电子综合设计课程设计多功能数字钟

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1、电子综合设计任务书学生姓名：李志亚 专业年级：电科09-1班 学号：22091129 设计日期：2011年月日至2011年月日设计题目：多功能数字钟设计要求：1主要内容用CC4518双四位BCD同步加数器设计60秒、60分、24小时归零计时电路；用CC4511 七段译码驱动/锁存器及LG5011AH共阴极数码管设计译码及显示电路（数码管需加限流电阻）用脉冲开关设计校准功能用555构成多谢震荡器，实现（f=1HZ）秒脉冲信号发生器2整体电路原理图 60秒（60分）及24小时计数、编码、译码、显示（4路） 用8K纸复印纸手工画3EWB仿真图 60秒（60分）及24小时计数、译码、显示（6路）计算机

2、打印4设计原理图 用protel99设计原理图并打印5设计PCB版图 用protel99设计PCB板图并打印6扩展功能要求 设计整点报时功能 12小时归1电路摘要主要技术路线：用自己所学的数电知识，利用4518计数器生成出60和24进制的计数器然后利用4511解译码器进行EWB输出仿真；利用所生成的EWB原理图在protel软件中生成PCB电路板，最后生成板自己动手焊接，完成制作。系统设计特点：该数字钟利用了D触发器和与门的结合解决了初始状态下低位不是0的情况，并且利用了“555振荡器”代替了一般的晶体震荡管。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

3、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1目 录1 设计说明书 1.1技术指标.5 1.1.1基本功能.5 1.1.2扩展功能.5 1.1.3提高功能.5 1.2功能要求. .5 1.2.1主体电路. 5 1.2.2扩展电路.6 1.3器件要求.62 设计步骤 2.1方案确定.7 2.2秒脉冲发生器.7 2.2.1 555构成多谐震荡器.7 2.2.2 555构成多谐震荡器电路图.8 2.3秒、分、小时计数电路.8 2.3.1 cc4518

4、功能介绍.8 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.10 2.4.3 60进制技术、译码、显示单元电路.11 2.2.4 24进制技术、译码、显示单元电路.12 2.5校时电路.12 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 2.6.3 12归一电路.142.7焊接板电路分析.14 2.7.1石英晶体振荡器.14 2.7.2晶振构成秒信号发生器.15 2.7.3 二极管与门工作原理.15 2.7.4发光二极管工作原理.162.

5、7.5整流桥部分原理.16 2.8电路原件清单.18 2.8.1主板元件清单.18 2.7.2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.193.2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.19参考文献.20附录1.21附录2.22附录3.23附录4.24实验心得.251 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.

6、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 C

7、1=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2.3.2 cc4518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 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。计数器级为D 型触发器。具有内部可交换CP 和EN 线，用于在时钟上升沿或下降

8、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 线为高电平时，计数器清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q3 连接至下一计数器的EN 输入端可实现级联。同时后者的CP输入保持低电平。CC4518 提供了16 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。 根据CC4518管脚排列，如图2.3.1（2），左边管脚控制60进制的高位，逢6清零所以经0110输出经过与门后接MRB端清零，而左边管脚控制的是60的低位，为标准的10进制，所以MRA清零端只需接地即可。图2.3.1（3）24进制计数单元电路图工作原理

9、根据CC4518管脚排列，工作如原理同上，但是又有所不同如图2.3.1（3），如60进制，左边管脚控制24进制的高位，逢2清零，故经0010输出；右边管脚控制24进制的低位，逢10清零，故经1010输出，但同时要24归零所以两端输出经过与门，左端与右端同时输出2和4时，高电平有效，从与门出来分别接到MRA与MRB端清零。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LEBILTDCBAabcdefg001100001111110101100010110000201100101101101301100111111011401101000110011501

10、101011011011601101100011111701101111110000801110001111111901110011110011 cc4511真值表图2.4.1 cc4511管脚图 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。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，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，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，

11、不显示数字。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（2）LG5011AH内部结构图图2.4.2 LG5011AH管脚图 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

12、.4.3 60进制技术、译码、显示单元电路图2.4.3 60进制技术、译码、显示单元电路2.4.4 24进制技术、译码、显示单元电路图2.4.3（2） 24进制计数、译码、显示电路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定时报时电路图工作

13、原理：74LS273是带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，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74LS273的控制端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

14、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焊接板电路分析2.7.1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。2.7.2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

15、分频分出秒脉冲。 分频原理： Q4： 24 = 16 Q14： 214 = 32768/2RC振荡晶体振荡2.7.3. 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

16、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。2.7.4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

17、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。2.7.5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

18、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

19、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。2.7电路元件清单2.7.1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2.7.2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

20、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在焊接的副板的时候，会有很多线把焊接孔堵住，而且完成主板和副版的焊接后，用拍向将其连接后主板数码管的分十位不显示进位。4扬声器焊接完成后不能固定。3.2问题记录、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

21、有可能是自己做的封装没有导入library库里，也可能是library库里面的封装没有导出应用，也可能是软件自身问题DIP-X中间的连字符的取舍问题。3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。4 在焊接前应该用两根废旧电阻腿焊在扬声器的另外一端保持固定。3.3说明排除方法和效果 1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，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“

22、1”。图3.3校正后的电路图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这个文件，将此文件导入后重新update PCB即可。3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

23、持焊接点整洁问题得到解决。4在焊接前应该用两根废旧电阻腿焊在扬声器的另外一端保持固定。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：清华大学附录1数字钟电路原理图附录2数字钟电路Protel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 该门的课程使得我们了解了什么是数字钟，数字钟是什么工作原理，在理解的基础后，我们扩展了数字钟，这是把我们理论的东西运用到实践环节之中，而类似的实验给我们提供了很大的锻炼平台，在做这篇论文是通过介绍它的工作原理使我们理解的更加透彻，就如我们拿到一个产品时首先阅读说明书一样，我们的论文也是基于这个层面，不仅仅是让制作者本人了解的同时也要让使用者明白它是怎么回事。我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。