多功能数字钟

电子技术综合设计

姓 名： 学 号：

专 业： 电气工程及其自动化

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： 2011年10月

成 绩： 指导教师：

年月

设计日期： 2011 年 9 月 至 2011 年 11 月

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60秒、60分、24小时归0

的计数电路

② 用CC4511 七段译码驱动/锁存器及LG5011AH 共阴数码管设计译码及显示电路（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（用8K 白纸手工画图）

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1计数电路

指导教师签字： 2011年 11月 20 日

摘要

数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的钟表。实验用 CC4518双四位BCD 同步加计数器设计60进制，24进制计数器以实现60秒、60分、24小时归0的计数电路，CC4518为双位计数器，所以每个计数器分为十位和个位两部分，

当秒计数器计数到60时向分计数器进位同时秒计数器归零，分计数器向时计数器工作原理同秒计数器，当时计数器计数到24时归零。利用CC4511 七段译码驱动/锁存器及LG5011AH 共阴数码管设计译码及显示电路（数码管需加限流电阻）将时间的以显示。用PROTEL99根据EWB 中已经画好的仿真图进行相应的原理图绘制，当做完封装及检查无误后生成PCB 板，完成整个电路软件方面的设计工作。最后进行硬件的焊接。先焊接具有计时、显示、校时功能的主板，之后焊接具有定点报时的扩展板，最终将主板与扩展板进行连接调试结束本次的电子综合设计实验。

关键词：数字钟； EWB； PROTEL

目 录

1 数字钟的基本组成及工作原理

1.1 数字钟的构成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

1.2 数字钟的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 2 数字钟的设计与制作

2.1 设计步骤与方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

2.1.1主体电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

2.1.2校时电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

2.1.3 振荡电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

2.1.4 计数器电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

2.1.5 译码显示电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6

2.1.6 整点报时电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8

2.1.7 秒脉冲发生器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8

2.2 数字钟仿真图

2.2.1 cc4518功能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 10

2.2.2 cc4511功能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

2.2.3 数字钟电路原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

2.2.4 EWB仿真图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

2.2.5 数字钟电路Protel 设计图„„„„„„„„„„„„„„„„15

2.2.6 设计PCB 图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16

2.2.7 12归1 图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 16

3 数字钟的焊接及注意事项

3.1 焊接元件清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 17

3.2焊接注意事项„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 27

3.3 安装调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 18

4 拓展功能

4.1数字钟闹时电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

4.2仿电台报时电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

4.3定点报时电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20

5 总结及体会„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20

6 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21

7附录

1 数字钟的基本组成及工作原理

数字钟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, 其中包括了组合逻辑电路和时序电路。

1.1数字钟的构成

数字钟实际上是一个对标准频

率(1HZ)进行计数的计数电路。由于

计数的起始时间不可能与标准时间

(如北京时间) 一致, 故需要在电路上

加一个校时电路, 同时标准的1HZ 时

间信号必须做到准确稳定。通常使用

石英晶体振荡器电路构成。如图所示

为数字钟的一般构成框图。

⑴晶体振荡器电路 晶体振荡器

电路给数字钟提供一个频率稳定准

确32768Hz 的方波信号, 可保证数字

钟的走时准确及稳定。不管是指针式

的电子钟还是数字显示的电子钟都使 图1 数字钟逻辑构成图 用了晶体振荡器电路。

⑵分频器电路 分频器电路将32768Hz 的高频方波信号经32768()次分频后得到1Hz 的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。

⑶时间计数器电路 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器, 分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成, 其中秒个位和秒十位计数器, 分个位和分十位计数器为60进制计数器, 而根据设计要求, 时个位和时十位计数器为12进制计数器。

⑷译码驱动电路 译码驱动电路将计数器输出的8421BCD 码转换为数码管需要的逻辑状态, 并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。

⑸数码管 数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管, 本设计提供的为LED 数码管。

1.2 数字钟的工作原理

1) 晶体振荡器电路

晶体振荡器是构成数字式时钟的核心, 它保证了时钟的走时准确及稳定。一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类, 一类是用TTL 门电路构成;

另一类

是通过CMOS 非门构成的电路。该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路, 如数字钟, 电子计算机, 数字通信电路等。

2) 分频器电路

通常, 数字钟的晶体振荡器输出频率较高, 为了得到1Hz 的秒信号输入, 需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路, 一般采用多级2进制计数器来实现。例如, 将32768Hz 的振荡信号分频为1HZ 的分频倍数为32768(),即实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。常用的2进制计数器有74HC393等。

3) 时间计数单元

时间计数单元有时计数, 分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为12进制计数器或24进制计数器, 其输出为两位8421BCD 码形式; 分计数和秒计数单元为60进制计数器, 其输出也为8421BCD 码。一般采用10进制计数器如74HC290,74HC390等来实现时间计数单元的计数功能。欲实现12进制和60进制计数还需进行计数模值转换。

4) 译码驱动及显示单元

计数器实现了对时间的累计以8421BCD 码形式输出, 为了将计数器输出8421BCD 码显示出来, 需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流, 一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。常用的7段译码显示驱动器有CC4511。

5) 校时电源电路

当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常, 校正时间的方法是:首先截断正常的计数通路, 然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端, 校正好后, 再转入正常计时状态即可。

6) 整点报时电路

一般时钟都应具备整点报时电路功能, 即在时间出现整点前数秒内, 数字钟会自动报时, 以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波, 较复杂的也可以是实时语音提示。

2 数字钟的设计与制作

2.1 设计步骤与方法

2.1.1数字钟主体电路设计

数字钟主板的构成框图如右图所示

2.1.2校时电路

当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。校时电路如图所示

2.1.3 振荡电路

晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，

它保证了时钟的走时准确及稳定。如右图所

示。

2.1.4 计数器电路

时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为１２进制计数器计数器，其输出为两位８４２１ＢＣＤ码形式；分计数和秒计数单元为６０进制计数器，其输出也为８４２１ＢＣＤ码。

秒个位计数单元为１０进制计数器，无需进制转换，只需将ＱＡ与ＣＰＢ（下降沿有效）相连即可。ＣＰＡ（下降没效）与１ＨZ 秒输入信号相连，Ｑ３可作为向上的进位信号与十位计数单元的ＣＰＡ相连。秒十位计数单元为６进制计数器，需要进制转换。

分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的Ｑ３作为向上的进位信号应与分十位计数单元的ＣＰＡ相连，分十位计数单元的Ｑ２作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣＰＡ相连。

时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为１２进制计数器，不是１０的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行１２进制转换。

CC4518双BCD 同步加法计数器

（国外同类型号：CD4518、MC4518）

管脚图

功能表

60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。）

根据CC4518的芯片功能，当CLK 端接低电平时EN 端为下降沿加计数。个位向十位的进位脉冲，利用Q3的下降沿，接EN 端。每当个位计满9后就使高片计1从而完成计数。

要完成60进制，只需十位计数到0110，即Q1、Q2接与门再对十位进行清零即可。

24进制技术电路

24进制计数电路工作原理与60进制计数电路工作原理基本思想相同都是利用CLK 端接低电平时EN 端为下降沿加计数。个位向十位的进位脉冲，利用Q3的下降沿，接EN 端。每当个位计满1001B 后就使高片计1完成计数。

不同之处在于此电路是计数到24。此时的清零工作分别要牵扯到十位和个位（0010 0100）利用个位的Q2和十位的Q1经过一个与门同时对两片CC4518

芯片同

时清零。完成24进制的计数。 60进制计数、译码、显示仿真图：

24进制计数、译码、显示仿真图：

2.1.5 译码显示电路

计数器实现了对时间的累计以8421BCD 码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CC4511作为显示译码电路，选用LED 数码管作为显示单元电路。

CC4511 7段锁存/译码/驱动器（国外同类型号：CD4511、MC4511）

管脚图：

功能表：

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Q 0－Q 3状态如何，七段全部显示，以检查各字段的好坏。

（2）消隐功能： 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。

LC5011-11 LED/7段（共阴极）数码管

译码/显示电路:

1. 数码管内部已将3端、8端连接在一起，所以使用时，3端接地，8端悬空) 。

2. 限流电阻计算：数码管的工作电压为U Ｄ（手册数据），工作电流为I （手册数据），译码器输出的高电平Ua~g，则限流电阻上的电压应该为U －U Ｄ，限流电阻阻值： R ＝（Ua~g－U Ｄ）／I

2.1.6 整点报时电路

一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。

2.1.7 秒脉冲发生器

555构成多谐振荡器（f=1HZ） 555芯片介绍

管脚图：

NE555 功能表

555构成多谐振

荡器电路图（f=1HZ）

参数计算

f =1Hz R 1=428.5K Ω R 2=500K Ω C 1=0.01μF C 2=1μF

t w 1=0.65s t w 2=0.35s T =1s 多谐振荡器的特点：

（1）不需外触发的自激振荡器；

（2）无稳定状态，均为暂稳态；

（3）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。 工作原理

（1） Vcc通过R1、R2向C 充电, 在VC 没有充电到 2VCC/3 之前,Vo 保持 1 不变。 （2） 当VC ＝2VCC /3时→Vo 由1翻转为 0 。 →T 导通，→电容C 经R2、T 放电。

（3）当Vc 降至VCC /3时，使得→Vo 回到 1 ，→T 截止，→电容C 再充电，进入循环

V c

2 V cc 3

1

V cc 3

V o 图 555震荡电路波形图

2.2 数字钟仿真图

2.2.1 cc4518功能 CC4518实现计数 芯片功能介绍

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。计数器为D 触发器。具有内部可交换CP 和EN 线，用于在始终上升沿或下降沿加计数。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 为高电平时，计数清零。

计数器在脉动模式可级联，通过将Q3链接至下一计数器的EN 输入端实现级联。同时后者的 CP 输入保持低电平。

cc4518功能表

极限参数

管脚图

波形图

2.2.2 cc4511功能 芯片功能介绍

CC4511 是BCD-7段所存译码驱动器，在统一单片结构上由COMOS 逻辑器件npn 双极型晶体管构成。这些器件的组合，使CC4511具有底静态耗散和高抗干扰及原电源电流高达25mA 的性能。由此可直接驱动led 及其它器件。LT,BI,LE 端分别检测显示。亮度调节，存储或选通—BCD 码等功能。当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。 管脚图

2.2.3数字钟电路原理图

2.2.4 EWB仿真图

s e g 1a

g 1b

g g g g 1G

1a 1b 1f

g s e g 1g

g 2a

g 2b

g g g g g s e g 2g

2f

2a 2b 2G

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g 3b

g s e g 3g g 2.2.5 数字钟电路Protel 设计图

g 3f

3a 3b

g g 3G

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g 4b

g g g s e g 4g

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4a 4b

g g 4G

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g g g s e g 5g

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5a 5b

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g 6b

g g g s e g 6g

6f

6a 6b

g g 6G

2.2.6 设计PCB 图

2.2.7 12归1电路

3 数字钟的焊接及注意事项

3.2焊接注意事项

1. 检查印刷线路板，是否有断线、短路等。 2. 第一步焊IN4148二极管（黑圈为负极）， IN4007（IN4002）二极管（白圈为负极），两个二极管要平行在一条线上。

正负

3. 第二步焊限流电阻，电阻黄色为有效环需放在上方，同时摆放要整齐。（为了保护发光数码管防止电流过大而损坏数码管需加，电源电压低可以取值小些，电源电压高可以取值大些）。

4. 第三步焊集成电路座，座的缺口为标志，方向应该在左边。

5. 电解电容须分清正负极，长脚为正短脚为负，独石电容不分正负极。 6. 发光二极管有正负极之分，长脚为正短脚为负, 不要接反。

7. 安插集成芯片时要看清候型号，注意芯片缺口方向应该在左边，缺口对应的左下方为1管脚。

8. 开关（K1）调整秒，开关（K2）调整分，开关(K3)调整小时，开关K4为暂 停，通过调整使时钟的秒、分、时走时与标准时间同步。

9. 芯片功能简介： CC4518为双四位BCD 同步加计数器； CC4511为七段译码驱动/锁存器；CC4060为二进制14位计数分频器；CC4040二进制12位计数分频器； LG5011AH 为共阴数码管。

10. 数字钟焊好通电检查，如果数码管不亮，需检查整个地线是否通、3号管脚是否接地

11. 显示不正常，需要用万用表检查每个芯片的工作电源，（红表笔放在14管脚、黑表笔放在7管脚）。

3.3 安装调试

在进行整体电路连接之前，应对各部分的电路进行逐一安装和调试。 （一）晶体振荡器的安装和调试

振荡电路输出接发光二极管，观察发光二极管的显示情况。

（二）计数器的安装和调试

1.按电路连线，输出可接发光二极管。观察在CP 作用下（CP 为1HZ ，可由555振荡电路提供）输出端发光二极管的状态变化情况，验证是否为六十进制计数器。 2.调试过程中要注意以下几个问题：

（1）根据HEF4518的功能表，当触发脉冲由CP 端输入时，EN 端应接高电平，此时CP 上升沿触发；当触发脉冲由EN 端输入时，CP 输入端接底电平，此时CP 下降沿触发。

(2)Cr为异步复位端，高电平有效。当Cr 为高电平时，计数器复位，正常计数时，应使Cr=0。

(三) 译码显示电路的安装和调试

按电路在实验板上连线。它是由十进制加法计数器CC4518，BCD-7段锁存译码/驱动器CC4511和LED 七段数码管组成。

观察在CP 作用下数码管的显示情况。需要注意的是，CD4511正常工作时，LT =BI应为高电平，LE 应为底电平。 （四）校时电路的安装和调试

将555电路输出接发光二极管。拨动开关，观察在CP 〈1HZ 〉作用下，输出端发光二极管的显示情况。通过调节555电路的微调电位器来进行时钟频率调节, 以至和北京时间一致即可。

4 扩展功能

4.1数字钟闹时电路

4.2仿电台报时电路

4.3定点报时电路

5 总结及体会

经过长达两个星期的课程设计，最终完成了多功能数字钟的设计。其间遇到了许多问题，但最后都能顺利得到解决，此次课程设计我感受很深。

本次电子技术综合设计所研究的多功能数字钟，具有时、分、秒的显示、校准，定点报时功能。采用石英晶体振荡器通过分频得到秒脉冲，通过用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，对于重新接通电源或走时出现的误差，利用脉冲开关对时间进行调整，然后经过CC4511 七段译码驱动/锁存器及LG5011AH 共阴数码管构成的译码及显示电路将时间显示出来。另外，还添加了定点报时功能，由74LS273实现。

在此次的数字钟设计过程中, 首先我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。在连接六进制, 十进制,

六十进制的进位及十二进制的

接法中, 要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能, 那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。其次，熟练的掌握了EWB,PROTEL 软件的使用，能够掌握元件的调用，如何在PROTEL 中画封装，设置单面板，PCB 布线等等。在设计电路的连接图中出错的主要原因大都是接线的错误所引起的。只要细心点就不容易出错。然后在焊接扩展板时，布线的好坏对最后功能的实现也有一定的影响，这要求我们在焊接之前就将电路的轮廓有大致的排列，不要盲目的去焊，这样可以起到事半功倍的效果。当管脚坐都固定好后，应先将Vcc 和Gnd 连接好，这样方便接下来电路的连线，使管脚不宜出错。焊接时不要急，等电烙铁足够热时再焊，防止由于电烙铁与板接触的时间太长而导致焊盘的脱落。

这次实验的遗憾是扩展板没有实现功能，由于急于求成的原因，没将原理图研究清楚就动手去焊接，导致有些走线错误，无法实现功能。不过总体来说，此次课程对我帮助很大。学会了许多软件的使用，以及体验到了论文的重要性及复杂性。我将在今后的学习中更加积极刻苦！

6 参考文献

[1] 曹国清. 数字电路与逻辑设计. 徐州：中国矿业大学出版社， 1998 [2] 华罗庚，王元. 论一致分布与近似分析. 中国科学.1973（4）：339-357 [3] 李明. 物理学. 北京：科学出版社，1977，58-62

[4] 许家林. 岩层移动与控制的关键层理论及其应用[博士学位论文].徐州：中国矿业大学，1998

[5] 中华人民共和国国家技术监督局.GB3100-3102. 中华人民共和国国家标准. 北京：中国标准出版社，1994-11-01

附录

附录1：基本电路元器件清单：

附录2：扩展电路元器件清单