数字钟课程设计.docx
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数字钟课程设计
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数字钟。
如图1-1所示，数字钟电路系统有主体电路和扩展电路两大部分组成。
其中，主体电路完成数字钟的基本功能，扩展部分主要完成数字钟的扩展功能。
图1-1多功能数字钟系统组成框图
该系统的工作原理是：
振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，在经分频器输出标准秒脉冲。
秒计数满60后在向分计数器进位，分计数器记满60后向小时计数器进位，小时计数器按照24进制规律计数。
计数器的输出经译码器送显示器。
计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。
扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。
2.秒脉冲发生器
秒脉冲发生器为整个数字钟的核心部分，它的精度影响到整个数字钟的稳定性能。
我们这次设计主要采用两种方法产生1Hz的方波，为整个数字电路提供始终脉冲。
本次试验我们主要采用2种方法。
2.1555构成多谐振荡器（f=1HZ）
工作原理：
接通电源后，Vcc通过R1、R2给C充电，VC逐渐上升。
当Vc升到2/3Vcc，比较器C1输出低电平VC1=0，555内RS触发器被复位，V1导通，输出V0=0。
之后电容C通过R2和V1放点，使VC下降。
当VC下降到1/3时，笔记哦啊器C2输出低点品VC2=0，555内RS触发器又被置位，输出V0=1变成高电平。
这时因为V1截止，电容C再次充电。
如此周而复始，输出就是个周期的矩阵方波了。
555芯片介绍：
功能说明：
符号
功能
符号
功能
低触发端
TH
阀值端
OUT
输出
D
放电端
复位
CO
控制电压
555构成多谐振荡器电路图（f=1HZ）
555振荡器通过系统内部的自激震荡产生符合1Hz的方波。
参数计算
f1=1Hz,R1=42.3KΩ,R2=11.5KΩ,C1=14.8uf,C2=0.01uf
Tw1=0.5s,Tw2=0.5s
电路图
通过图形我们可以看出，555产生的方波实际离理想的方波还是有一定的差距，为此我们想出了第2种设计方案。
2.2石英晶体振荡器
芯片介绍：
分频原理：
Q4：
24=16
↓Q14：
214=32768/2
晶体振荡器工作原理：
如下图所示的晶体振荡器电路，常取晶振的频率为32768Hz，因为其内部有15级2分频集成电路，做一输出端正好可得到1Hz的标准秒冲。
3.秒、分、小时计数电路
用CC4518构成60进制和24进制计数器，然后进行级联组成秒、分、小时计数
3.1芯片功能介绍
CL（CP0）
EN（CP1）
R
功能
↑
1
0
加计数
0
↓
0
加计数
↓
×
0
不变
×
↑
0
不变
↑
0
0
不变
1
↓
0
不变
×
×
1
Q3～Q0=0
3.2用CC4518构成60进制计数单元电路
工作原理：
60进制是摸M=60的计数器，其技术规律为00-01-...-58-59-00...选择CC4518里面有2个计数器，我们可以通过与门将其2片计数器相连，高位用与门连接二进制对应的6，并且将输出连接到MRB段实现归零。
这样就实现了一个60进制的计数器
3.3用CC4518构成24进制计数单元电路
工作原理：
24进制是摸M=24的计数器，其技术规律为00-01-...-22-23-00...选择CC4518里面有2个计数器，我们可以通过与门将其2片计数器相连，高位用与门连接二进制对应的2，低位连接对应的4，并且将输出连接到MRB，MRA端实现归零。
这样就实现了一个24进制的计数器
4.译码、显示电路
用CC4511实现译码；用LG5011AH共阴数码管实现显示电路
4.1芯片功能介绍：
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=1LT=1LE=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。
功能表：
显示
输入
输出
LE
BI
LT
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
2
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
3
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
5
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
6
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
7
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
8
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
9
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
消隐
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
↓
1
1
1
1
消隐
0
1
0
0
0
0
0
0
0
锁存
1
1
1
锁存
灯测试
0
1
1
1
1
1
1
1
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
单元电路工作电路图：
工作原理：
脉冲进入4518产生计数，对应的4511芯片译码产生相应的数码管可以识别的高低电平，数码管接受到高低电平后，就开始点亮相应的数码管,从而整个系统就开始工作了。
5.校时电路
当数字钟接通电源或者计数时出现误差时，需要校正时间。
校时是数字钟应具备的基本功能。
对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。
校时方式有“快校时”和“慢校时”两种，此次实验我们用的则是“快校时”，通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数。
下图为校“时”、校“分”电路。
其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关，它们的控制功能如下表所示。
校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为“0”时可进行“快校时”。
6.主体电路的装调
画数字钟的主题逻辑电路图。
按照信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路，图如手画图。
级联的时候出现时序配合不同步，可以增加多级逻辑门来延时，效果不错。
如果显示字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件的电源端Vcc加退耦滤波电容。
通常用几十微法的大电容与0.01uF的小电容相并联。
EWB测试电路时，发现启动后自动生成1，这是软件所存在的漏洞，为了解决这一问题，我们在电路中加入了晶闸管，由于晶闸管内部是有一个PNP和一个NPN构成，利用它的导通特性解决这一问题，具体见电路图。
7电路的扩展
7.1仿广播电台正点报时电路的设计
仿广播电台正点报时电路的功能要求是：
每当数字钟计时快要到正点时发出响声，通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响，以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。
设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1KHz）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。
如表2.5.1所示可得：
Q3s1=”0”时，500Hz输入音响；Q3s1=“1”时，1KHz输入音响。
只有当分十位的Q2m2Qom2=11，分个位的Q3m1Qom1=11，秒十位的Q2s2Qos2=11及各位的Qos1=1时，音响电路才能工作。
仿电台正点报时的电路如图2.5.2所示。
这里采用的都是TTL与非门，如果用其它器件，则报时电路还会简单些。
表格2.5.1
CP（秒）
Q3s1
Q2s1
Q1S1
QoS1
功能
50
0
0
0
0
51
0
0
0
1
鸣低音
52
0
0
1
0
停
53
0
0
1
1
鸣低音
54
0
1
0
0
停
55
0
1
0
1
鸣低音
56
0
1
1
0
停
57
0
1
1
1
鸣低音
58
1
0
0
0
停
59
1
0
0
1
鸣低音
00
0
0
0
0
停
7.2定时控制电路的设计
数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”；或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。
不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。
例如：
要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。
7时59分对应数字钟的时个位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）H1=0111，分十位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）M2=0101，分个位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）=1001。
若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路，可以使音响电路正好在7点59分响，持续1分钟后（即8点时）停响。
所以闹时控制信号Z的表达式为：
Z=（Q2Q1Q0）h1*（Q2Q0）m2*（Q3Q0）m1*M；式中，M为上午的信号输出，要求M=1.电路图如2.5.3所示，其中74LS20为4输入二与非门，74LS03为集电极开路（OC门）的2输入四与非门，因OC门的输出端可以进行“线与”，使用时在它们的输出端与电源+5V端之间应接一电阻RL，取RL=3.3K。
由图可见上午7点59分时，音响电路的晶体管导通，则扬声器发出1KHz的声音。
持续1分钟到8点整晶体管因输入端为“0”而截至，电路停闹！
附录
8.1、设计图纸
8.1.1、EWB仿真图
PROTEL设计电路
印刷电路板的元件分布图
9元件清单
9.1.1、主板元件清单
序号
名称
型号参数
数量（个）
1
集成芯片
CC4518
3
2
CC4511
6
3
CC4060
1
4
CC4040
1
5
芯片座
16P
11
6
数码管
LG5011AH
6
7
晶振
32768
1
8
三极管
PNP（1015）
1
9
发光二极管
∮5
4
10
二极管
IN4007
4
11
4148
6
12
电解电容
100uF／16V
5
13
电容独石
104
12
14
电阻1/4W
1MΩ
4
15
220KΩ
5
16
470Ω
42
17
220Ω
2
18
微动开关
6*6*6
4
19
稳压电源座
∮3.5空心座
1
20
电路板
9.1.2、附加元件清单
序号
名称
型号参数
数量（个）
1
集成芯片
74LS266
5
2
74LS273
3
3
74LS21
4
4
三极管
9013
2
5
音乐芯片
1
6
开关
1
7
芯片座
20-P
3
8
14-P
9
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]康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：
高等教育出版社.2006
[3]邹南，狄京.Protel印刷电路板简明教程.徐州：
中国矿业大学出版社.2009
[4]数字电子技术实验指导书.徐州：
中国矿业大学徐海学院.2009
[5]胡汉才.单片机原理及接口技术.北京：
清华大学出版社.2004
[6]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
电子技术综合设计心得
1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。
2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。
3、我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。
4、在制作PCB时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。
5、在画好原理图后的做PCB版时，由于项目组成员对单面板的不熟悉，导致布线后元件出现在另一边，增加了布线难度，也产生很多不曾注意的问题，今后要牢记这个教训，使以后布线更加顺利。
6、经过两个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。
从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。
生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。
劳动是人类生存生活永恒不变的话题。
通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。
我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。
我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？
我们不断的反问自己。
也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。
社会需要我们，我们也可以为社会而工作。
既然如此，那还有什么必要失落呢？
于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。
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