電子綜合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)多功能數(shù)字鐘

1、 電子綜合設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：李志亞 專業(yè)年級：電科09-1班 學(xué)號：22091129 設(shè)計(jì)日期：2011年月日至2011年月日設(shè)計(jì)題目：多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)要求：1主要內(nèi)容用cc4518雙四位bcd同步加數(shù)器設(shè)計(jì)60秒、60分、24小時(shí)歸零計(jì)時(shí)電路；用cc4511 七段譯碼驅(qū)動(dòng)/鎖存器及l(fā)g5011ah共陰極數(shù)碼管設(shè)計(jì)譯碼及顯示電路（數(shù)碼管需加限流電阻）用脈沖開關(guān)設(shè)計(jì)校準(zhǔn)功能用555構(gòu)成多謝震蕩器，實(shí)現(xiàn)（f=1hz）秒脈沖信號發(fā)生器2整體電路原理圖 60秒（60分）及24小時(shí)計(jì)數(shù)、編碼、譯碼、顯示（4路） 用8k紙復(fù)印紙手工畫3ewb仿真圖 60秒（60分）及24小時(shí)計(jì)數(shù)、譯碼、顯示（6路）計(jì)算

2、機(jī)打印4設(shè)計(jì)原理圖 用protel99設(shè)計(jì)原理圖并打印5設(shè)計(jì)pcb版圖 用protel99設(shè)計(jì)pcb板圖并打印6擴(kuò)展功能要求 設(shè)計(jì)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能 12小時(shí)歸1電路摘要主要技術(shù)路線：用自己所學(xué)的數(shù)電知識，利用4518計(jì)數(shù)器生成出60和24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器然后利用4511解譯碼器進(jìn)行ewb輸出仿真；利用所生成的ewb原理圖在protel軟件中生成pcb電路板，最后生成板自己動(dòng)手焊接，完成制作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：該數(shù)字鐘利用了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，并且利用了“555振蕩器”代替了一般的晶體震蕩管。最終實(shí)現(xiàn)的功能； 基本功能 實(shí)現(xiàn)60秒、60分、24小時(shí)的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示； 具有

3、校準(zhǔn)功能；自帶秒脈沖信號發(fā)生器 擴(kuò)展功能 定點(diǎn)報(bào)時(shí) 鬧時(shí)控制 仿廣播電臺(tái)整點(diǎn)報(bào)時(shí) 自動(dòng)報(bào)整點(diǎn)時(shí) 提高功能 小時(shí)的計(jì)數(shù)要求為“12歸1”關(guān)鍵詞： 24進(jìn)制 60進(jìn)制 cc4518 cc4511 12歸1目 錄1 設(shè)計(jì)說明書 1.1技術(shù)指標(biāo).5 1.1.1基本功能.5 1.1.2擴(kuò)展功能.5 1.1.3提高功能.5 1.2功能要求. .5 1.2.1主體電路. 5 1.2.2擴(kuò)展電路.6 1.3器件要求.62 設(shè)計(jì)步驟 2.1方案確定.7 2.2秒脈沖發(fā)生器.7 2.2.1 555構(gòu)成多諧震蕩器.7 2.2.2 555構(gòu)成多諧震蕩器電路圖.8 2.3秒、分、小時(shí)計(jì)數(shù)電路.8 2.3.1 cc451

4、8功能介紹.8 2.3.2 cc4518構(gòu)成60、24進(jìn)制計(jì)數(shù)單元電路原理.9 2.4譯碼、顯示電路.10 2.4.1 cc4511功能介紹.10 2.4.2 lg5011ah共陰數(shù)碼管.10 2.4.3 60進(jìn)制技術(shù)、譯碼、顯示單元電路.11 2.2.4 24進(jìn)制技術(shù)、譯碼、顯示單元電路.12 2.5校時(shí)電路.12 2.6擴(kuò)展功能.13 2.6.1鬧時(shí)功能.13 2.6.2定時(shí)報(bào)時(shí)電路.13 2.6.3 12歸一電路.142.7焊接板電路分析.14 2.7.1石英晶體振蕩器.14 2.7.2晶振構(gòu)成秒信號發(fā)生器.15 2.7.3 二極管與門工作原理.15 2.7.4發(fā)光二極管工作原理.162

5、.7.5整流橋部分原理.16 2.8電路原件清單.18 2.8.1主板元件清單.18 2.7.2副版元件清單.183 焊接與調(diào)試.19 3.1系統(tǒng)軟件仿真、硬件安裝、調(diào)試遇到的問題.193.2記錄問題現(xiàn)象、分析存在的原因.19 3.3說明排除方法和效果.19參考文獻(xiàn).20附錄1.21附錄2.22附錄3.23附錄4.24實(shí)驗(yàn)心得.251 設(shè)計(jì)說明書1.1技術(shù)指標(biāo)1.1.1基本功能 實(shí)現(xiàn)60秒、60分、24小時(shí)的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示； 具有校準(zhǔn)功能自帶秒脈沖信號發(fā)生器1.1.2 擴(kuò)展功能定點(diǎn)報(bào)時(shí) 鬧時(shí)控制 仿廣播電臺(tái)整點(diǎn)報(bào)時(shí)自動(dòng)整點(diǎn)報(bào)時(shí)1.1.3提高功能小時(shí)的計(jì)數(shù)要求為“12歸1”1.2功能要求1.2

6、.1主體電路圖1.2.1 主體電路思想1.2.2擴(kuò)展電路圖1.2.2（2）擴(kuò)展電路其中在主板電路中的秒脈沖信號發(fā)送到擴(kuò)展電路的分頻電路中。1.3器件要求 計(jì)數(shù)電路：用cc4518計(jì)數(shù)器譯碼電路：用cc4511譯碼顯示電路：用lg5011ah共陰數(shù)碼管秒脈沖信號發(fā)生器：用555多諧振蕩器（用發(fā)光二極管作輸出顯示）2 設(shè)計(jì)步驟2.1方案確定圖2.1方案確定構(gòu)架2.2秒脈沖發(fā)生器2.2.1 555構(gòu)成的多諧震蕩器 555芯片介紹1 gnd 2觸發(fā) 3輸出 4復(fù)位 5控制電壓 6門限(閾值） 7放電 8 vcc2.2.2 555構(gòu)成多諧震蕩器電路圖參數(shù)計(jì)算：f=1hz r1=285k r2=500k

7、c1=0.01f c2=1f tw1= tw2= t=1s 圖2.2.2多諧震蕩電路2.3秒、分、小時(shí)計(jì)數(shù)電路2.3.1 cc4518功能介紹用cc4518構(gòu)成60、24進(jìn)制計(jì)數(shù)電路，然后級聯(lián)組成時(shí)、分、秒整體計(jì)數(shù)電路4518真值表clenr功能10加計(jì)數(shù)00加計(jì)數(shù)0不變0不變00不變10不變1q3q0=0圖2.3.1 cc4518管腳圖2.3.2 cc4518構(gòu)成60、24進(jìn)制計(jì)數(shù)單元電路原理圖2.3.1（2）60進(jìn)制計(jì)數(shù)單元電路圖工作原理 cc4518 為雙bcd 加計(jì)數(shù)器，該器件由兩個(gè)相同的同步4 級計(jì)數(shù)器組成。計(jì)數(shù)器級為d 型觸發(fā)器。具有內(nèi)部可交換cp 和en 線，用于在時(shí)鐘上升沿或下

8、降沿加計(jì)數(shù)。在單個(gè)單元運(yùn)算中，en 輸入保持高電平，且在cp 上升沿進(jìn)位。cr 線為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。計(jì)數(shù)器在脈動(dòng)模式可級聯(lián)，通過將q3 連接至下一計(jì)數(shù)器的en 輸入端可實(shí)現(xiàn)級聯(lián)。同時(shí)后者的cp輸入保持低電平。cc4518 提供了16 引線多層陶瓷雙列直插（d）、熔封陶瓷雙列直插（j）、塑料雙列直插（p）和陶瓷片狀載體（c）4 種封裝形式。 根據(jù)cc4518管腳排列，如圖2.3.1（2），左邊管腳控制60進(jìn)制的高位，逢6清零所以經(jīng)0110輸出經(jīng)過與門后接mrb端清零，而左邊管腳控制的是60的低位，為標(biāo)準(zhǔn)的10進(jìn)制，所以mra清零端只需接地即可。圖2.3.1（3）24進(jìn)制計(jì)數(shù)單元電路圖工作原

9、理根據(jù)cc4518管腳排列，工作如原理同上，但是又有所不同如圖2.3.1（3），如60進(jìn)制，左邊管腳控制24進(jìn)制的高位，逢2清零，故經(jīng)0010輸出；右邊管腳控制24進(jìn)制的低位，逢10清零，故經(jīng)1010輸出，但同時(shí)要24歸零所以兩端輸出經(jīng)過與門，左端與右端同時(shí)輸出2和4時(shí)，高電平有效，從與門出來分別接到mra與mrb端清零。2.4譯碼、顯示電路2.4.1 cc4511功能介紹cc4511實(shí)現(xiàn)譯碼顯示輸 入輸 出lebiltdcbaabcdefg00110000111111010110001011000020110010110110130110011111101140110100011001150

10、1101011011011601101100011111701101111110000801110001111111901110011110011 cc4511真值表圖2.4.1 cc4511管腳圖 le：鎖定控制端，當(dāng)le=0時(shí)，允許譯碼輸出。 le=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，cd4511輸出被保持在le=0時(shí)的數(shù)值。lt：3腳是測試輸入端，當(dāng)bi=1，lt=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，a1、a2、a3、a4、為8421bcd碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。bi：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)bi=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)

11、，不顯示數(shù)字。不管輸入dcba狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否正常。2.4.2 lg5011ah共陰數(shù)碼管 該共陰極數(shù)碼管和cc4511相連，相對應(yīng)的a b c d e f g連在一起，而8管腳不連，3管腳接地。 圖2.4.2（2）lg5011ah內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖2.4.2 lg5011ah管腳圖 圖2.4.2（2）表示出了lg5011ah內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由8個(gè)二極管所連接，ag控制數(shù)字“8”而dp則控制小數(shù)點(diǎn)。2.限流電阻計(jì)算：數(shù)碼管的工作電壓為u（手冊數(shù)據(jù)），工作電流為i（手冊數(shù)據(jù)），譯碼器輸出的高電平uag，則限流電阻上的電壓應(yīng)該為uu，限流電阻阻值： r（uagu）i

12、2.4.3 60進(jìn)制技術(shù)、譯碼、顯示單元電路圖2.4.3 60進(jìn)制技術(shù)、譯碼、顯示單元電路2.4.4 24進(jìn)制技術(shù)、譯碼、顯示單元電路圖2.4.3（2） 24進(jìn)制計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路2.5校時(shí)電路s1s2功能11計(jì)數(shù)10校分01校時(shí)校時(shí)脈沖功能1hz快校時(shí)單次脈沖慢校時(shí)圖2.5校時(shí)電路2.6擴(kuò)展功能2.6.1鬧時(shí)功能 圖2.6.1鬧時(shí)功能電路工作原理：例如:上午7點(diǎn)59分發(fā)出鬧時(shí)信號，持續(xù)1分鐘。7點(diǎn)59分的對應(yīng)的數(shù)字鐘的狀態(tài)分別為0111 十個(gè)位/0101 分十位/1001 分個(gè)位 鬧時(shí)控制信號k=（q2q1q0）（q2q0）(q3q0)=12.6.2定時(shí)報(bào)時(shí)電路圖2.6.2定時(shí)報(bào)時(shí)電路圖工

13、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時(shí)，才具有鎖存功能，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74ls273的控制端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，1q8q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(gè)異或非門，266的一端連著cc4518的輸出管腳，由圖2.6.2可知鬧鐘定時(shí)可以精確到秒的十位，其工作原理為當(dāng)先將時(shí)鐘調(diào)制到用戶想要的點(diǎn)數(shù)，然后按下開關(guān)，74ls373會(huì)自動(dòng)鎖存住這一時(shí)間，而當(dāng)時(shí)鐘下一次運(yùn)行至這一時(shí)間時(shí)，三個(gè)cc4518會(huì)

14、發(fā)出高電平信號，連同的74ls373也會(huì)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(yáng)聲器發(fā)出聲音。2.7焊接板電路分析2.7.1石英晶體振蕩器選用32768hz的晶振構(gòu)成振蕩電路晶體振蕩管的工作原理：圖2.7.1晶體振蕩管的工作原理vcx由石英諧振器、變?nèi)荻O管和振蕩電路組成,通過控制變?nèi)荻O管的電壓來改變變?nèi)荻O管的電容，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達(dá)到頻率調(diào)制的目的。2.7.2晶振構(gòu)成秒信號發(fā)生器 32768hz晶振構(gòu)成秒信號發(fā)生器，先經(jīng)過cd4060的14級分頻分出2hz， 再經(jīng)過cd4040的

15、2分頻分出秒脈沖。 分頻原理： q4： 24 = 16 q14： 214 = 32768/2rc振蕩晶體振蕩2.7.3. 二極管與門工作原理 焊接板上的二極管與門電路可以大致表示成以下電路 圖2.7.3二極管與門工作電路這張電路圖中，如果a或者b其中一個(gè)電壓低于0.7v，此時(shí)任意一個(gè)二極管導(dǎo)通，電壓鉗位在0.7v，看表就知道，此時(shí)f點(diǎn)的輸出電壓為0.7v，也就是低電平，用0表示，如果當(dāng)a、b兩點(diǎn)的電壓都等于3v的時(shí)候，此時(shí)兩個(gè)二極和不導(dǎo)通，f點(diǎn)就輸出高電平 用1表示，f點(diǎn)接到計(jì)數(shù)器或者其它的元件上12v是r與d1 d2的電源，也為f點(diǎn)提供3.7v的電壓如果你需要f點(diǎn)輸出高電平 ab兩點(diǎn)可接5v

16、正極，如果你需要f點(diǎn)輸出低電平，那么就5v負(fù)極，f點(diǎn)接你后面的驅(qū)動(dòng)電路。2.7.4發(fā)光二極管工作原理 發(fā)光二極管簡稱為led。由鎵（ga）與砷（as）、磷（p）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。 它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡寫為led。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)pn結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴和由n區(qū)注入到p區(qū)的電子，在pn結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與n區(qū)的電子和

17、p區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。2.7.5整流橋部分工作原理如下圖所示 單相橋式整流電路如圖1（a）所示，圖中tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓vi變成整流電路要求的交流電壓 ，rl是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管d1d4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。 圖2.7.5橋式整流原理圖單相橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡單起見，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大。在v2的正半周，

18、電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管d1流向rl，再由二極管d3流回變壓器，所以d1、d3正向?qū)?，d2、d4反偏截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓。其電流通路可用圖1（a）中實(shí)線箭頭表示。在v2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管d2流向rl，再由二極管d4流回變壓器，所以d1、d3反偏截止，d2、d4正向?qū)?。電流流過rl時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。其電流通路如圖1（a）中虛線箭頭所示。綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⑺膫€(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的

19、正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。2.7電路元件清單2.7.1主板電路清單 序號名稱型號數(shù)量序號名稱參數(shù)數(shù)量1集成芯片451839電解電容1f/16v124511610電容0.01f3374als00211電阻47042474als32212500k1574als74213285k16芯片座16p151433k17數(shù)碼管lg5011ah615微動(dòng)開關(guān)6*6*628脈沖信號源555116電路板2.7.2擴(kuò)展板電路清單序號名稱型號數(shù)量序號名稱型號數(shù)量18d鎖存器74ls27337復(fù)位開關(guān)12同或門74ls26658自鎖開關(guān)134輸

20、入2與門74ls2149喇叭14芯片座20p310音樂片1514p911灰排線20p16三極管9013212電路板13 焊接與調(diào)試3.1系統(tǒng)軟件仿真、硬件安裝、調(diào)試遇到的問題1在ewb模擬仿真中，出現(xiàn)數(shù)碼管初始不顯示0狀態(tài)，而是從1開始2在生成pcb板的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生封裝錯(cuò)誤3在焊接的副板的時(shí)候，會(huì)有很多線把焊接孔堵住，而且完成主板和副版的焊接后，用拍向?qū)⑵溥B接后主板數(shù)碼管的分十位不顯示進(jìn)位。4揚(yáng)聲器焊接完成后不能固定。3.2問題記錄、分析存在的原因1在ewb中的數(shù)碼管顯示問題是由于脈沖源會(huì)提前一個(gè)周期到達(dá)4518是軟件自身的問題缺陷?？梢杂胐觸發(fā)器的延遲作用進(jìn)行校正。2生成pcb板時(shí)產(chǎn)生的封裝錯(cuò)

21、誤有可能是自己做的封裝沒有導(dǎo)入library庫里，也可能是library庫里面的封裝沒有導(dǎo)出應(yīng)用，也可能是軟件自身問題dip-x中間的連字符的取舍問題。3在焊接前沒能布置好線的排列，導(dǎo)致一些線穿過焊接孔導(dǎo)致堵塞；數(shù)碼管不進(jìn)位可能是焊接時(shí)不小心造成短路也可能是芯片問題。4 在焊接前應(yīng)該用兩根廢舊電阻腿焊在揚(yáng)聲器的另外一端保持固定。3.3說明排除方法和效果 1利用d觸發(fā)器或門的串聯(lián)，如圖3.3所示，當(dāng)秒脈沖信號進(jìn)入d觸發(fā)器時(shí)，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(shí)d觸發(fā)器起到一個(gè)延遲作用，則會(huì)使數(shù)碼管在初始狀態(tài)下顯示是“0 ”而非是“1”。圖3.