數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：數(shù)字鐘設(shè)計(jì)制作學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：電氣信息類I096班2010年12月30日數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)制作一、設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容：1.目的。2.設(shè)計(jì)指標(biāo)。3.設(shè)計(jì)制作要求。4.實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求。5.實(shí)驗(yàn)工具器件。6.設(shè)計(jì)原理。7.電路的安裝調(diào)試與檢測(cè)。8.設(shè)計(jì)心得與體會(huì)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.使用protel等軟件設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)數(shù)字鐘。2.掌握并熟練運(yùn)用protel等軟件設(shè)計(jì)原理圖及pcb圖。3.熟練掌握pcb圖的格局分布及布線，使得pcb圖最簡(jiǎn)。4.熟練掌握制版流程，并制作出一塊合格的電路板。5.熟練掌握元器件及飛線的焊接。6.熟練掌握對(duì)制作成品的調(diào)試與測(cè)試。7.制作能夠正確實(shí)現(xiàn)其功能并能夠進(jìn)行校時(shí)與整點(diǎn)報(bào)時(shí)。8.能夠思考及解決在制作過程中出現(xiàn)的問題。9.寫出一份具體詳細(xì)的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)報(bào)告。三、設(shè)計(jì)指標(biāo)：1.設(shè)計(jì)出正確的原理圖，并得到正確pcb圖，并使用盡量少的飛線。2.正確印制電路板。3.正確焊接元器件及飛線。4.正確調(diào)試數(shù)字鐘成品。5.得到能夠正確實(shí)現(xiàn)其功能的數(shù)字鐘，并能正確進(jìn)行校時(shí)與整點(diǎn)報(bào)時(shí)。四、設(shè)計(jì)制作要求：1.畫出總體設(shè)計(jì)框圖，以說明數(shù)字鐘由哪些相對(duì)獨(dú)立的功能模塊組成，標(biāo)出各個(gè)模塊之間互相聯(lián)系，時(shí)鐘信號(hào)傳輸路徑、方向和頻率變化。并以文字對(duì)原理作輔助說明。2.設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊的電路圖。3.選擇合適的元器件，在面包上接線驗(yàn)證、調(diào)試各個(gè)功能模塊的電路，在接線驗(yàn)證時(shí)設(shè)計(jì)、選擇合適的輸入信號(hào)和輸出方式，在充分電路正確性同時(shí)，輸入信號(hào)和輸出方式要便于電路的測(cè)試和故障排除。4.在驗(yàn)證各個(gè)功能模塊基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)電路的元器件和布線，進(jìn)行合理布局，進(jìn)行整個(gè)數(shù)字鐘電路的接線調(diào)試。5.小組內(nèi)自行裝配、接線和調(diào)試。盡量做到自己動(dòng)腦、自己動(dòng)手來解決問題。五、報(bào)告要求：試驗(yàn)報(bào)告做到言簡(jiǎn)意賅、條理清楚、主次分明，對(duì)于在設(shè)計(jì)制作過程中出現(xiàn)的問題及如何得到解決能夠清楚地反映到報(bào)告上，盡量做到將設(shè)計(jì)制作的每個(gè)環(huán)節(jié)都在報(bào)告上面得到清晰地呈現(xiàn)。六、實(shí)驗(yàn)工具器件電腦及protel制圖軟件、打印機(jī)、轉(zhuǎn)印紙、熱轉(zhuǎn)印機(jī)、氯化鐵溶液、鑷子、橡膠手套、托盤、電路板、炭筆、砂紙、剪刀、萬用表、外界、電源、鉆機(jī)及0.8mm、1.0mm鉆頭、電烙鐵及支架、焊錫、細(xì)電線、元器件等。元器件包括：1.共陰八段數(shù)碼管6個(gè)。2.SN74LS160AN計(jì)數(shù)器6塊。3.SN74LS48N七段譯碼器6塊。4.電源power9V1塊。5.20pF電容2只。6.10k電阻1只、1k電阻1只、0.47k電阻42只。7.MC74ACT00N與非門1塊。8.MC74ACT32N或門1塊。9.MC14081BCP與門1塊。10.MC14073BCP三輸入與門1塊。11.MC14082BCP四輸入與門1塊。12.R38-32.768時(shí)鐘晶體1個(gè)。13.蜂鳴器1只。14.按鍵式開關(guān)SW-PB2只。15.CD4060BMN分頻器1只。16.CD4013BCN-D觸發(fā)器1只。17.2N3904三極管1只。七、原理設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案：總體思路:數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率(1HZ)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。主要由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器顯示器和校時(shí)電路組成。振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號(hào)，作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn)，通常使用石英晶體震蕩器，然后經(jīng)過分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，或者由555構(gòu)成的多諧振蕩器來直接產(chǎn)生1HZ的脈沖信號(hào)。秒計(jì)數(shù)器滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器滿60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器按照“24翻1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，當(dāng)計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分。如圖一所示為數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖。時(shí)顯示器時(shí)顯示器分顯示器秒顯示器時(shí)譯碼器分譯碼器秒譯碼器時(shí)計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器校時(shí)電路振蕩器分頻器圖一數(shù)字鐘電路框圖振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路構(gòu)成振蕩器。也可以由555定時(shí)器組成。時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。顯示電路的組成主要是數(shù)碼管，數(shù)碼管由7個(gè)發(fā)光二極管組成，行成一個(gè)日字形，它門可以共陰極，也可以共陽(yáng)極，本設(shè)計(jì)中為共陰極七段顯示LED數(shù)碼管。當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正，所以數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能。對(duì)校時(shí)電路的要求是：在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。脈沖發(fā)生裝置.晶振脈沖產(chǎn)生電路圖 脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率易調(diào)整。如晶振為32768Hz，通過15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出，電路圖如圖所示。時(shí)間計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)首先由晶振脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過由D觸發(fā)器及分頻器組成的分頻電路，得到1HZ的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)首先接到秒個(gè)位計(jì)時(shí)的160的CP端，使得秒個(gè)位計(jì)數(shù)每秒計(jì)數(shù)一次，將秒個(gè)位的進(jìn)位輸出信號(hào)接到秒十位的CP輸入，控制秒十位160的計(jì)數(shù)。將秒十位160輸出Q2、Q1（0110）經(jīng)過與非門后接到清零端，從而實(shí)現(xiàn)秒的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)。同理實(shí)現(xiàn)分的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)和時(shí)的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)，再將各級(jí)160輸出接到七段譯碼器輸入端，驅(qū)動(dòng)八段共陰數(shù)碼管的顯示。時(shí)間計(jì)數(shù)單元由時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個(gè)部分組成。時(shí)計(jì)數(shù)單元為24數(shù)器計(jì)數(shù)，其輸出為兩位8421BCD碼形式，分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。本實(shí)驗(yàn)采取了用兩塊74LS160芯片進(jìn)行級(jí)聯(lián)來產(chǎn)生60進(jìn)制和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。3.1集成異步計(jì)數(shù)器74LS16074LS160功能表輸入輸出CRLDCTtCTpCPD0D1D2D3Q0Q1Q2Q31 ********01**↑d0d1d2d30011↑****000******00*0***** 0000d0d1d2d3計(jì)數(shù)觸發(fā)器保持，CO=0保持CR高電平有效，為異步清零端，當(dāng)CR=1時(shí)，Q0~Q3均為0。.LD高電平有效，為置入控制端，當(dāng)CR=0、LD=1時(shí)，在時(shí)鐘CP的上升沿作用下，外加輸入數(shù)據(jù)D0~D3同時(shí)輸入，即Q0=d0、Q1=d1、Q2=d2、Q3=d3。CTp、CTt為計(jì)數(shù)控制信號(hào)，當(dāng)CR=0、LD=0的條件下，CTp=1、CTt=1，完成4位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)；CTp=1、CTt=0時(shí)，電路中各級(jí)觸發(fā)器狀態(tài)處于保持，而輸出CO=0;CTt=1、CTp=0時(shí)，電路各級(jí)觸發(fā)器及輸出均處于保持。74LS160邏輯符號(hào)74LS160管腳圖3.2譯碼器74LS4874LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，其輸出是OC門輸出且高電平有效，專用于驅(qū)動(dòng)LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。其功能是把輸入的8421BCD碼ABCD譯成七段輸出a-g，再由七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。由74LS48和LED七段共陰極數(shù)碼管組成一位數(shù)碼顯示電路。若將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端，便可進(jìn)行不同數(shù)字顯示。在譯碼器輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)的R為限流電阻。當(dāng)數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)器在CP脈沖的作用下，就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號(hào)，74LS48的管腳如圖2-6。在管腳圖中，管腳LT、RBI、BI/RBO都是低電平是起作用，作用分別為：LT為燈測(cè)檢查，用LT可檢查七段顯示器個(gè)字段是否能正常被點(diǎn)燃。BI是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。RBI是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅。BI/RBO是共用輸出端，RBO稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端RBI，在多位十進(jìn)制數(shù)表示時(shí)，把多余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。VccfgabcdeVccfgabcdeBCLTBI/RBORBIDAGND1234567816151413121110974LS48圖2-674LS48的管腳圖74LS48的功能：74LS48的功能表如下表所示：表2-274LS48BCD七段譯碼驅(qū)動(dòng)器功能表74LS48引腳功能-----七段譯碼驅(qū)動(dòng)器功能表十進(jìn)制數(shù)輸入BT/RB0輸出LTRBIABCDabcdefg0H/0000H11111111H/0001H01100002H/0010H11011013H/0011H11110014H/0100H01100115H/0101H10110116H/0110H00111117H/0111H11100008H/1000H11111119H/1001H1110011（1）譯碼功能：將LT，RBI和BI/RBO端接高電平，輸入十進(jìn)制數(shù)0~9的任意一組8421BCD碼（原碼），則輸出端a~g也會(huì)得到一組相應(yīng)的7位二進(jìn)制代碼（74LS48驅(qū)動(dòng)共陰極，輸出3FH、06H、5BH…；74LS47驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極，輸出COH、F9H、A4H…）。如果將這組代碼輸入到數(shù)碼管，就可以顯示出相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。（2）試燈功能：給試燈輸入加低電平，而BI/RBO端加高電平時(shí)，則輸出端a~g均為高電平。若將其輸入數(shù)碼管，則所有的顯示段都發(fā)亮。此功能可以用于檢查數(shù)碼管的好壞。（3）滅燈功能：將低電平加于滅燈輸入時(shí)，不管其他輸入為什么電平，所有輸出端都為低電平。將這樣的輸出信號(hào)加至數(shù)碼管，數(shù)碼管將不發(fā)亮。（4）動(dòng)態(tài)滅燈功能：RBI端為滅零輸入端，其作用是將數(shù)碼管顯示的數(shù)字0熄滅。當(dāng)RBI=0，且DCBA=0000時(shí)，若LT=1，a~g輸出為低電平，數(shù)碼管無顯示。利用該滅零端，可熄滅多位顯示中不需要的零。不需要滅零時(shí)，RBI=1。3.3共陰八段數(shù)碼管數(shù)碼管圖2-7是共陰極式LED數(shù)碼管的原理圖，使用時(shí)公共陰極接地，使每個(gè)發(fā)光二極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，而且這7個(gè)發(fā)光二極管a到g分別由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來驅(qū)動(dòng)。圖2-7共陰極LED數(shù)碼管的原理圖在這里，我們選用型號(hào)為L(zhǎng)G5011AH的數(shù)碼管，LG5011AH的管腳功能圖如圖2-8所示，aabfcgde1234567abcdefgLG5011AH圖2-8LG5011AH的管腳圖3.4譯碼顯示電路譯碼顯示電路由共陰極譯碼器74LS48和七段數(shù)碼管LED組成。74LS48的連接圖如圖2-9所示。74LS4874LS48DpyRed-CCBI/RBO453A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14abfcgde1234567abcdefgLTRBI譯碼顯示電路4、校時(shí)電路的設(shè)計(jì)當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正，所以數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能。對(duì)校時(shí)電路的要求是：在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)，所以，必須要有兩個(gè)控制開關(guān)分別控制分個(gè)位和十個(gè)位的脈沖信號(hào)。在校時(shí)時(shí)，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位或者時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。校時(shí)電路由邏輯門以及兩個(gè)按鍵開關(guān)組成，兩個(gè)按鍵開關(guān)分別對(duì)分和時(shí)進(jìn)行校時(shí)。 當(dāng)按下校時(shí)開關(guān)時(shí)，從觸發(fā)器引出來的脈沖信號(hào)將直接經(jīng)過邏輯門輸入到分和時(shí)的計(jì)數(shù)控制端，從而使得分和時(shí)的計(jì)數(shù)不受進(jìn)位的控制，由觸發(fā)器的脈沖直接進(jìn)行控制，當(dāng)計(jì)數(shù)器記到正確的數(shù)字時(shí)，再斷開開關(guān)，使得計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)即可。5、整點(diǎn)報(bào)時(shí)裝置當(dāng)時(shí)鐘分計(jì)數(shù)到59分，秒計(jì)數(shù)到51、53、55、57秒時(shí)，蜂鳴器鳴低音，當(dāng)記到59秒時(shí)鳴高音，鳴音時(shí)間為一秒。分鳴音信號(hào)：將分十位計(jì)數(shù)160輸出端Q2、Q0（0101）以及分個(gè)位160輸出Q3、Q0（1001）通過四輸入與非門輸出。秒鳴音信號(hào)：將秒十位計(jì)數(shù)160輸出Q2、Q0（0101）以及個(gè)位160輸出Q0通過三與非門輸出。將分鳴音信號(hào)與秒鳴音信號(hào)分別與分頻器的Q5、Q6通過與非門連接，再通過三極管與蜂鳴器銜接，以便得到不同的頻率從而使得蜂鳴器可以鳴高音和低音。數(shù)字中設(shè)計(jì)原理圖數(shù)字中設(shè)計(jì)pcb板圖制作完成的電路板八、電路的安裝與調(diào)試安裝與調(diào)試步驟：按照?qǐng)D3.1所示的數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖，先將秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位、時(shí)個(gè)位、時(shí)十位分級(jí)焊接，在經(jīng)過調(diào)試沒有出現(xiàn)問題后再將它們一一逐級(jí)級(jí)聯(lián)，級(jí)聯(lián)后再進(jìn)行整體計(jì)時(shí)電路的調(diào)試，若此電路能夠進(jìn)行正常計(jì)數(shù)，那么一個(gè)完整的計(jì)時(shí)電路就出來了。最后分別進(jìn)行秒脈沖發(fā)生器及調(diào)時(shí)電路的安裝，經(jīng)調(diào)試沒有出現(xiàn)問題，再將它們與計(jì)時(shí)電路連接。最后進(jìn)行整體電路（即數(shù)字鐘）的調(diào)試。在這次的設(shè)計(jì)制造過程中出現(xiàn)了較多的問題：首先，在這次的焊接制作過程中出現(xiàn)了一次可謂是比較嚴(yán)重的事故，在開始焊接的時(shí)候，由于過于粗心大意，將電阻焊接到錯(cuò)誤的接孔上，后來不得不將它們都拿下來再進(jìn)行焊接。這次事故直接導(dǎo)致電阻的腳太短，有的腳剛剛從鉆孔中探出來。再者，在剛開始焊板子的時(shí)候，由于不熟悉，不小心把管腳焊錯(cuò)，甚至將整個(gè)底座的極性搞反，導(dǎo)致電路不工作。解決方法就是用吸錫器把焊錯(cuò)地方的錫先吸走，再一個(gè)人拿烙鐵，一個(gè)人拔底座，將底座弄出來重新焊上去。還有，在調(diào)試的過程中由于頻繁的將一塊七段譯碼器芯片拔出來，最終造成該芯片的一個(gè)腳折斷。我覺得在這次的設(shè)計(jì)制作過正中還有一個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)就是飛線過多，而且分布不合理。在設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)該盡量減少飛線的數(shù)量，在布局焊接飛線時(shí)應(yīng)該在電路板正反兩面焊接，我單純的以為全部焊接在反面就可以做到正面比較簡(jiǎn)潔美觀，但是事實(shí)是準(zhǔn)多的飛線全部焊接到反面給調(diào)試反面檢測(cè)焊接是否正確造成很大的困擾與麻煩。在設(shè)計(jì)布局階段沒有做到整個(gè)版面緊湊簡(jiǎn)潔，版面元器件之間的空隙有點(diǎn)大。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，是造成飛線多的主要原因。通過檢測(cè)，我認(rèn)為這次實(shí)驗(yàn)最終失敗的原因在于脈沖信號(hào)的輸出。從D觸發(fā)器輸出的脈沖信號(hào)與預(yù)期設(shè)計(jì)的不同，在萬用表電壓檔測(cè)試出為負(fù)值。通過仔細(xì)的與原理圖中所用觸發(fā)器封裝圖的對(duì)比，我認(rèn)為造成這個(gè)錯(cuò)誤的原因在于實(shí)際所用的觸發(fā)器與設(shè)計(jì)時(shí)所用的觸發(fā)器不是同一種，使得輸出管腳不同，造成信號(hào)輸出到160失敗，最終導(dǎo)致160不能正常計(jì)數(shù)。九、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)這次的實(shí)驗(yàn)沒能達(dá)到預(yù)期的目的——沒能得到能正確實(shí)現(xiàn)其功能的數(shù)字鐘，但是這塊板子畢竟是我和隊(duì)友自己一點(diǎn)一點(diǎn)完成的，雖然它沒有班里其他同學(xué)的那樣完美，但是在我眼里他仍然是最寶貴。雖然它沒能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，但是通過這次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)制作，我明白了很多的