电子技术综合设计

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姓 名： 杨帆 学 号： 22090806 专 业： 电子科学与技术 题 目： 多功能 数字钟 专 题： 电子技术综合设计 设计地点： 电工电子实验室 设计日期： 2010年11月15日至11月25日

成 绩： 指导教师：

年 月

电子技术综合设计任务书

学生姓名 杨帆 专业年级 信息09-2 学号 22090806

徐海学院09届电子技术综合设计 第 2页

设计日期：2010 年 11月15日 至 2010 年 11 月 25 日

设计专题： 电子技术综合设计

设计题目：多功能数字钟

设计内容和要求：

1. 主要内容：

① 用 CC4518双四位BCD同步加计数器设计的计数电路

② 用CC4511 七段译码驱动/锁存器及示电路（数码管需加限流电阻）

③ 用555设计CP脉冲源 (f=1KH) ④ 具有系统校准功能

2. 整体电路原理图

60秒、60分、24小时---- 计数、译码、显示电路

3. EWB仿真图

60秒、60分、24小时---- 计数、译码、显示电路（计算机打印）

4. 设计原理图

用PROTEL99设计原理图（计算机打印）

5. 设计PCB版图

用PROTEL99设计PCB板图（计算机打印）

6. 功能扩展要求

设计：①定点报时功能 ②12小时归

指导教师签字： 摘

摘要

60秒、LG5011AH共阴数码管设计译码及显 计数电路 要

60分、24小时归0

月 日

1 年 徐海学院09届电子技术综合设计 第 3页

数字钟是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， 该数字钟具有基本功能和扩展功 能两部分。其中，基本功能部分的有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时 间和校时功能。扩展功能部分则具有：定时控制、仿广播电台正点报时、自动报 整点时数的功能。数字钟的电路也是由主体电路和扩展电路两部分构成，在电路 中，基本功能部分由主体电路实现，而扩展功能部电路实现。这两部分都有一个 共同特点就是它们都要用到振荡电路提供的 1Hz 脉冲信号。在计时出现误差时 电路还可以进行校时和校分，为了使电路简单所设计的电路不具备校秒的功能。 并且要用数码管显示时、分、秒，各位均为两位显示，扩展部分要有相应的响应 电路。分则由扩展。

关键字：数字钟，计数，译码，显示，定点报时，校准电路，数码显示器。

目

录

第一章 数字钟的设计 ..................... 错误！未定义书签。 1.1 原理方框图 ....................... 错误！未定义书签。 1.2 秒脉冲发生器 ..................... 错误！未定义书签。 1.2.1 ........................................... 555

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错误！未定义书签。

构

成

多

谐

振

荡

器

（

f=1HZ

）

1.2.2 555

错误！未定义书签。

1.3 秒、分、小时计数电路 ............. 错误！未定义书签。 1.3.1 CC4518芯片功能介绍： ..... 错误！未定义书签。 1.3.2 构成60、24进制计数单元电路 错误！未定义书签。 1.4 译码、显示电路 ................... 错误！未定义书签。 1.4.1 CC4511芯片功能介绍： ..... 错误！未定义书签。 1.4.2 60进制计数、译码、显示单元电路错误！未定义书签。 1.4.3 24进制计数、译码、显示单元电路错误！未定义书签。 1.5 校时电路 ......................... 错误！未定义书签。 1.6扩展功能——定点报时 ............. 错误！未定义书签。 1.6.1 芯片功能介绍 ................ 错误！未定义书签。 1.6.2 定点报时电路 .............. 错误！未定义书签。 第二章 焊接板电路分析 ................... 错误！未定义书签。 2.1 石英晶体振荡器 ................... 错误！未定义书签。 2.2 晶振构成秒信号发生器 ............. 错误！未定义书签。 2.2.1 芯片功能介绍 ................ 错误！未定义书签。 2.2.2 分频电路 .................. 错误！未定义书签。 2.3 二极管与门工作原理 ............... 错误！未定义书签。 2.4校准开关工作原理 ................. 错误！未定义书签。

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2.5发光二极管工作原理 ............... 错误！未定义书签。 2.6 整流桥部分的工作原理 ............. 错误！未定义书签。 第三章 焊接与调试 ....................... 错误！未定义书签。 3.1 系统硬件安装、调试中遇到的问题： ................. 15 3.2 问题现象、可能存在的原因； ....... 错误！未定义书签。 3.3 排除方法和效果：第四章 附录 ............................. 4.1 数字钟电路原理图（4.2系统整体仿真图（计算机打印）4.3 数字钟电路4.4 印刷电路板的元件分布图（计算机打印）4.5 印刷电路板布线图（计算机打印）4.6 基本电路元件清单4.7 扩展电路元件清单第五章 总结 ............................. 第七章 参考文献

第一章 数字钟电路的设计 1.1 原理方框图数字钟实际上是一个对标准频率（始时间不可能与标准时间一致，时间信号必须做到准确稳定。采用

时显示电路 时译码电路 ................. 8K白纸手工画图）Protei设计图（计算机打印） ................. ................. ........................

故需要在电路上加一个校时电路，555分显示电路 分译码电路 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 ..... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 ... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。

）进行计数的计数电路。由于计数的起同时标准的1Hz 秒显示电路 秒译码电路 .1Hz芯片构成的多谐振荡器电路构成数字钟。 徐海学院09届电子技术综合设计 第 6页

图1.1-1 数字钟主体电路图

图1.2-1 数字钟方框图 1.2 秒脉冲发生器

1.2.1 555芯片介绍：

1.地 3.OUT 5.CO 2./TR 4./R 6.TH 徐海学院09届电子技术综合设计 第 7页

7.D 8.VCC

图1. 3-1 555芯片管脚图 1.2.2 555芯片功能说明：

符号 /TR OUT /R 引出端功能符号说明 功能 符号 低触发端 输出 复位 TH D CO 功能 阀值端 放电端 控制电压 1.2.3 555构成多谐振荡器电路图（f=1HZ）

图1.2-2 多谐振荡器电路图 1.2-3 多谐振荡器波形

参数计算：f=1HZ 、R1= 428.5k、R2=500k 、C1=1uF、C2=0.01uF、

tw10.65s、tw20.35s、T=1s

1.3 秒、分、小时计数电路

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1.3.1 芯片功能介绍：

图1.4-1CC4518管脚图

1.3.2 CC4518功能表和计数状态表

CC4518功能 CC4518计数状态 CL (CP0) ↑ 1 ↓ × ↑ 1 ×

EN (CP1) 0 ↓ × ↑ 0 ↓ × R 0 0 0 0 0 0 1 功 能 加计数 加计数 不 变 不 变 不 变 不 变 Q3～Q0=0 CP 0 1 2 3 4 5 6 Q4～Q1 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 徐海学院09届电子技术综合设计 第 9页

1.3.3 CC4518构成60、24进制计数单元电路

①60进制计数电路（个位向十位的进位脉冲，需用Q4的下降沿,接EN端。）

图1.4-2 60进制计数电路 ②60进制计数电路工作原理

Cp向个位提供进位脉冲，个位向十位提供进位脉冲，十位计数到6时，两个高电平相与传给CRA、CRB，计数器清零，达到效果。 ③24进制计数电路

图1.4-3 24进制计数电路

④24进制计数电路工作原理

Cp向个位提供进位脉冲，个位向十位提供进位脉冲，十位计数到2时，个位计数到4时，两个高电平相与传给CRA、CRB，计数器清零，达到效果。

1.4 译码、显示电路

CC4511实现译码，LG5011AH共阴数码管实现显示电路。 1.4.1 芯片功能介绍： ①CC4511管脚图

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图1.4-1 CC4511管脚图 ②CC4511功能表 显示 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 LE 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BI 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 LT 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 输 入 D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 消隐  1  0 1  1 1 0    1    C 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 B 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 ↓ 1    1    1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 输 出 a 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 b 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 c 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 d 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 e 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 f 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 g 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 锁存 灯测试 锁存 1 1 1 1 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

Q0－Q3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a－b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Ｑ3Ｑ2Ｑ1Ｑ0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。

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③LG5011AH管脚图

图1.5-2 LG5011-11 LED/7段（共阴极）数码管

1.4.2 60进制计数、译码、显示单元电路

工作原理：

个位进位时提供给十位一个脉冲，使十位计数，当十位计数到六时，两个高电平相与传给MRB端，进行清零。

1.4.3 24进制计数、译码、显示单元电路

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工作原理：

个位进位时提供给十位一个脉冲，使十位计数，当十位计数到二个位计数到四时，两个高电平相与传给MRB端，进行清零。

1.5 校时电路

S1 1 1 0 S2 1 0 1 功能 计数 校分 校时

图1.6-1 校时电路图

1.6扩展功能

1.7.1 芯片介绍 ①八D锁所存器管脚图

图1.6-1 八D锁所存器管脚图

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图1.6-2 八D锁所存器内部结构图

内部结构图：

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图1.7-3 2输入4同或门图 图1.7-4 4输入2与门图

1.6.2 定点报时电路

工作原理：首先，设定好报时时刻（如：12时12分24秒）， 用74LS273锁存器进行锁存；4518计时器进行正常计时，通过74LS266同或门相接，当计时时间和设定的报时时间相同时， 74LS266全部输出高电平，经74LS21与门输出高电平，使三极管导通，音乐芯片发出报时声音，达到效果。

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第二章 焊接板电路分析

2.1 石英晶体振荡器

选用32768Hz的晶振构成振荡电路：

晶体振荡器工作原理：石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、被应用于家用电器和通信设备中。 石英谐振器按引出电极情况来分有双电极型、三电极型和双对电极型几种。图l为双电极型石英谐振器的外形，尽管它们的体积有大有小、固有振荡频率有高有低，但在电路图中均用图1(b)的符号见图。2。

石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件，如彩电的色副载波振荡器、电子钟表的时基振荡器及游戏机中的时钟脉冲振荡器等，石英晶体成本较高，故在要求不太高的电路中一般采用陶瓷谐振元件。

图2.1-1

LC(线圈和电容)谐振回路、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，符号表示。三电极型和双对电极型石英谐振器

晶体振荡器工作原理图

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2.2 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分频分出秒脉冲。 2.2.1 CD4060分频器

（国外同类型号：CD4060、MC4060） 分频原理：CD4060由一振荡器和 14级二进制串行计数器位组成，振荡

器的结构可以是RC或晶振电路，CR为 高电平时，计数器清零且振荡器使用无 效。所有的计数器位均为主从触发器。 在CP1(和CP0的下降沿计数器以二进制 进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特

cp reset 输出状态

触发器对时钟上升和下降时间无限制。 ↑ 0 不变 图2.2-1 CD4060分频器管脚图

↓ 0 进入下一状态 2.2.2 分频电路图

× 1 所有输出都是低

图2.2-2 RC振荡图

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图2.2-3 晶体振荡图

二极管与门工作原理

0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

当输人端A、B、C均为低电平即ViL=OVO.7V，则输出端L为低电平，当输入端A、B、C中任何一个或两个为低电平即VL=0.7V，且输出的低电平又使其余接高电平输入的二

当输入端A、B、C均接高电平即ViH=+5VL的电位VD与VOC相等，即VL=+5V。只有所有输入端都是高电位时， 校准开关工作原理

S1、S2用作校时切换，其中S1作校“时”“秒脉冲”信号经两级与非门送到“时”输入，实现快速“时”校准；而

VD1、VD2、VD3均正向导通，如VL=0.7V。

ViL=0V时，接低电平输入时，VDl、VD2、VD3均截止，输出否则输出就是低电位，， S2作校“分”用。当S1不与地S1

2.3

工作原理： (1)时，二极管正向压降为 (2)的二极管导通，使输出仍为极管因反向偏置而截止。 (3)端

综合上述，输出才是高电位，所以此电路为二极管与门电路。

2.4 连时， 徐海学院09届电子技术综合设计 第 18页

接地时，“分进位”信号送入“时”输入，实现正常计时。而当S2向右拨时，使“秒脉冲”信号经过两级与非门送到“分”输入端，实现分的快速校准；当J2向左拨时，“秒进位”信号经两级与非门送到“分”输入端，即实现正常计时。

2.5 发光二极管工作原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。

假设发光是在P区中发生的，子与价带空穴直接复合而发光，心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，效率越高。

2.6 整流桥部分的工作原理P区，空穴由那么注入的电或者先被发光中光量子

P区注入N区。进入对方区域的少数而后再与空穴复合， 徐海学院09届电子技术综合设计 第 19页

整流桥就是能够通过二极管的单向导通的特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电，作用就是整流，把交流电变为直流电。实质上就是把4个硅二极管接成桥式整流电路之后封装在一起用塑料包装起来，引出4个脚，其中2个脚接交流电源，2个脚是直流输出。

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第三章 焊接与调试

3.1 介绍系统硬件安装、调试中遇到的问题；

这次的焊接电路都是有自己布线的，刚开始的时候不熟悉，所以弄的乱七八糟，线路很乱，而且有的发光数码管不亮

3.2 记录问题现象、分析存在原因；

原因可能是数码管有损坏或者电路虚焊或者其他原因，可能是焊盘掉落。

3.3 说明排除方法和效果。

对模板的布线进行研究后，发现自己只注重局部不注重整体，所以很难看。用电表接数码管，数码管导通说明不是损坏，再检查电路是否虚焊，发现电路完好不是虚焊，最后检查焊点是不是掉落了，经过排查发现数码管一上一个焊盘掉了，我用两个导线把电路连起来了。

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第四章 附录

4.1数字钟电路原理图

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4.2 系统整体仿真图

CDB12CPCLK127ENRQ0Q1Q2Q334567126ABCDLTBILE1312111095114aa5aa412aa3345edcpgfab9876aa1aa223bb2bb3bb4bb5bb6bb7bb710bb6edcpgfabRQ0Q1Q2Q37126ABCDLTBILE345ABCDEFG95114bb5bb412bb33459876564cc1cc2cc3cc4cc5cc6cc734CP1U1B74ALS04CLKU3B774ALS00RQ0Q1Q2Q334567126ABCD1312111095114edcpgfabR15R16R17R18R19R20R211089U7C74ALS08dd1dd2dd3dd4dd5dd6dd7dd710dd6edcpgfabdd1dd2CP191015ENRQ0Q1Q2Q3111213147126ABCDLTBILE1312111091514345ABCDEFGR22R23R24R25R26R27R28GND1VCC8231ee1ee2ee3ee4ee5ee6ee7R45CP127ENRQ0Q1Q2Q334567126ABCDLTBILE1312111095114edcpgfab10ee7ee6ee1ee2345ABCDEFGR29R30R31R32R33R34R35564ff2ff3ff4ff5ff6ff7ff710ff6edcpgfabff1ff2CP91015CLKENR7126345ABCDLTBILER36R37R38R39R40R41R429-Oct-2010 Sheet of E:\\制作\\电子综合设计\\电科08-2 陈旭东\\数字钟.ddDbrawn By:6 ABCDEFG91514ff5ff412ff33459876 Q0Q1Q2Q31112131413121110 U8B74ALS08ff1 ee5ee412ee33459876 CLK dd5dd412dd33459876 CP1CLK 345LTBILEABCDEFGcc5cc412cc33459876cc1cc2 12EN10cc7cc6 74ALS00U7A74ALS08CP2910CP2CLKEN151112131413121110bb1bb2 1R43bb1 345ABCDEFG 10aa7aa6 1aa1s1SHUMAR1aa2R2aa3R3aa4R4U4A4518VCCU2Aaa5R5aa6R6U94511aa7R7R8R92U4B4518VCCs2SHUMAR10R11R12R13R14C1VCCR47A

4.3 数字钟电路Protei设计图

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1U1A74ALS05124U2BK2574ALS0069U1C81074ALS0032S?C2VCCR48R44U7B74ALS08124K15K2U3A74ALS003369U2C1074ALS008C3C442545TitleSizeBDate:File:R46NumberRevisionCDBAU6B4518VCCRTRIGCVoltTHR6R49DIS7Q5553U?U8A74ALS08R50K1U6A4518VCCVCCs5SHUMAU134511U104511U5A4518U5B4518VCCVCCs3SHUMAU114511U124511U144511s4SHUMAs6SHUMA3456 徐海学院09届电子技术综合设计 第 24页

4.4 印刷电路板的元件分布图

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4.5 印刷电路板布线图

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4.6基本电路元件清单

4.7扩展电路元件清单

总 结

在课程设计中，我学习到了很多的东西：

首先，从对电路原理的理解研究到在电脑上自己创新，再到之后的焊接，这整个的流程让我对这门课程有了更深的认识，也了解了自己的不足。要完成一个项目

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知识是必不可少的，怎么样去查阅资料，收集与课设要用的有关的知识就显得极为重要。其次，要完成一件工作，还得专心致志才行，细心耐心，这次的项目花费了不少的时间，不论理解原理还是焊接都是如此。第三，在焊接时出现了不少的问题有时候一时半会解决不掉，所以遇到困难要冷静，要多想解决办法，多尝试。

加深了对数模电的理解，也学到了很多与 Proteus 相关的知识。对该软件的运用更加熟练。不仅仅只是学习上的。通过这次设计的学习，也使我懂得了很多人生哲理。无论做什么，都要有恒心，不要为了一点小小的挫折就放弃。碰到的问题越让人绝望，解决问题之后 的喜悦程度就越高。 作为工科类的学生，以后工作了难免要碰到许许多多的问题， 不要绝望，坚持，直到看到胜利的曙光。

通过这次实验，我们也进一步熟悉数字电路的设计与特点，同时也基本上掌握了用555振荡器和74LS系列的集成对秒、分、时及其进位的实现。而且让我们了解了电路设计的基本思路，增强了实践动手能力，理论结合实际的能力加强。除此以外，我们还深深地认识到严谨、认真的科学态度在科学实验中发挥的重要作用。

数字钟电路实现了对时、分、秒数字显示的计时装置,周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，并具有校时功能和定点报时功能。我也熟悉了六进制、十进制、六十进制的进位及十二进制，逻辑电路及其芯片各引脚的功能。在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。

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参考文献

1、康华光.2006年. 电子技术基础 数字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社. 2、模拟电子技术 第五版 康华光主编 高等教育出版社 2006 3、数字电路实验与课程设计 施云 编著 哈尔滨工程大学 2001 4、电子线路实验-数字电路实验 沈小丰主编 清华大学出版社 2007 5. 谢自美 电子线路设计—实验—测试 武汉，华中科技大2000