时控电路的设计

电子与信息学院电子课程设计 -1-前言 尽管现在市面上有很多 LED 数字钟专用的集成电路提供，价格也很便宜，但对于喜欢动手的电子爱好者来说，自制一个 LED 数字钟，也别有一番风味，而且也是学习电子技术的一种方法。这里介绍一个用普通的数字电路搭成的 LED 数字钟，它除了有一般数字钟的分、时显示之外，还含有秒显示和星期显示。目录 1、设计任务3 2、设计意义3 3、设计方案3 4、系统框架图 8 5、元件清单 8 6、检测与调试 9 7、实物效果图 10 8、制作心得 12 电子与信息学院电子课程设计 -2-1、设计任务 1.1、任务：设计制作一个数字电子钟 1.2、电路工作原理：A.可用传统数字电路设计并制作 B.可用单片机电路设计并制作 C.可用 CPLD 选择 MAX7000S 系列的 EPM7128SLC84-7芯片电路设计并制作。1.3、性能要求：除时间显示外，还具备时间校正的功能。2、设计意义 该设计的主要任务是通过解决一、两个实际问题，巩固和加深专业课程中所学的理论知识和实验能力，基本掌握电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力，加深对所学知识的理解，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。3、设计方案 由于尚未学习单片机，而对于 PLCD 的设计运用也了解不深，而这次的设计意义主要在于学会如何进行电子电路的设计与制作，所以我们选择用较为复杂的传统数字电路来设计并制作。下面具体介绍设计方案：LED 数字钟 3.1、电源（5V 和 9V）任何一个系统的电源都是一个不容忽视的环节，电源虽然简单，但要求功能可靠、输出稳定，本设计中所用电源为直流电源+5V 和+9V，我们采用三端集成稳压器 LM7805 和 LM7809，便可实现此功能。下图就是电源电路的设计图，先将 220V/50Hz 的交流电源电压通过变压器降压，然后接入电桥电子与信息学院电子课程设计 -3-进行整流，接着通过电容和 LM7805 或 LM7809 组成的电路进行滤波，得到所要求的+5V 以及+9V 电压。（电源电路设计图）3.2、秒信号发生器 在数字钟电路中，准确的秒信号是保证时钟计时精度的关键。下面介绍的秒信号发生器采用高精度的石英晶体做参考源，使输出的 1HZ 信号精度得以保证。方案一：图 3-1 电路由 14 位二进制串行计数器/分频器和振荡器 CD4060、BCD同步加法计数 CD4518 构成。电路中利用 CD4060 组成两部分电路。一部分是 14 级分频器，起最高分频数是 16384；另一部分是由外接电子表用石英晶体、电阻及电容构成的振荡频率为 32768HZ 的振荡器。振荡器输出经 14 级分频后在输出端 Q14 上得到 1/2S 脉冲并送入由 1/2CD4518 构成的二分频器，分频后在输出端 Q1 上得到秒基准脉冲。检查电路是否工作，可测量 CD4060 的 9 脚有无振荡信号输出，调整微调电容可校准震荡频率。电子与信息学院电子课程设计 -4-（图 3-1：方案一）方案二：图 3-2 是另一款秒信号发生器。电路稍复杂，但它不仅可以提供 1Hz 的时钟信号，还可有 100kHz、10 kHz、1 kHz、100Hz 基准信号输出。它由双 BCD同步加计数器 CD4518、四输入端与非门 CD4011 和四 2 输入端或非门 CD4001等构成。图 3-2 电路中，由 CD4011 门 I构成晶体振荡电路产生的 1MHz 脉冲信号，经反相器门 II 送至由 CD4518 构成的多级分频器。其中第一级分频后输出为100kHz，第二级为 10 kHz，第三级输出为 1000 Hz，第四级输出为 100 Hz，第6 级输出为 1 Hz。由 CD4011 的门 III、IV 构成 R-S 触发器和 CD4001 的一个门组成了秒信号控制门。单允许工作开关 K3 置“开”位置时，允许输出秒信号；置“关”位置时，禁止输出秒信号。走时、校准开关 K2 置“走时”位置时，输出秒信 （图 3-2：方案二）电子与信息学院电子课程设计 -5-号；置“校准”位置时，输出校准信号。若秒信号与标准时间相差较大，把 K1 置“快校”位置，送出 10kHz；若接近标准时间，则置“慢校”，送出 100 Hz。方案三：图 3-3 是与图 1-1 电路类似的一款秒信号发生电路。IC1（CD4060）的 32768 Hz 的振荡源经 14 级分频后在输出端 3 脚（Q14）得到 1/2S 脉冲并冲入由 IC2（CD4040）构成的二分频器，分频后在输出端 IC2 的 9 脚上得到秒基准脉冲。（图 3-3：方案三）三个方案均简单可行，且较为准确，方便调试，此设计中我们选择方案一。3.3、数字钟主电路 数字钟主电路见图 3-4。这里以秒计为例，介绍电路的工作原理。如图 3-4 所示，标准秒时基信号进入 CD4033（十进制计数/7 段译码器集成电路）1 脚（计数输入端），“秒”位开始计数，当计数从 9 到 0 时，CD4033 的 5 脚输出进位脉冲，“十秒位”变成“1”。同时我们注意到在接同电源时 CD4017 的 3 脚（Q0）输出为高电平（图2 中没有标出）。当“十秒位”计数到“2”时，数码管的“e”（左下方笔画）跳变为高电平“1”，同时此脉冲进入 CD4017 的 14 脚进行计数，此时其 2 脚（Q1）变为高电平（图 3-4 没有标出）。由于 CD4017 这里设置为上升沿触发有效，所电子与信息学院电子课程设计 -6-以当“十秒位”显示从“2”到“3”，从“3”到“4”时，CD4017 都不会产生进位信号。只有当“十秒位”由“5”准备变成“6”时，“十秒位”的“e”电位再次由低变高，使 CD4017 再次进位，此时其 4 脚（Q2）输出又为高电平，为下一轮的计数做好准备。同理，我们也可以分析出“分位”电路、“时位”“星期”电路的工作原理。（图 3-4：数字钟主电路）（星期指示电路）电子与信息学院电子课程设计 -7-4、系统框架图 5、元件清单 元器件名称 型号 数量 备注 集成芯片 CD4033 9 集成芯片 CD4017 6 集成芯片 CD4060 1 集成芯片 CD4518 1 单 8 数码管 0.5HRC 9 变压器 8W/9V 1 三端稳压管 LM7805 1 三端稳压管 LM7809 1 稳压二极管 2W/2V 1 场效应管 M28S-D 1 散热片 4 片 25x25x15 2 整流二极管 IN4001 4 秒信号 电源 数字钟主电路 5V 9V LED 显示 电子与信息学院电子课程设计 -8-元器件名称 型号 数量 备注 开关二极管 IN4148 7 发光二极管 5 4 晶振 32.768KHz 1 可调电容 5/20pF 1 电解电容 4.7uF/10V 5 电解电容 0.1uF/10V 13 电解电容 10uF/10V 3 电解电容 2200uF/50V 2 电解电容 4.7uF/10V 5 陶瓷电容 22pF 1 电阻 1M 1 电阻 10K 5 电阻 1K 4 电阻 510 8 微动开关 6x6x6 4 小拔动开关 SS1C5G/3 脚 1 6、检测与调试 此设计是采用传统的数字电路设计并制作，重要的是硬件调试。我们在焊接的过程中，便有意识的进行检测，一边焊接一边检测，每焊好一部分，便进行初步的调试，所以到最后焊完整块电路板，并未有虚焊、假焊、连焊等问题，只是由于原来电路设计中的某些不合理性而出现了这样或那样的问题，以至于未能在短时间内调试成功，不过庆幸的是，最后还是把这些问题一一解决了。6.1、电源的测试 在调试的过程中，电容 C4被烧坏。原因是变压器降压后的电压仍高于电容 C4的极限电压。将 C4换为 2200uF/50V 后，便能输出稳定的+5V 和+9V 直流电压。电子与信息学院电子课程设计 -9-6.2、秒信号的调试：在调试过程中，CD4518 芯片被烧坏了。原因是调试过程中，由于失误使得芯片所加电压过高。更换芯片后，调整微调电容可校准震荡频率，使用示波器测量输出信号频率，对照频率调整微调电容，直至输出信号频率稳定为 1Hz为止。6.3、数字钟主电路调试：在调试过程之初，电路并不能够实现 60s 进一，而是 100s 进一。原因是显示部分芯片 CD4033 与 LED 数码管连接脚电压太低，使原本应该可以驱动芯片 CD4017 复位的设计落空，用万用表测量该电压值为 2V 左右，而CD4017 复位所需电压为 4V 以上，所以当“十秒位/十分位”由“5”准备变成“6”时，虽然“十秒位/十分位”的“e”电位再次由低变高，但该电压未能驱动 CD4017 再次进位，因而无法实现 60 进制功能。于是我们想到了提高该电压的解决方法，最后采取在数码管共阴端反接一个 2V 的稳压二级管的措施，终于解决了这一难题，使之正常进位。6.4、调试结果：经过较长时间的调试，终于实现了预期的功能。接通电源后，LED 数码管能准确显示时间和星期，并且符合各进制要求；能够正常实现调分、调时、调星期等功能；走时较准确。6.5、发挥与扩展：数码管共阴型的稳压二极管不能用电阻替代，并根据电源电压大小来调节稳压二极管的稳压值。如果采用单片机或者 PLCD 设计与制作，会使电路简单，系统更稳定，且走时更准确。7、实物效果图 电子与信息学院电子课程设计 -10-（秒信号发生器）（电源）（数字钟主电路部分）电子与信息学院电子课程设计 -11-（完整实物图）8、制作心得 课程设计正式开始了。选题的问题 本人觉得做作品必须满足人的需要。而我做这个设计纯粹是因为我觉得这个数字钟我可以在以后的日子中用到它，所以我选择了它。尽管在开始的时候老师说：怕我做不好这电路，原因是电路的接线太复杂了。经过几经考虑，我还是选择了它。因为就只有这个暂时是我想得到的并且在以后生活中可以用到的。买元器件 跟同学到了传说中的“赛格电子城”。听着同学跟工作人员的一来一往的问答，我发现买元器件原来也不简单。认识了很多的元器件，知道了芯片要连带插座，电容要买多少伏耐压的而且电路图中有些元件的参数是没查到的，或是没此类的元器件得想办法找其他的元器件替代，那可要请教工程师老板了。很佩服老板一看那电路，一算就知道怎么解决。这与他雄厚的电子理论知识和长期的实践经验有很大的关系。所以说要学好电子，还必须从这两方面加强自己。焊接 有人说：学电子的，你首先必须是一个不错的焊工。在大二的时候学过焊接技术，焊工可以说是可以的。这学期在课程设计刚开始的时候我觉得这焊应该不成问题。但是结果却出乎我的意料拿起电烙铁，却生疏得很。电路板被我焊得有电子与信息学院电子课程设计 -12-点难看。这时才觉得自己枉为一个电子人。所以说很感谢有这么一个机会让我重新拿起电烙铁。在焊的过程中得考虑一个布局的问题，局步得好看起来又美观又焊得省事。在焊电路的时候，对于一些芯片的引脚不清楚的就必须通过各种途径去查得：用万能表去测，上网，查书，问同学、老师。而且焊的时候得注意有没有虚焊，有没有接错线，因为这如果不注意的话，就会给后边的调试带来很大的困难。调试电路 电路焊接好了，那只能说电路设计只成功了一半。这就如葫芦一样，大半的在后头。调试得运用到以前学的基本仪器的。要验证电路是否成功，首先要知道这电路实现什么功能。这要求我们要尽量去弄懂电路原理，弄懂元器件功能，弄懂信号要怎么接入电路，测量输出又接哪，结果是怎样才算是对的；在电路出问题的时候就要求我们自己去找原因。电路是否哪里短路或断路；是否元器件耐压不够才会烧坏元件；是否加于元件两端电压不够才不能实现功能；是否芯片引脚接错了才不能实现功能；其中我印象最深刻的是对于没学过的知识我们不能说就有借口“没学过而不懂了”。很多的知识是我们自己摸索出来的，做人要有不断敢于尝试和探索的精神。通过这次调试，我深刻地体会到：我们要有怀疑的精神，并不是书上的就是对的，尽信书不如无书。学习靠自己。参考文献 1.电子制作实例集锦 作者：傅劲松 出版单位：福建科学技术出版社 出版时间：2006 年 2.毕业设计指导及案例剖析 作者：康万新 主编 出版单位：清华大学出版社 出版时间：2007 年 3.电子技能与 EDA 技术 作者：柳秀山 韩克 主编 出版单位：暨南大学出版社 出版时间：2004 年