徐海學(xué)院數(shù)字鐘設(shè)計論文

1、第8頁徐海學(xué)院2011屆電子技術(shù)綜合設(shè)計報告中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院電子技術(shù)綜合設(shè)計姓 名： 周 櫻 學(xué) 號： 22110815 專 業(yè)： 信息工程 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(diǎn)： 電工電子實(shí)驗(yàn)室 設(shè)計日期： 2013 年9月28日至10月7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 周 櫻 專業(yè)年級 信息11-1班 學(xué)號 22110815 設(shè)計日期： 2013 年 9月 28 日 至 2013 年 10 月 7 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

2、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=1KH) 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（用8K白紙手工畫圖）3. EWB仿真圖60秒、60分、24小時- 計數(shù)、譯碼、顯示電路（計算機(jī)打印）4. 設(shè)計原理圖用PROTEL99設(shè)計原理圖（計算機(jī)打?。?. 設(shè)計PCB版圖用PROTEL99設(shè)計PCB板圖（計算機(jī)打印）6. 功能擴(kuò)展要求設(shè)計：定點(diǎn)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 要數(shù)字鐘采用了C

3、C4511實(shí)現(xiàn)譯碼，CC4511 七段譯碼驅(qū)動/鎖存器及LG5011AH共陰數(shù)碼管進(jìn)行顯示，將555構(gòu)成多諧振蕩器作為秒脈沖信號發(fā)生器，用發(fā)光二極管來輸出顯示；還采用了PROTEL99軟件設(shè)計了原理圖和PCB板圖，但系統(tǒng)啟動后，發(fā)現(xiàn)秒個位進(jìn)行計數(shù)還未向秒時位進(jìn)位時，其高位自動生成1，因此為了解決軟件的漏洞，加入了消“1”功能；最后進(jìn)行了焊接?；緦?shí)現(xiàn)了60秒、60分、24小時的計數(shù)、譯碼、顯示并具有校準(zhǔn)功能和自帶秒脈沖信號發(fā)生器的功能，還進(jìn)行了定點(diǎn)報時，仿電臺報時，小時的計數(shù)為“12歸1”等擴(kuò)展功能。這個設(shè)計簡單明了，按照功能設(shè)計單元電路，科學(xué)的實(shí)現(xiàn)了數(shù)字鐘的功能。關(guān)鍵字：數(shù)字鐘 譯碼 顯示

4、計數(shù) 校準(zhǔn)功能 目 錄1 數(shù)字鐘的基本組成及工作原理 6 1.1 數(shù)字鐘的構(gòu)成 6 1.2數(shù)字鐘的工作原理 62 數(shù)字鐘的設(shè)計與制作7 2.1 系統(tǒng)方案選擇與論證 7 2.2 設(shè)計步驟與方法 7 2.2.1 NE555脈沖電路產(chǎn)生  7 2.2.2 計數(shù)器電路 9 2.2.3 譯碼顯示電路 9 2.2.4 校時電路 11 2.3 數(shù)字鐘仿真 11 2.3.1 數(shù)字鐘電路原理圖 12 2.3.2 系統(tǒng)整體仿真圖 12 2.3.3 PCB板圖 123 數(shù)字鐘的擴(kuò)展功能13 3.1定點(diǎn)報時13 3.2 12歸113 4 數(shù)字鐘的焊接及注意事項15 4.1 焊接元件清單 15 4.2 實(shí)際焊

5、接的印刷電路板元件分布圖15 4.3 焊接注意事項 155 系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試 16 5.1系統(tǒng)軟件調(diào)試過程中遇到的問題 16 5.2系統(tǒng)硬件調(diào)試過程中排查經(jīng)過 166 總結(jié)及體會 177 參考文獻(xiàn)188 附錄 19 附錄1. 數(shù)字鐘電路原理圖·····························19 附錄

6、2. 數(shù)字鐘電路Protel設(shè)計圖······················20 附錄3. 系統(tǒng)整體仿真圖······················

7、3;········21 附錄4. 實(shí)際焊接的印刷電路板元件分布圖·············· 22附錄5. 印刷電路板的元件分布圖····················

8、3; 23附錄6. 印刷電路板的元件布線圖······················ 24附錄7.主體電路元器件清單······················

9、;·· 25附錄8. 擴(kuò)展電路元器件清單························ 261 數(shù)字鐘的基本組成及工作原理1.1 數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘是由多諧振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器等多個部分構(gòu)成的，靈活的運(yùn)用用數(shù)字電路技術(shù)所學(xué)習(xí)的知識來實(shí)現(xiàn)時、分、秒計時。實(shí)際上是對一個標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路，計數(shù)的起始時間和標(biāo)準(zhǔn)時間保

10、持一致，我們需要校時電路進(jìn)行修正，為了他準(zhǔn)確穩(wěn)定，我們需要加上震蕩電路。本次數(shù)字鐘是通過主體電路和擴(kuò)展電路兩大部分為主進(jìn)行單元電路的設(shè)計 ，一一的實(shí)現(xiàn)單元電路功能再將它們集合一起，簡單明了的設(shè)計思路可以方便我們排查電路中出現(xiàn)的錯誤。 1.2數(shù)字鐘的工作原理 隨著計算機(jī)的發(fā)展不斷的提升，數(shù)字鐘的設(shè)計也變得越來越多樣化，用集成電路，單片機(jī)等都可以實(shí)現(xiàn)，這些方法各有風(fēng)格和特點(diǎn)。比起機(jī)械鐘，數(shù)字鐘持久耐用的特點(diǎn)早已深入人心，便捷使用讓全世界的各個角落都彌漫了數(shù)字鐘多具特色的身影。振蕩器產(chǎn)生的高頻穩(wěn)定的脈沖信號，經(jīng)過分頻器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖，當(dāng)秒鐘達(dá)到60秒的時候就向分鐘進(jìn)位，分滿60分的時候向小時進(jìn)位，

11、小時則按照24小時的規(guī)律進(jìn)行計數(shù)，再經(jīng)過顯示器進(jìn)行顯示。振蕩器是數(shù)字時鐘的核心，它保證了走時的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，用555構(gòu)成的多諧振蕩器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)；數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到Z的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻。用與非門和非門組成校時電路對時間進(jìn)行校正；計數(shù)器對時間累計而且以8421BCD碼形式的輸出， 為了將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示，需要一定的電流和輸出邏輯，選用CD4511作為顯示譯碼電路，用LED數(shù)碼管顯示單元電路。  2 數(shù)字鐘的設(shè)計與制作 2.1 系統(tǒng)方案選擇與論證本次實(shí)驗(yàn)選擇的是由整體到部分，由部分到單元的設(shè)計方法，思路清晰，

12、易于檢查排錯。用555構(gòu)成多諧振蕩器是低功耗、輸入阻抗高。計數(shù)電路用CC4518雙BCD同步加法計數(shù)器構(gòu)成60,24進(jìn)制計數(shù)器電路，在仿真軟件中三個控制端都接高電平，CC4511 7段鎖存/譯碼/驅(qū)動器，LC5011-11LED。 2.2 設(shè)計步驟與方法 用PROTEL99軟件對數(shù)字鐘進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計原理圖和PCB版圖，并進(jìn)行逐一修改和完善。只要仿真能實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的效果，焊接不出錯，就成功的完成了本次實(shí)驗(yàn)。如圖一所示從秒脈沖信號發(fā)生器到校正電路再經(jīng)過秒分時的計數(shù)電路|、譯碼電路和顯示電路，是本次實(shí)驗(yàn)的主體電路。從秒脈沖信號發(fā)生器到分頻電路、觸摸報時、報整點(diǎn)時數(shù)、仿電臺報時、定時控制等是本次實(shí)驗(yàn)

13、的擴(kuò)展電路。 圖一 主體電路和擴(kuò)展電路2.2.1 NE555脈沖電路產(chǎn)生555定時器屬于中規(guī)模8腳集成定時器，通常在外接上不同的電容和電阻就能產(chǎn)生不同用途的脈沖電路，用途十分廣泛，NE555脈沖電路如圖2-1，間接反饋型無穩(wěn)態(tài)電路，RA與VCC相連，用于脈沖輸出、音響告警、家電控制、電子玩具、定時器、檢測儀器等。它的操作電源范圍非常的大，而且輸出端的供給電流也很大，這樣多種自動控制的負(fù)載就輕易的被供給的大電流給帶動起來了。單穩(wěn)態(tài)電阻R1、R2和電容C1這三個阻容構(gòu)成了定時電路。電容C1上的電壓UC是外觸發(fā)電壓，將定時電容C1所產(chǎn)生的電壓送給高觸發(fā)端TH（6腳）和低觸發(fā)端TL（2腳）。連接在R1

14、和R2之間的是放電端D（7腳）。電壓控制端K（5腳）不外接控制電壓，接入高頻干擾旁路電容C2（0.01uF）。4腳是直接復(fù)位端，讓它接入高電平，使NE555處于非復(fù)位狀態(tài)。這種定時器具有精確的準(zhǔn)確度，溫度的穩(wěn)定狀態(tài)極佳，價格也十分便宜，因此被廣大的消費(fèi)群眾所喜愛。 圖二555芯片管腳 圖三 符號功能說明如圖二，1管腳 2管腳 3管腳 4管腳 5管腳 6管腳 7管腳 8管腳 VCCNE555構(gòu)成多諧振蕩器電路圖圖四NE555多諧振蕩器電路圖第27頁徐海學(xué)院2011屆電子技術(shù)綜合設(shè)計報告 555脈沖輸出的波形方波和三角波 圖五 脈沖波形2.2.2 計數(shù)器電路用 CC4518（如圖六）雙四位BCD同

15、步加計數(shù)器設(shè)計60分，60秒，24小時的計數(shù)電路。由兩個相同的同步4級計數(shù)器組成。內(nèi)部由交換的CP和EN線，用于在時鐘上升沿和下降沿所產(chǎn)生的計數(shù)累加。該芯片含有兩個計數(shù)器，通過與門將其連接，高位用與門形成2進(jìn)制的6，低位構(gòu)成2進(jìn)制的0.形成60進(jìn)制計數(shù)器。將高位通過與門形成2進(jìn)制鐘的2，低位形成二進(jìn)制的4就構(gòu)成24進(jìn)制。 圖六 CC45112.2.3 譯碼顯示電路用CC4511實(shí)現(xiàn)譯碼，LG5011AH共陰數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)顯示。當(dāng)脈沖進(jìn)入CC4518產(chǎn)生計數(shù)后，CC4511芯片譯碼相連的數(shù)碼管識別高低電平，相應(yīng)數(shù)碼管就開始點(diǎn)亮。 圖七 CC4518如圖七，LT可檢查七段顯示器各字段是否能正常發(fā)光。當(dāng)

16、LT=0時，無論Q0-Q3狀態(tài)如何，七段全部都顯示。以檢查各字段的好壞。當(dāng)BI=0時，輸出a-b為低電平，各字段熄滅。當(dāng)BI=1，LI=1，LE=0，譯碼器開始工作。Q端輸入8421BCD碼時，譯碼器對應(yīng)的輸出端輸出高電平1，數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字。鎖存是在LE從“0”轉(zhuǎn)到“1”時，輸出顯示由輸入的BCD碼決定。圖八 六十進(jìn)制電路如圖八，當(dāng)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9后就使高片計1從而完成計數(shù)。讓十位計數(shù)到0110，即Q1、Q2接與門再對十位進(jìn)行清零即可。 圖九 二十四進(jìn)制電路如圖九，二十四進(jìn)制和六十進(jìn)制的本質(zhì)是相同的，

17、都利用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（0010 0100）利用個位的Q2和十位的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)。 圖十 LG5011AH管腳圖 圖十一LG5011AH管腳功能數(shù)碼管（如圖十）內(nèi)部已經(jīng)將3端和8端連接在一起，在使用的時候使3端接地，8端懸空。數(shù)碼管工作的電壓為U1，電流為I1，譯碼管輸出的高電平為Ua-g,則限流電阻上的電壓為U-U1,則限流電阻的計算方法為(Ua-g-

18、U1)/I.2.2.4 校時電路在實(shí)際生活中秒信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不能做到一定的精準(zhǔn)沒有誤差，長久的使用也會影響準(zhǔn)確度，因此需要校時電路。在進(jìn)行分校時時不會影響秒和時的正常計時，在進(jìn)行時校時時也不會影響分秒的正常計數(shù)。 圖十二 校時電路原理圖在至分個位計數(shù)器中，當(dāng)開關(guān)S1打開輸入高電平1，輸入秒十位進(jìn)位脈沖，當(dāng)開關(guān)閉合時，輸入低電平0，不能輸入秒十位進(jìn)位脈沖，但是經(jīng)過非門變?yōu)?，校時脈沖就進(jìn)入電路進(jìn)行校時。在至?xí)r個位計數(shù)器中也是一樣的道理。當(dāng)兩個開關(guān)S1,S2都閉合時，計數(shù)器開始計數(shù)。2.3 數(shù)字鐘仿真數(shù)字鐘的仿真用PROTEL99軟件，但是軟件都有漏洞，系統(tǒng)在啟動后，發(fā)現(xiàn)秒個位進(jìn)行計數(shù)還未向

19、秒時位進(jìn)位時，其高位自動生成為1.于是加入了消1功能。 圖十三 系統(tǒng)的消1上電瞬間，晶閘管是不導(dǎo)通的，計到8（1000）是，03A=1晶閘管導(dǎo)通，使CP0B=1，十位計數(shù)器具備計數(shù)條件；個位計數(shù)器從10011000時，03A=CP1B=0出現(xiàn)下降沿十位計數(shù)進(jìn)行計時。， 2.3.1 數(shù)字鐘電路原理圖 （見附錄1） 2.3.2 系統(tǒng)整體仿真圖 （見附錄3）2.3.3 PCB板圖（見附錄2） 3 數(shù)字鐘的擴(kuò)展功能 3.1定點(diǎn)報時定點(diǎn)報時的方法有很多，本次主要學(xué)習(xí)了以下兩種方法： 圖十四 定點(diǎn)報時一 圖十五 定點(diǎn)報時二 74LS273是8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，帶有清除功能的8D觸發(fā)器。1D-8D是輸入，

20、Q1-Q8是輸出功能；WR是主清除端，低電平觸發(fā)，即當(dāng)為低電平時，芯片的內(nèi)容被清除，輸出全為0；CP端是觸發(fā)端，上升沿觸發(fā)，當(dāng)為高電平時，能輸入到芯片，當(dāng)為低電平時數(shù)據(jù)鎖存，則1D-8D的數(shù)據(jù)類型不變。有圖可知，鬧鐘的定點(diǎn)報時十分精準(zhǔn)，將我們需要定點(diǎn)報時的時間在鬧鐘上設(shè)置成功后，74LS273會自動鎖存。當(dāng)時間到達(dá)后，所有的CC4518,74LS273都輸出高電平，經(jīng)過與門，輸出高電平，發(fā)出聲音。3.2 12歸1十二歸一顧名思義，數(shù)碼管計時滿十二的時候便從一開始。該實(shí)驗(yàn)是為數(shù)字鐘的60進(jìn)制和24進(jìn)制做鋪墊和準(zhǔn)備。 圖十六 十二歸一4 數(shù)字鐘的焊接及注意事項 4.1 焊接元件清單（見附錄7,8）

21、 4.2 實(shí)際焊接的印刷電路板元件分布圖（見附錄4）實(shí)際焊接的電路板元件在焊接時尤其是排線的地方要注意，先焊接排線，再焊接小的元器件，最后焊接大德元器件。 4.3 焊接注意事項 在焊接時首先要注意用好的焊錫絲焊接。從小到大的順序進(jìn)行排列焊接，在焊接時要仔細(xì)，盡量不要出現(xiàn)漏焊，虛焊的問題。含有正負(fù)極的器件要注意區(qū)分，如二極管的長正短負(fù)，芯片的方向也要著重查看，不要弄反了。在焊接的時候要小心，一個一個的焊好，不能著急著焊完，反而使自己在排查錯誤的時候花費(fèi)大量的時間和精力。焊接的形狀最好是錐形的，在焊化焊錫絲的時候要快速，不然焊錫絲會氧化，失去它原來的光澤度。5 系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試 5.1系統(tǒng)軟件調(diào)試

22、過程中遇到的問題在軟件實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)起始時間不是從0開始而是從1開始的。原來是在EWB中的數(shù)碼管顯示問題是由于脈沖源會提前一個周期到達(dá)4518是軟件自身的問題缺陷?？梢杂肈觸發(fā)器的延遲作用進(jìn)行校正。有時候排線的布局也是非常麻煩的，在耐心的操作中得到了想要的效果。 5.2系統(tǒng)硬件調(diào)試過程中排查經(jīng)過在初步完成焊接后，接入充電器發(fā)現(xiàn)整個板子都沒有亮，經(jīng)過排查后，發(fā)現(xiàn)秒的顯示不正常，a管不顯示。在仔細(xì)的檢查和咨詢同學(xué)后，發(fā)現(xiàn)自己的芯片安裝反向了，于是我將芯片安裝正確了。板子的晶體顯示器亮起來了，但是秒鐘出現(xiàn)了問題，原來是a管得電路焊接出現(xiàn)了虛焊的問題，找到問題所在了，我得電路板就焊好了。在做實(shí)驗(yàn)的時候少不

23、了同學(xué)朋友的交流，會讓人學(xué)到不是的知識。6 總結(jié)及體會在本次的實(shí)驗(yàn)中，帶給為的經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)讓我受益匪淺。沒有細(xì)心和耐心是完不成很多的事情的，但是最重要的還是對科研的執(zhí)著專一熱愛。在我拿到那個和家里墻壁上掛的時鐘一樣時，我覺得非常的開心。實(shí)驗(yàn)主要是對數(shù)字時鐘這一類型的有關(guān)時鐘問題的實(shí)驗(yàn)。首先要進(jìn)行數(shù)字鐘的原理知識的了解和設(shè)計，再進(jìn)行原理圖的安裝和調(diào)試。封裝是個重要的部分，需要很多的耐心。接著就是電路焊接以及結(jié)果調(diào)試。焊接的時候要小心仔細(xì)，在經(jīng)過幾次的焊接練習(xí)后，掌握焊接的技巧，焊接是一件十分快樂的事，但是還是需要好好的加以提升，當(dāng)焊完后，還有種不帶勁的感覺。我還學(xué)會了PROTEL99軟件的使用，領(lǐng)略了一種新軟件的神奇。軟件的功能很強(qiáng)大，還需要我在以后好好的琢磨和使用。這讓我感覺到了實(shí)驗(yàn)和原理的其實(shí)是有著很多差別的，雖然書本上的知識很多，但是一定要結(jié)合著實(shí)驗(yàn)，才能真正實(shí)現(xiàn)到知識帶給人得切身利益，也可以加強(qiáng)我們的動手功能