為0111 （時個位）0101 （分十位）K Q2Q1 ? Q2 ? Q2Q0111001SI S2功龍1 11 00 1計數(shù)校分枝時校時脈沖分鐘。7點59（分個位）鬧時控制信號單族脈沖功能分的對應(yīng)的數(shù)字慢校時St時個位彳Q1LQ2Q0 Q2 Q0 Q3 JKHz十2.6.2定時報時功能圖2-14鬧時功能電路vccCCSU7舌號口片JL乂祐1 iED 6D 73 0L4- 1 i QO QI Q2 弊I1eo1D74LS213LH171$347II12S3345d5Q bQ TO EQ IQ 四 3Q 4L 7-ILS2733

18、D 6D 7T Ml It) ED 3B tilEC:I井十蠱rT3D4DS61、10 2Q 40 74LS2T3 SD 7D BD ID 2D 3D 4DTDIDVer *紳十在4T)JL圖2-15定時報時電路工作原理:74LS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平，才具有鎖存的功能， 鎖存控制端為11腳CLK采用上升沿鎖存。CPU的ALE信號必須經(jīng)過反相器反相之后才能 與74LS制端CLK端相連。74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1QH 8Q為數(shù)據(jù)輸出 端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，而 74LS266里面是四個異或273的控非門，266的一端連

19、 著CC4518的輸出管腳，由圖2.6.2可知鬧鐘定時可以精確到秒的十位，其工作原理為當(dāng) 先將時鐘調(diào)制到用戶想要的點數(shù)，然后按下開關(guān)，74LS373會自動鎖存住這一時間，而當(dāng)時鐘下一次運行至這一時間時，三個CC4518會發(fā)出高電平信號，連同的 74LS373也會發(fā)出高電平信號，通過266的與或非門后到達(dá)74LS21,而74LS21中全是與門，則最終輸出 高電平，經(jīng)過三極管進(jìn)行數(shù)模信號轉(zhuǎn)換后到達(dá)揚聲器發(fā)出聲音。3實驗中遇到的問題及解決方法3.1 EWB仿真中的問題及解決方法1. 使用555芯片時要準(zhǔn)確計算電阻和電容大小，以求能得到準(zhǔn)確的脈沖2. EWE軟件中cc4518的功能表與實際功能不相符，

20、具體使用見使用示例。3. 校時功能實現(xiàn)是應(yīng)添加開關(guān)使先計時停止然后再校時。4. EWB測試電路時，發(fā)現(xiàn)啟動后自動生成 1,即數(shù)碼管初始不顯示0狀態(tài)，而是從1開始。 方法：系統(tǒng)消1法原理：利用D觸發(fā)器或門的串聯(lián)，當(dāng)秒脈沖信號進(jìn)入 D觸發(fā)器時，D端接搞電平，Q端發(fā) 出電平，而從D觸發(fā)器出來的信號也是高電平。通過或門，相當(dāng)于不影響 4518清零，則 此時D觸發(fā)器起到一個延遲作用，則會使數(shù)碼管在初始狀態(tài)下顯示是“ 0 ”而非是“ 1”。 如下圖所示：noCOMU Q (T1H2 2R3.2 PROTEL設(shè)計電路中的問題及解決方法1. 在PCB封裝庫內(nèi)的管腳和實際的不同，需要修改庫文件才能通過檢驗2.

21、在畫元件圖和封裝的時候要注意尺寸的大小。3.3焊接中問題及解決方法1. 焊接過程中注意控制焊點的大小，焊錫不宜太多，也不宜太少。嚴(yán)禁出現(xiàn)虛焊漏焊的現(xiàn) 象。2. 焊擴(kuò)展板時盡量少飛線。3. 焊擴(kuò)展板時線要壓緊板面，盡量使導(dǎo)線走直角，做到美觀漂亮4電路元件清單4.1主板電路清單表4-1主板電路兀器件清單序號名稱型號數(shù)量序號名稱參數(shù)數(shù)量1集成芯片451835電解電容1 卩 f/16v1451166電容0.01 卩 F374ALS0027電阻470 Q4274ALS322500KQ174ALS742285KQ12芯片座16P1533KQ13數(shù)碼管LG5011AH68:微動開關(guān)6*6*624脈沖信號源5

22、5519電路板4.2擴(kuò)展板電路清單表4-2擴(kuò)展板電路元器件清單序號名稱型號數(shù)量序號名稱型號數(shù)量18D鎖存器74LS27336復(fù)位開關(guān)12同或門74LS26657:自鎖開關(guān)134輸入2與門74LS2148P電阻470 Q14芯片座20P39灰排線20P15芯片座14P910電路板15實驗總結(jié)多功能數(shù)字鐘采用由門電路或555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器作為時間標(biāo)準(zhǔn)信號源，有 了時間標(biāo)準(zhǔn)“秒”信號后，就可以根據(jù)“ 60秒為1分”、“60分為1小時”、“24小時為1 天”的計數(shù)周期，分別組成。通過譯碼，顯示構(gòu)成了數(shù)字鐘電路中“秒”、“分”、“時”的三個計數(shù)譯碼顯示電路。通過這次對數(shù)字鐘的設(shè)計與制作讓我了解了一個電子器件由設(shè)計到制作的全過程，對 相關(guān)軟件有了更加深入的了解，為以后的學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。在制作數(shù)字鐘的過程中， 培養(yǎng)了我的動手能力，特別是 PCB板設(shè)計和布線的部分，既讓我知道了解到電路板設(shè)計的 過程是個耐心以及細(xì)心的過程，也讓我對電路的