数字时钟实训报告

课程名称： 模拟电子技术       

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一、数字时钟的设计与制作…………………………………………………2

1.1    设计目的 ………………………………………………………………2

1.2    设计要求 ………………………………………………………………2

1.3    设计方案及论证 ………………………………………………………2

1.3.1    设计逻辑框图及原理方框图………………………………………2

1.3.2    “秒脉冲信号发生器”的设计、原理图…………………………2

1.3.3    计数、译码/驱动及显示部分的设计  ……………………………4

1.3.4    秒计数、译码/驱动及显示部分的设计  …………………………5

1.3.5    分计数、译码/驱动及显示部分的设计……………………………6

1.3.6    时计数、译码/驱动及显示部分的设计……………………………6

1.3.7    分时校准电路的设计 ………………………………………………6

1.4    焊接技术及安装工艺  …………………………………………………8

1.5    调试步骤及故障排除  …………………………………………………8

1.6    附图  ……………………………………………………………………9

1.6.1    一些芯片的引脚及功能  ………………………………………9

1.6.2    原理图 …………………………………………………………10

1.6.3    PCB版图 ………………………………………………………11

1.6.4    设计所需器材与工具 …………………………………………11

二、设计小结  ………………………………………………………………12

三、设计参考资料  …………………………………………………………12

一、数字时钟的设计制作

1.1  设计目的

通过设计与实践，制作出具有准确显示时、分、秒的可调数字时钟。

 1.2    设计要求    

数字时钟的功能要求：准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间，要求有校准时间电路。  

 1.3    设计方案及论证

1.3.1    设计逻辑图及原理方案框图

由上图的总体结构图可知，该设计大概可以分为：秒脉冲产生部分、计数部分、显示部分、校准部分。

1.3.2     “秒脉冲信号发生器”的设计、原理图

方案一: 分频秒脉冲发生器电路

方案二；晶体震荡秒信号产生电路

方案三:  555多谐振荡器

震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时钟计时的准确程度，一般来说555产生的秒脉冲不太稳定，但是由于本实验中对秒脉冲稳定度要求不高，方案三采用555定时器简单易实现，成本更低且满足实验要求。其中要求电阻为100K，电容为4.7uF、0.01Uf,Vcc为+5V电源，GND接地。 

1.3.3    计数、译码、驱动及显示部分的设计

方案一：74LS160、74LS247和共阳数码管SM4105组成的计数译码驱动显示电路

方案二：CD4518、CD4511和共阴数码管组成的计数译码驱动显示电路

由原理图可知：方案二的电路更简单易于PCB版的制作，CD4511驱动效果更好；方案一要多一块芯片，电路更复杂。所以我选择方案二，且用两位数码管代替两个一为的数码管。

1.3.4    秒计数、译码、驱动及显示部分的设计

    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，上述计时器均可用反馈清零法来实现。

秒计数采用两位共阴管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“秒”信号送人“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CD4518的一个与门来实现。而CD4511芯片具有锁存、译码、计数的功能，可以外接电阻驱动数码管显示出来。

1.3.5    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，也是采用两位共阴数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“秒”计数器的进位脉冲送人“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CD4518和一个与门来实现。同样采用CD4511芯片驱动数码管显示出来。

1.3.6    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，也是采用两位共阴数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“分”计数器的进位脉冲送人“时”计数器，但是计数器采用的是24进制且不需要进位脉冲，同样采用CD4511芯片驱动数码管显示出来。

1.3.7    分、时校准电路的设计

    校准电路是用秒信号去代替分计数信号和是时计数信号，使分或时计数快速进行，因此校准电路实际上是一个数字信号的转换开关，以下给出了三种校准电路。

    图（a）是一种简单的手动开关电路，正常工作时S指向A，需要校准时按下S，使S指向B，用秒信号作为分或时的计数信号，这种电路时分简单，但是开关的通断产生随机的机械抖动信号，使校准不易控制，轻轻按动开关可消除或减少这种机械抖动。

    图（b）是用桑与非门和一个可调电位器实现信号的转换，当正常工作时电位器动滑头指向B，此时CP=Co‘。当需要校准时，动滑头指向A，此时CP等于秒信号，两个0.033的电容可虑去滑动中产生的干扰信号，偶然也会产生抖动干扰。

 图（c）是由三个与非门和基本RS触发器组成的，基本RS触发器可完全消除开关的机械抖动，是最佳的一种校准电路，当然电路要比较复杂。

分时校准电路的原理是一样的，为简化电路本实验均是采用瓷片电容103、与门电路和开关组成的电路来代替与非门和基本RS触发器组成的电路来实现，具体电路如下

                  CP时/分脉冲      Co进位

                                     CP秒脉冲

平常计时状态下，开关处于断开状态，当需要校时时，按下开关，瓷片电容则放电，CD4011的引脚1、2是低电平，3引脚输出高电平，此时8引脚送人时钟脉冲，则10输出低电平，那么4输出一定是高电平，而且这个高电平被送人CD4518的1管脚，此时“分”必定加1，同理，若连续按下开关则“分”就会连续加1，即完成分校时。时校时电路的原理和分笑时是一样的，不多做解释。

1.4     焊接技术及安装工艺

1.5     调试及故障排除

    本实验调试简单，只需检查电路无误后接入+5V电源，查看数码管显示是否正常。发现时分显示部位不能正常工作：分部位不能正常显示；校准电路不能正常校准；时部位显示10到19中数码管产生鬼影现象。用万用表检查发现：秒部位电路中漏焊一根跳线; 按钮开关接反成常闭开关；时部位的数码管的十位部分的A、B两线太过接近。经改正后电路能正常工作且能对时分位正常校准。

1.6     附图

1.6.1    一些芯片的引脚及功能

①    数码管是数字时钟的显示部分，其引脚图如图

②     CD4511是BCD锁存、7段译码器、驱动器，常用的显示芯片,其引脚图如图

③    CD4518是十进制双BCD同步加法计时器，内部含有两个的加计数器，其引脚图如图

   CD4518是二、十进制（8421编码）同步加计数器，内含两个单元的加计数器。每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。若用ENABLE信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”；若用CL℃K信号上升沿触发，触发信号由CL℃K端输入，ENABLE端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各端输出端Q1～Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CD4518才开始计数。

    CD4518采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1翻转一次；当Q1为1，Q4为0时，每输入一个时钟脉冲，计数单元Q2翻转一次；当Q1=Q2=1时，每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次；当 Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。这样从初始状态（“0”态）开始计数，每输入10个时钟脉冲，计数单元便自动恢复到“0”态。若将第一个加计数器的输出端Q4A作为第二个加计数器的输入端ENB的时钟脉冲信号，便可组成两位8421编码计数器，依次下去可以进行多位串行计数。CD4520/CC4520为二进制加计数器，由两个相同的内同步4级计数器构成。计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟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线为高电平时，计数器清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q3连接至下—计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。

4 CD4081是四2输入与门电路，其结构如图

5CD4011是四2输入与门电路，其结构如图

1.6.2    原理图

1.6.3    PCB版图

1.6.4    设计所需器材与工具