1、设计：定点报时功能 12小时归1计数电路指导教师 年 月 日摘要本次实验是设计一个多功能数字钟，用来实现24时、60分、60秒的计数功能。实验首先用秒脉冲信号发生器产生信号，经分频电路进行分频给秒计数电路，然后通过秒计数电路的进位脉冲给下一级分计时电路，再把分计数电路的进位脉冲给下一级时计时电路。各级的输出信号经各自的译码电路进行译码，最后通过数码管显示时、分、秒。关键字 秒脉冲信号发生器，秒/分/时计数电路，译码电路数码管1、绪论 1.1电子技术综合设计性质 1.2综合设计主要特点 1.3综合设计目的 2、数字钟总体方案 2.1方案图 2.2器件选择 2.3技术指标 3、数字钟电路原理设计3
2、.1秒脉冲发生器3.1.1 555芯片介绍 3.1.2多谐振荡器电路 3.1.3秒脉冲发生器工作原理 3.2秒、分、小时计数电路 3.2.1 CC4518芯片介绍 3.2.2CC4518双BCD同步加法计数器 3.2.3 CC4518 工作原理 3.3 CC4511 7段锁存/译码/驱动器 3.3.1 CC4511芯片介绍 3.3.2 CC4511译码电路3.3.3 CC4511 工作原理 3.4 LC5011-11 LED/7段（共阴极）数码管 3.4.1 LG5011AH管脚图 3.4.2译码/显示电路及原理说明3.5 其它芯片 3.5.1 CD4060 分频器3.6 校时电路 4、系统电
3、路图 4.1数字钟电路原理图 4.2系统整体仿真图 4.3数字钟电路Protel设计图 4.4印刷电路板的元件分布图 5、焊接板电路分析 5.1石英晶体振荡器 5.2晶振构成秒信号发生器 5.3 二极管与门工作原理 5.4 校准开关工作原理5.5 发光二极管工作原理5.6整流桥部分的工作原理6、扩展功能6.1定点报时电路所用芯片6.2定点报时电路工作原理7、总结8、致谢9、参考文献10、附录 1 绪论1.1电子技术综合设计性质 电子技术综合设计是在学完模拟电子术、数字电子技术课程之后，安排的实践教学环节。使学生能综合运用所学知识，进行实际电子线路的设计、装接、调试等。 通过完成一个课题的电路设
4、计、理论计算及实验调试任务，巩固和加深电子技术课程中所学理论知识和实验技能。在实践中提高分析问题、解决实际问题的能力，为今后的毕业设计、工程实践打下一定基础。1.2综合设计主要特点（1） 不同于平时的习题 作习题主要是为了加深对课堂上讲解知识的理解，题目内容涉及面较单一，在给定的理想化的条件下，经过抽象加工后，不难得出标准答案。 电子技术综合设计任务，多是实际的“模拟”或“数字”电路装置，它涉及的知识多而广，没有固定的答案，只能从实际出发，通过调查研究，查询资料，方案比较，设计计算得到比较好的设计方案后，再通过实验调试，使理论设计逐步完善，最后达到实际要求。（2） 不同于一般的基础实验 基础实
5、验着重点是放在验证基本理论和电路性能上，通过实验只能初步了解电路实验的步骤和基本方法，熟悉常用电子仪器设备的使用方法。 电子技术综合设计，正是为学生创造一个动脑又动手，独立开展电路设计、调试的机会。可以运用实验手段检验理论设计中的问题所在，又可运用学过的知识，指导电路调试工作，使电路更加完善。（3） 不同于毕业设计 毕业设计是培养工科学生的最后一个教学环节，它要求学生综合运用公共基础课、专业基础课和专业课的知识，去解决工程实际问题；完成工程技术人员必须具有的基本能力的训练；从题目的广泛和深度上，毕业设计比电子技术综合设计要难。（4） 电子技术综合设计特点 它围绕一门课程内容做综合性的训练，题目
6、虽出自实际电路，但比较简单，比较定型，一般不是真实的生产、科研任务，基本上是有章可循。 着眼点是让学生开始从理论学习轨道引向实际方面。把过去熟悉的定性分析，定量计算方法与工程估算，实验调整等手段结合起来。 逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施办法。使理论和实际有机结合，真正实现由知识向智能的转化。锻炼分析问题、解决电路实际问题的本领。1.3综合设计目的 （1）、巩固和加深对电子线路基本知识的理解，提高学生综合运用电子技术课程所学知识的能力，使理论和实际有机结合，真正实现由知识向智能的转化。 （2）、培养学生根据课题需要选学参考书，查阅手册和文献资料的自学能力。通过独立思考，深
7、入钻研有关问题，学会自己分析问题、解决问题的能力。 （3）、通过实际电路的设计方案的分析比较、参数计算、元件选取，安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。 （4）、掌握常用仪器设备的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。 （5）、能按设计任务书的要求，编写设计说明书，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。 （6）、培养严肃认真的工作作风和科学态度，发扬团队精神。2 总体方案2.1方案图2.2 器件选择计数电路：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：（1）用555构成多谐
8、振荡器（2）选用32768Hz的晶振构成振荡电路，然后经过CD4060的14级分频分出2Hz，再经过CD4040的2分频分出秒脉冲。2.3 技术指标2.3.1 基本功能 （1）实现60秒、60分、24小时的计数、译码、显示； （2）具有校准功能； （3）自带秒脉冲信号发生器2.3.2扩展功能 定点报时电路：用集成芯片74LS21,74LS266和74LS2733 数字钟电路原理设计3 秒脉冲发生器3.1.1 555芯片介绍（a）、555管脚图3.1.2 555构成多谐振荡器（f=1HZ）555电路图 555工作波形 （1）、参数计算R1=6.8kohm R2=3.3kohm VC=0.1mf
9、C2=0.01uf（2）、多谐振荡器的特点： 不需外触发的自激振荡器； 无稳定状态，均为暂稳态； 矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。3.1.3 工作原理 （1） Vcc通过R1、R2向C充电,在VC 没有充电到 2/3VCC 之前,Vo 保持 1 不变。 （2） 当VC2 /3VCC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。3.2秒、分、小时计数电路 3.2.1 CC4518芯片功能介绍 CL （CP0）EN （CP1）R功 能1加计数不 变Q3Q0=0（a）CC451管脚图
10、（b） CC4518功能表 3.2.2 CC4518双BCD同步加法计数器（a） CC4518构成60进制计数单元电路1、60进制计数电路工作原理如图所示左边为十位计数，右边为个位计数，当个位计数器计到9时，即Q4=1，给十位一个进位脉冲，此时Q4的下降沿,接EN端，使得十位进一。当Q3Q2=11这个脉冲来时，向个位，十位同时清零。Q3Q2为11，使清零端工作十位个位同时清零，循环计数。（b） CC4518构成24进制计数单元电路2、24进制计数电路工作原理当十位Q2=1,各位Q3=1时这个脉冲来时，二者相与后，把脉冲给向个位，十位，使得它们清零，循环计数。3.2.3工作原理 CC4518技术
11、状态表如右图，由上图得，左边为十位计数，右边为个位计数，当个位计数器计到9下个脉冲来时，Q4的下降沿,接EN端，个位清零并向十位进1，当十位Q3Q2为11，这个脉冲给十位个位，十位的清零端，使之清零。此后一直循环计数。3.3 CC4511 7段锁存/译码/驱动器3.3.1 CC4511 芯片功能介绍（a）、CC4511管脚图显示输 入输 出LEBILTDCBAabcdefg23456789消隐锁存灯测试CC4511功能表 （b）、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Q0Q3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B
12、I=0时，输出ab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3210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。3.3.2 译码、显示单元电路 电路 电路单元电路工作原理：信号经CC4518双BCD同步加法计数器处理后，再经CC4511进行译码，当BI=1 LT=1 LE=0，译码器工作，当3210端输入8421BCD码时，译码器对应的输出端输出高电平1，把信号最后送到数码管显示数字。3.4 LC5011-11 LED/7段（共阴极）数码管3.
13、4.1 LC5011-11 LED/7段（共阴极）数码管管脚图及内部结构原理图 （a） LC5011-11管脚图 （b）LC5011-11内部结构3.4.2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（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）I3.高电平点亮数码管，显示数字09。输出与显示数 3.5 其它芯片3.5.1 CD4060 分频器（a）管脚图： （b）分频原理： Q4： 24 = 16 Q14： 214 = 32768/
14、2CC4060的振荡电路通过外接石英晶体可构成高精度的晶体振荡器。由CC4060内部门电路构成的晶体振荡器也与用普通门电路构成的晶体振荡器的电路一样，图中的电阻R是反馈电阻，用来使非门工作在传输特性曲线的线性区，其值可在几兆欧到几十兆欧间选取，晶体工作在并联谐振状态，呈感性。调节CT，可对振荡频率进行微调到精确值。CC4060分频器部分是由D触发器组成的14位二进制串行计数器，其分频系数为1616384（分别由Q4 - Q14输出）。R为复零端，R=1时计数器全部清零，同时使时钟禁止输入或者使内振荡器停振；R为低电平时，进入计数状态。CC4060分频器构成的秒信号发生器电路，它可以为数字钟或其
15、它计数器提供固定的时钟信号（1秒）。该电路是由CC4060和BCD码同步加法计数器CC4518构成。电路中利用CC4060组成两部分电路，一部分是14级分频器，另一部分是由外接电子表用石英晶体构成的频率为32768Hz（215 Hz）的振荡源。振荡器输出经14级分频后在输出端Q14上得到2Hz脉冲，再送入由CC4518构成的二分频器，分频后在输出端Q1上得到秒基准信号，频率为1 Hz,（c）CD4060内部结构图2.晶体振荡复位3.6校时电路3.6.1校时电路原理图 3.6.2开关特性及校时脉冲功能表 （a） 开关特性功能表 （b） 校时脉冲功能表3.6.2校时电路工作原理数字钟应具有分校正和
16、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。即为用COMS与或非门实现的时或分校时电路，一端与低位的进位信号相连；另一端与校正信号相连，校正信号可直接取自分频器产生的1HZ信号；输出端则与分或时个位计时输入端相连。当开关打向下时，因为校正信号和0相与的输出为0，而开关的另一端接高电平，正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处于正常计时状态；当开关打向上时，情况正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态。4系统电路图4.1数字钟电路原理图（8K白纸手工画图）60秒、 60分、 24小时计数、译码、显示电路4.2系统整体仿真图（见
17、附录）4.3数字钟电路Protel设计图 （见附录）4.4印刷电路板的元件分布图（见附录）4.5 印刷电路板布线图 （见附录） 5焊接板电路分析5.1石英晶体振荡器5.1.1选用32768Hz的晶振构成振荡电路5.1.2晶体振荡器工作原理在自激振荡器中，起始瞬间的振荡电压产生原因两种：一是接通电源时电路各处的瞬变电压；二是放大器中的电扰动和噪声电压。这些起始电压中包含各种丰富的频率分量，总会有符合相位条件的某个频率成分。当振幅增大到某种程度后，由于三极管特性的非线性，其工作范围将超出放大区，进入饱和区或截止区，放大器的放大倍数将显著下降，使输出信号振幅增大变缓，另一方面，能量的损耗也会使输出信
18、号振幅增大变缓。G2G1 对称式多谐振荡器是一个正反馈振荡电路。G1, G2是两个反相器，C1,C2是两个耦合电容，RF,R是两个反馈电阻。只要恰当地选取反馈电阻的阻值，就可以使反相器的静态工作点位于电压传输特性的转折区。电容C、C与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。晶体振荡器电路图如上图所示的晶体振荡器电路，常取晶振的频率为32768Hz，可以提供一个频率稳定准确的方波信号，又因其内部有15级2分频集成电路，所以输出端正好可得到1
19、Hz的标准脉冲，可保证数字钟的走时准确及稳定。5.2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。（管脚图及分频原理见3.5.1）5.3 二极管与门工作原理A BF0 0 0 1 1 0 0 1 15.3.1二极管与门 二极管与门真值表由真值表可知，仅当A和B全为1时，输出F才是1，否则F为0，实现了与逻辑关系，故称之为与门电路。5.3.2二极管与门工作原理（1） 当A,B两个输入信号都为高电平，即，则两二极管全部截止，所以输入端F为高电平，（2） 当A,B有一个信号为低电平，则有一个二极管导通，此时输出
20、端F被置于低电平，。（3） 当A,B两个输入信号都为低电平，即，则两二极管全部导通。输入端F为低电平，5.4 校准开关工作原理 （校时开关图见3.6.1）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。校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，（其中S2为校“分”用的控制开关 ；S1为校“时”用的控制开关 ）可能会产生抖动，接电容C1、C2可以缓解抖动。必要时还应将其改为去抖动开关电路。当S1或S2分别为“0”时还可进行“快校时”。 如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供，则可以进行“慢校时”（
21、校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲）。5.5 发光二极管工作原理发光二极管内部是具有发光特性的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。普通发光二极管的外形、符号及伏安特性如图1 所示。LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前几乎有电流。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位cd/m2，读作坎德拉每平方米）与正向电流IF近似成正双，有公式L =K Ifm式中，K为比例系数，在小电流范围内（IF=110mA），m=1.31.5。当IF10mA时，m=1，式（5.10.1）简化成 L =K IF即亮度与正向电流
22、成正比。以磷砷化镓黄色LED为例，相对发光强度与正向电流的关系如图2所示。LED的正向电压则与正向电流以及管芯的半导体材料有关。使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF值（一般选10mA左右，对于高亮度LED可选12mA），既保证亮度适中，也不会损坏LED。若电流过大，会烧毁LED的PN结。此外，LED的使用寿命将缩短。5.6整流桥部分的工作原理5.6.1工作原理 单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路，如图（a）所示。（a）单向桥式整流电路整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，根据图（a）的电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通（D2、D4截止），在负载电阻上
23、得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的电流与电压波形见图（b）。5.6.2 参数计算 根据图（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。其输出平均电压为 （b） 单相桥式整流电路的电流与电压波形流过负载的平均电流为:流过二极管的平均电流为:流过负载的平均电流为:二极管所承受的最大反向电压:流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。6扩展功能6.1定点报时电路所用芯片6.1.1 74LS273八D锁所存器（a）管脚图:（b）内部结构图：（c）功能表（d）功能74LS273八D锁所存器将输入的信号进行锁存6.1.2 74LS21 4输入2与门 6.1.3 74LS266 2输入4同或门 6.2工作原理定点报时电路图首先由CC4518计数器产生
