多功能简易数字钟

中国矿业大学徐海学院

电子技术综合设计

姓 名：专 业：题 目：专 题：设计地点：设计日期：

成绩：

学 号： 电气工程 13-5 班 多功能简易数字钟 电子技术综合设计 电工电子实验室 2015年 11月23日 至 2015年12月3日 指导老师：

2015 年 12 月

徐海学院电子技术综合设计

电子技术综合设计任务书

学生姓名 专业年级 电气13-5班 学号

设计日期： 2015年 11月23日 至 2015年12月3日

设计题目： 电子技术综合设计

设计专题题目：多功能数字钟

设计主要内容和要求：

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 用脉冲开关设计校准功能； ④ 脉冲信号发生器：

用NE555构成多谐振荡器（f=1KHz）

2. 整体电路原理图

60秒（60分）及24小时------计数、译码、显示

3. EWB仿真图

60秒、60分、24小时------计数、译码、显示

4. 设计原理图

用PROTEL99设计原理图

5. 设计PCB版图

用PROTEL99设计PCB板图

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： 年 月 日

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摘 要

本次电子技术综合设计实验是模拟电子技术和数字电子技术的综合应用，充分结合了组合电路和时序电路设计多功能数字钟。完成在能够正常进行时、分、秒计数的基础上加入定时和12归1的功能。

我们首先从系统方案设计论证开始，先后用EWB完成数字钟的仿真设计，实现了用NE555定时器组成的无稳态电路产生频率为1Hz的脉冲，用CC4518实现了24、60进制的计数，用 CC4511与数码管实现了对计数输出进行译码和显示；最终结合门电路完成了计数与校准的主板功能。

然后用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：NE555脉冲 CC4518计数器 CC4511译码显示 校时

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目 录

1 设计方案及器件选择 ................................................................................................................... 1

1.1总体方案图 ........................................................................................................................ 1 1.2 器件选择 ........................................................................................................................... 1 1.3 技术指标 ........................................................................................................................... 1

1.3.1 基本功能 ............................................................................................................... 1

2 数字钟设计原理 ........................................................................................................................... 2

2．1 秒脉冲发生器 ................................................................................................................. 2 2.1.1 555芯片介绍 ................................................................................................................ 2

2.1.2 工作原理 ............................................................................................................... 2 2．2秒、分、小时计数电路 .................................................................................................. 3

2.2.1 CC4518双BCD同步加法计数器 ...................................................................... 3 2.2.2 CC4518构成60、24进制计数电路 .................................................................... 3 2.3 CC4511 7段锁存/译码/驱动器 .................................................................................... 4

2.3.1 LC5011-11 LED/7段（共阴极）数码管管脚图及内部结构原理图 .............. 5 2.3.2译码/显示电路 ...................................................................................................... 5 2.3.3 60进制计数、译码、显示电路 .......................................................................... 5 2.4校时电路 ............................................................................................................................. 6

2.4.1校时电路及其原理图 .............................................................................................. 6 2.4.2开关特性及校时脉冲功能表 ................................................................................ 7 2.5 12归1电路 ........................................................................................................................ 7

2.5.1 12归1计数电路 .................................................................................................. 7 2.5.2 12归1计数电路工作原理 .................................................................................. 7

3 系统电路图 ................................................................................................................................... 9

3.1数字钟电路原理图 ............................................................................................................ 9 3.2系统整体仿真图（见附录） .......................................................................................... 10 3.3数字钟电路Protel设计图 （见附录） ...................................................................... 10 3.4印刷电路板的元件分布图（见附录） .......................................................................... 10 3.5 印刷电路板布线图 （见附录） ................................................................................... 10 4 数字钟的焊接及注意事项 ......................................................................................................... 11

4.1数字钟的焊接(见附录） ................................................................................................ 11 4.2数字钟焊接的注意事项 .................................................................................................. 11 5 参考文献..................................................................................................................................... 12 6 总结和体会 ................................................................................................................................. 13 7 附录 ............................................................................................................................................ 13

7.1 系统整体仿真图 ............................................................................................................. 14 7.2 数字钟电路Protel设计图 ........................................................................................... 15 7.3 印刷电路板的元件分布图 ............................................................................................. 16 7.4 印刷电路板布线图 ......................................................................................................... 16 7.5数字钟焊接板（布线图） .............................................................................................. 17 7.6元器件清单 ...................................................................................................................... 17 7.7所焊电路板实体图 .......................................................................................................... 18

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1 设计方案及器件选择

1.1总体方案图

1.2 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。

1.3 技术指标

1.3.1 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

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2 数字钟设计原理

2．1 秒脉冲发生器

2.1.1 555芯片介绍

（1）参数计算

R1=6.8kohm R2=3.3kohm C1=0.1mf C2=0.01uf

tw10.7(R1R2)C1707ms tw20.7R2C1231ms T0.7(R12R2)C1938ms

（2）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。 2.1.2 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VC＝2 /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。

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2．2秒、分、小时计数电路

2.2.1 CC4518双BCD同步加法计数器 管脚图

计数状态表

功能表

工作原理：CC4518计数状态表由上图得，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。

2.2.2 CC4518构成60、24进制计数电路

CC4518构成60进制计数电路如图2-5所示，左边为十位计数电路，右边为个位计数电路，当个位计数器计到9（Q4Q3 Q2Q1=1001）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。

CC4518构成24进制计数电路如图2-5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。

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2.3 CC4511 7段锁存/译码/驱动器

管脚图

功能表

（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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2.3.1 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)2-7LC5011-11内部结构图

2.3.2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UＤ（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－UＤ，限流电阻阻值：

R ＝（Ua ~ g－UＤ）／I

3.高电平点亮数码管，显示数字0~9。 输出与显示数

2.3.3 60进制计数、译码、显示电路

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

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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，把信号最后送到数码管显示数。

2.4校时电路

2.4.1校时电路及其原理图

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2.4.2开关特性及校时脉冲功能表 （a)开关特性功能表

（b)脉冲特性功能表

工作原理：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。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。

2.5 12归1电路

2.5.1 12归1计数电路

2.5.2 12归1计数电路工作原理

工作原理：使用CC4518的计数器，上升沿有效我们需要用到的是上升沿计数下降沿从9 ，12归1从0到9再从9到0原理图信号源及D触发器给一个脉冲 下降沿有效高电平有效不计数，计数器异步清0个位到9清零，十位12清0，最后置1，相与后给清0端，12异步计数端，归0后置1，低位的时候开始清0。

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12归1工作原理图

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3 系统电路图

3.1数字钟电路原理图

60秒、 60分、 24小时计数、译码、显示电路

手绘图如图所示

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3.2系统整体仿真图（见附录）

3.3数字钟电路Protel设计图 （见附录） 3.4印刷电路板的元件分布图（见附录） 3.5 印刷电路板布线图 （见附录）

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4 数字钟的焊接及注意事项

4.1数字钟的焊接(见附录） 4.2数字钟焊接的注意事项

（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；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（红表笔放在被检测的管脚、黑表笔放在3管脚） （11） 显示不正常，首先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），如果正常，接着查数码管及连接的电阻是否接通。 （12）如果数码管显示的计数特别快，应该检测晶振是否工作正常，如果正常，检测与其连接的那一个电阻是否导通。

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5 参考文献

[1]《数字电路与逻辑设计》 曹国清 徐州：中国矿业大学出版社，1998 [2] 《电子技术基础》 康光华 北京：高等教育出版社，2008. [3] 《电子线路设计》 谢自美 武汉：华中科技大学，2000.

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6 总结和体会

经过近两周的学习，完成了多功能简易数字时钟的制作。复习了许多数电、模电的知识，也重新练习了焊接的技术。

开始觉得很简单，不过在做的过程中就发现还是有很多的问题。首先是使用4518实现60进制与24进制，这是在大二学习的内容，大多数都忘记了，经过翻找资料询问老师慢慢的重新拾起以前的只是，搞懂了其中的原理，在同学的讲解中也学会了12归1的方法。焊接时也出现了问题，因为焊盘太细容易脱落，中途出现脱落，导致焊锡不与焊盘粘黏，后来用铁丝来固定最后固定住。电源的焊接部分也出现问题，因为焊孔太大焊锡透过焊板将电源接口的塑料烫坏，然后换了一个新的电源接口，将焊板竖立着让焊锡用重力滑落直到覆盖焊孔。

建议：本着严谨的态度，规范原理图是正确的，但是，感觉花费的时间太多了，希望能够挤一点时间去研究其他的问题，比如在研究更复杂的功能，就像定时功能，报时功能。希望以后能用单片机设计时钟，这样会有更多的自主性，能够锻炼能力，用硬件太单调，无趣。

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7 附录

7.1 系统整体仿真图

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7.2 数字钟电路Protel设计图

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7.3 印刷电路板的元件分布图

7.4 印刷电路板布线图

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7.5数字钟焊接板（布线图）

7.6元器件清单

基本电路元件清单：

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 型号 集成芯片 集成芯片 集成芯片 集成芯片 芯片座 数码管 晶振 三极管 发光二极管 二极管 二极管 电解电容 电容独石 电阻1/4W 电阻1/4W 电阻1/4W 参数 CC4518 CC4511 CC4060 CC4040 16P LG5011AH 32768 PNP(1015) φ5 IN4007 4148 100uF／16V 104 1MΩ 220KΩ 100KΩ 数量(个) 3 6 1 1 11 6 1 1 4 4 6 5 12 4 4 1 徐海学院电子技术综合设计

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16 17 18 19 20 电阻1/4W 电阻1/4W 微动开关 稳压电源座 电路板 470Ω 220Ω 6*6*6 φ3.5空心座 42 2 4 1 1 7.7所焊电路板实体图