湖北理工学院电子技术数字钟课程设计.docx
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湖北理工学院电子技术数字钟课程设计
电气与电子信息工程学院
电子技术课程设计
设计题目：
直流稳压电源和多功能数字钟电路设计
专业班级：
11级电气工程及其自动化（三）班
学 号：
03
姓名：
指导教师：
南光群黄红霞
设计时间：
~
设计地点：
K3—204
课程设计任务书
2012～2013学年第2学期
学生姓名：
专业班级：
11电气工程及其自动化3班
指导教师：
南光群、黄红霞工作部门：
基础教研室
一、课程设计题目直流稳压电源的设计/数字钟的设计
二、课程设计内容（含技术指标）
1．直流稳压电源的设计
①输入电压：
220V±10%、50Hz
②输出电压：
5V
③输出电流：
≥1A
④电压调整率：
≤7mV（测试条件：
IO=500mA）
⑤电流调整率：
≤25mV（测试条件：
10mA≤IO≤
2．数字钟的设计
①设计一个有时、分、秒显示且有时间校正功能的电子时钟。
②时、分、秒分别用两位数码管显示。
③最大计时时间为23时59分59秒。
三、进度安排
序号
设计内容
所用时间
1
布置任务，查阅资料及调研。
2天
2
设计方案拟定，绘制电路图。
2天
3
焊接、组装调试
4天
4
答辩、撰写设计报告书
2天
合计
10天
四、基本要求
1．根据设计内容拟定设计方案，绘制出设计电路图并在PCB/万能板上完成电路的安装，焊接和调试工作。
2．撰写设计报告书。
教研室主任签名：
黄丛生
2013年4月25日
1、方案设计与论证
直流稳压电源的设计
方案一：
采用9v集成电池。
该电池体积较小，轻巧，但电池所提供的电流小，同时随着时间的延长，会导致电压不稳定，不能够提供一个稳定的电压。
方案二：
采用变压器变压。
将220V的交流电通过变压器变压，再经过整流、滤波、稳压，产生一个稳定的电压，同时能够长时间供电。
通过以上两种方案的比较，故选方案二。
直流稳压电源的原理框图
整流电路
图1桥式整流电路
滤波电路
图2滤波电路
三端集成稳压器
图3三端集成稳压器电路
直流稳压电源的原理图及说明
直流稳压电源的工作原理为是通过变压器将220V交流电降到到9V，然后将变压后的交流电通过整流桥整流，再经过电容的滤波和LM7805三端稳压芯片的稳压，将9V的交流电转变为5V的直流电后，再经过电容的滤波、阻尼，将电压输出。
其工作原理图如下：
图4直流稳压电源原理图
数字钟的设计
数字钟原理框图
数字钟工作原理概述
数字电子钟是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
它由振荡器、分配器、计数器、译码器和显示器电路组成。
振荡器产生的时钟信号经过分频器形成秒脉冲信号，秒脉冲信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。
秒计数器电路计满60后触发分计数器电路，分计数器电路计满60后触发时计数器电路，当计满24小时后又开始下一轮的循环计数。
通过校时电路可以对分和时进行校时，且计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。
主电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。
秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。
将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。
“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。
“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。
一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。
总设计框架如上图所示。
由上图的总体结构图可知，该设计大概可以分部分：
秒脉冲产生部分、计数部分、显示部分、校时部分。
在秒脉冲产生部分中，可以用振荡器或者555定时器予以实现，为了保证准确性，优先选用振荡器，但是由于个人技术问题，我们选用了555定时器来产生秒脉冲；在计数电路中，我们采用CD4518计数器，4518为双BCD同步加法计数器。
在显示部分，我们采用CD4511芯片结合数码管来实现。
最后的校时部分用四2输入与非门的CD4011芯片结合瓷片电容来完成。
数字钟各部分电路工作原理
①秒脉冲发生器
振荡器是数字钟的核心部分。
振荡器的稳定性及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说555产生出来的秒脉冲不太稳定，但是由于某种原因，本实验采用555定时器。
其中要求R1为168K、R2为68K的电阻，C1为F、C2为F的电容，Vcc为+5V电源,GND接地。
如下图5所示：
图5秒脉冲信号发生器电路图
“脉冲信号发生器”是采用“555”定时器，555芯片的引脚图如图6所示：
图6555定时器引脚图
②计数器
（1）秒计数、译码/驱动及显示部分的设计
众所周知，秒、分、时分别为六十、六十、二十四进制（十二进制亦可）计数器那么“秒”和“分”计数器用两块十进制计数器级连来实现，它们的个位为十进制，十位为六进制，这样，符合人们通常计秒数的习惯。
“时”计数也用两个十进制集成块，只是做成二十四进制，上述计数器均可用反馈清零法来实现。
秒计数采用两个数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“秒”信号送入“秒”计数器，秒计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分”脉冲信号，该信号将作为“分”计数器的时钟脉冲，进位脉冲最终用CD4081的一个与门来实现。
而CD4511芯片具有锁存\译码\驱动的功能，可以外接电阻驱动七段口LED数码管显示出来.如下图所示
图7秒计数器
（2）分计数、译码/驱动及显示部分的设计
分计数和秒计数的原理差不多，也是采用两个数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“秒”计数器的进位脉冲送入“分”计数器，每累计60分发出一个“时”脉冲信号，该信号将作为“时”计数器的时钟脉冲，进位脉冲最终用CD4081的又一个与门来实现，同样是采用CD4511来驱动七位LED数码管显示出来.如下图所示
图8分计数器
（3）时计数、译码/驱动及显示部分的设计
时计数和分计数的原理差不多，也是采用两个数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“分”计数器的进位脉冲送入“时”计数器，但是是计数器采用的是24进制、且不需要进位脉冲，同样是采用CD4511来驱动七位LED数码管显示出来.时计时器图如下：
图9时计数器
其中秒、分、时计数器都用到芯片CD4511、CD4518、CD4081和数码管，下面就针对秒、分、时的设计原理来介绍这些芯片的引脚及功能。
1）数码管是数字钟的显示部分，由七段LED和一个点构成，其引脚图如下
图10LED引脚图
2）CD4511是BCD锁存/7段译码器/驱动器，常用的显示译码器件。
图11CD4511引脚图
CD4511引脚功能：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
LT：
3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮全部显示。
它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
3）CD4518是十进制双BCD同步加法计数器，内含两个单元的加计数器，下图为CD4518的引脚图
图12CD4518引脚图
4）CD4081是四2输入与门电路，其结构和CD4011差不多，具体引脚图如下。
③译码及显示电路
通过CD4511来实现电路的译码过程。
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，其特点是：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511中的abcd为BCD码输入端，a为最低位。
LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。
LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。
a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。
其原理图如图13所示。
图13译码器及显示电路
数字钟原理总图
此电路由芯片数码显示器7SEG、译码器74LS48，计数器74161（依次从上而下），两个校正电路（分别能单独地对分和时校时），一个555定时器组成的谐振振荡电路（产生1HZ信号），4个与非门，11个与门，3个非门，4个或门。
电路测试与分析
当完成数字时钟部分后，我们通电后发现“分”的个位数码管的b中发光管二极管不亮，对照数码管的引脚图，我可以看到b中的发光二极管对应的是6号引脚，然后我们就用万用表的二极管档测试该发光二极管，发现该二极管是亮的，说明数码管本身没问题。
于是我就想可能是接线的问题，便着手去找6号引脚对应的接线，当我用万用表测试连线时，突然发现某一根连线两端的电阻为无穷大（理论上应为0），于是我便找原因，发现是一个焊点出现了虚焊，重新焊接后通电调试，发现没有问题，故障完全排除。
通过以上方案的论证与电路原理的分析，最终设计出了多功能数字钟，同时制作出了实物，实现了课程设计的内容要求的各项功能。
在误差允许的范围内，很好的实现了数字钟调时、调分和秒的正常运转。
课程设计总结
通过此次课程设计，总体来说，收获颇丰，无论是在培养自己的实验动手能力还是培养自己的性情方面。
数字电路复杂,因此需要我们连接时要有好的布局和合理的布线规则,如将电源线,地线,传输线,暂时产生的线分别开来，用不同的颜色,或者以单元电路的形式分开,为以后查错或改进带来极大的方便.在连接每一根线时，既要注意剥线的长短要适中，走线时要成直线直角，使电路板连线清晰美观，最重要的是检查时特别方便。
经过两星期的辛勤工作,让我们知道了许多的东西,也让我们了解了许多在书本上所学不到的知识和技能,这为我们在以后的工作起了非常重要的作用。
通过这次也让我对数字钟的设计与制作，了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。
但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。
而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。
所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。
通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
附录
1.元器件清单
直流稳压电源电路元器件清单
元件名称
元件型号
元件数量
元件封装
元件说明
变压器
220V\9V
1
10W左右
降压变压器
电解电容
100uF
2
耐压16V\25V
极性电容器
电阻
2K
1
电阻
集成稳压器
7805
1
三端
集成稳压器
整流桥堆
2W10
1
整流
发光二极管
1
显示
两相插头
1
带半米导线
带半米导线的两相插头
备注/说明
以上为直流稳压电源电路的元器件清单
多功能数字钟主体电路元器件清单
元件名称
元件型号
元件数量
元件封装
元件说明
电路板
通用板
1
22CM*14CM
3孔连在一起的通用板（十行）
电解电容
1
耐压16V\25V
极性电容
瓷片电容
3
104
无极性电容
电阻
1K
46
电阻
2
电阻
100K
2
电阻
电位器
200K
1
塑料封装
多圈调节电位器
集成芯片
CC4011
2
DIP-14
四2输入与非门
CC4511
6
DIP-16
锁存\译码\驱动
CC4518
3
DIP-16
10进制计数器
CC4081
1
DIP-14
四输入与门
NE555
1
DIP-8
定时器/8脚时基集成电路
8孔
1
8孔芯片插槽
芯片插槽
14孔
3
14孔芯片插槽
16孔
9
16孔芯片插槽
7805
1
三端
集成稳压器
发光二极管
2
显示
显示管
共阴
6
七段共阴数码管
开关
小按钮开关
2
中等高度
按钮头要高一点的
备注/说明
以上为一套多功能数字钟主体电路的元器件清单
主要工具及附加材料：
电烙铁、烙铁架、焊锡丝、松香、导线、绝缘胶布、透明胶带、镊子、钳子、数字万用表、吸锡器、剥线钳、一字起子一套等等。
2.参考文献
【1】康光华，陈大钦，电子技术基础模拟部分（第五版），北京：
高等教育出版社，2006
【2】数字电子技术《实验指导书》
【3】华永平，陈松，电子线路课程设计——仿真、设计与制作，南京：
东南大学出版社，2002
【4】杨素行主编.模拟电子技术简明教程（第三版）.高等教育出版社，2005
【5】华容茂，邵晓根，左全生，电路与模拟电子技术教程，北京：
电子工业出版社，2000
电子技术课程设计成绩评定表
姓名
学号
专业班级
课程设计题目：
直流稳压电源和多功能数字钟电路设计
课程设计答辩或质疑记录：
1、NE555时基芯片的特点
答：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
2、在设计数字电子钟试验中，为什么要采用此类校时电路
答：
由于刚接通电源或走时不准时，都需要进行时间校准。
理论上校时电路是可以通过直接与脉冲源相接而获得脉冲频率。
但是因为实物电路的硬件缘故。
在按下和弹开按钮的瞬间，数码管的数字会因为按钮的接触原因而抖动。
这就导致了在较好之间后想结束校时，因为按钮抖动的原因，时间又改变了。
相当于无校时功能。
实现校时电路的方法有很多，采用基本R-S触发器构成单脉冲发生器是其中的一种。
RS触发器具有置位、复位和保持（记忆）的功能，可以消除抖动，所以决定用这个比较简单的校时电路。
成绩评定依据：
实物制作（40％）：
课程设计考勤情况（20％）：
课程设计答辩情况（20％）：
完成设计任务及报告规范性（20％）：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2012年月日
升级会员 