數(shù)字鐘實驗報告

實驗報告實驗名稱：數(shù)字鐘設計制作學生姓名：學號：專業(yè)班級：電氣信息類I096班2010年12月30日數(shù)字鐘的設計制作一、設計報告內(nèi)容：1.目的。2.設計指標。3.設計制作要求。4.實驗報告要求。5.實驗工具器件。6.設計原理。7.電路的安裝調(diào)試與檢測。8.設計心得與體會。二、實驗目的：1.使用protel等軟件設計并制作一臺數(shù)字鐘。2.掌握并熟練運用protel等軟件設計原理圖及pcb圖。3.熟練掌握pcb圖的格局分布及布線，使得pcb圖最簡。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.熟練掌握對制作成品的調(diào)試與測試。7.制作能夠正確實現(xiàn)其功能并能夠進行校時與整點報時。8.能夠思考及解決在制作過程中出現(xiàn)的問題。9.寫出一份具體詳細的數(shù)字鐘設計制作實驗報告。三、設計指標：1.設計出正確的原理圖，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.得到能夠正確實現(xiàn)其功能的數(shù)字鐘，并能正確進行校時與整點報時。四、設計制作要求：1.畫出總體設計框圖，以說明數(shù)字鐘由哪些相對獨立的功能模塊組成，標出各個模塊之間互相聯(lián)系，時鐘信號傳輸路徑、方向和頻率變化。并以文字對原理作輔助說明。2.設計各個功能模塊的電路圖。3.選擇合適的元器件，在面包上接線驗證、調(diào)試各個功能模塊的電路，在接線驗證時設計、選擇合適的輸入信號和輸出方式，在充分電路正確性同時，輸入信號和輸出方式要便于電路的測試和故障排除。4.在驗證各個功能模塊基礎上，對整個電路的元器件和布線，進行合理布局，進行整個數(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。盡量做到自己動腦、自己動手來解決問題。五、報告要求：試驗報告做到言簡意賅、條理清楚、主次分明，對于在設計制作過程中出現(xiàn)的問題及如何得到解決能夠清楚地反映到報告上，盡量做到將設計制作的每個環(huán)節(jié)都在報告上面得到清晰地呈現(xiàn)。六、實驗工具器件電腦及protel制圖軟件、打印機、轉(zhuǎn)印紙、熱轉(zhuǎn)印機、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、鉆機及0.8mm、1.0mm鉆頭、電烙鐵及支架、焊錫、細電線、元器件等。元器件包括：1.共陰八段數(shù)碼管6個。2.SN74LS160AN計數(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時鐘晶體1個。13.蜂鳴器1只。14.按鍵式開關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、原理設計設計方案：總體思路:數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率(1HZ)進行計數(shù)的計數(shù)電路。主要由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器顯示器和校時電路組成。振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準，通常使用石英晶體震蕩器，然后經(jīng)過分頻器輸出標準秒脈沖，或者由555構成的多諧振蕩器來直接產(chǎn)生1HZ的脈沖信號。秒計數(shù)器滿60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器滿60后向小時計數(shù)器進位，小時計數(shù)器按照“24翻1”規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間一致，故需要在電路上加一個校時電路，當計時出現(xiàn)誤差時，可以用校時電路校時、校分。如圖一所示為數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖。時顯示器時顯示器分顯示器秒顯示器時譯碼器分譯碼器秒譯碼器時計數(shù)器分計數(shù)器秒計數(shù)器校時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)字鐘計時的準確程度，一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。通常選用石英晶體構成振蕩器電路構成振蕩器。也可以由555定時器組成。時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，而根據(jù)設計要求，時個位和時十位計數(shù)器為24進制計數(shù)器。

譯碼驅(qū)動電路將計數(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個發(fā)光二極管組成，行成一個日字形，它門可以共陰極，也可以共陽極，本設計中為共陰極七段顯示LED數(shù)碼管。當重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正，所以數(shù)字鐘應具有分校正和時校正功能。對校時電路的要求是：在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(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)生標準頻率信號經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。石英晶體振蕩器的特點是振蕩頻率準確、電路結構簡單、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。時間計數(shù)單元設計首先由晶振脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的信號經(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，脈沖信號首先接到秒個位計時的160的CP端，使得秒個位計數(shù)每秒計數(shù)一次，將秒個位的進位輸出信號接到秒十位的CP輸入，控制秒十位160的計數(shù)。將秒十位160輸出Q2、Q1（0110）經(jīng)過與非門后接到清零端，從而實現(xiàn)秒的六十進制計數(shù)。同理實現(xiàn)分的六十進制計數(shù)和時的二十四進制計數(shù)，再將各級160輸出接到七段譯碼器輸入端，驅(qū)動八段共陰數(shù)碼管的顯示。時間計數(shù)單元由時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分組成。時計數(shù)單元為24數(shù)器計數(shù)，其輸出為兩位8421BCD碼形式，分計數(shù)和秒計數(shù)單元為60進制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。本實驗采取了用兩塊74LS160芯片進行級聯(lián)來產(chǎn)生60進制和24進制計數(shù)器。3.1集成異步計數(shù)器74LS16074LS160功能表輸入輸出CRLDCTtCTpCPD0D1D2D3Q0Q1Q2Q31 ********01**↑d0d1d2d30011↑****000******00*0***** 0000d0d1d2d3計數(shù)觸發(fā)器保持，CO=0保持CR高電平有效，為異步清零端，當CR=1時，Q0~Q3均為0。.LD高電平有效，為置入控制端，當CR=0、LD=1時，在時鐘CP的上升沿作用下，外加輸入數(shù)據(jù)D0~D3同時輸入，即Q0=d0、Q1=d1、Q2=d2、Q3=d3。CTp、CTt為計數(shù)控制信號，當CR=0、LD=0的條件下，CTp=1、CTt=1，完成4位二進制加法計數(shù)；CTp=1、CTt=0時，電路中各級觸發(fā)器狀態(tài)處于保持，而輸出CO=0;CTt=1、CTp=0時，電路各級觸發(fā)器及輸出均處于保持。74LS160邏輯符號74LS160管腳圖3.2譯碼器74LS4874LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是OC門輸出且高電平有效，專用于驅(qū)動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”計數(shù)器的每位輸出分別接到相應七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數(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。當數(shù)字鐘的計數(shù)器在CP脈沖的作用下，就應將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號，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為燈測檢查，用LT可檢查七段顯示器個字段是否能正常被點燃。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，在多位十進制數(shù)表示時，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)動器功能表74LS48引腳功能-----七段譯碼驅(qū)動器功能表十進制數(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，輸入十進制數(shù)0~9的任意一組8421BCD碼（原碼），則輸出端a~g也會得到一組相應的7位二進制代碼（74LS48驅(qū)動共陰極，輸出3FH、06H、5BH…；74LS47驅(qū)動共陽極，輸出COH、F9H、A4H…）。如果將這組代碼輸入到數(shù)碼管，就可以顯示出相應的十進制數(shù)。（2）試燈功能：給試燈輸入加低電平，而BI/RBO端加高電平時，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，不管其他輸入為什么電平，所有輸出端都為低電平。將這樣的輸出信號加至數(shù)碼管，數(shù)碼管將不發(fā)亮。（4）動態(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RBI=0，且DCBA=0000時，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，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，使用時公共陰極接地，使每個發(fā)光二極管都處于導通狀態(tài)，而且這7個發(fā)光二極管a到g分別由相應的BCD七段譯碼器來驅(qū)動。圖2-7共陰極LED數(shù)碼管的原理圖在這里，我們選用型號為LG5011AH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、校時電路的設計當重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正，所以數(shù)字鐘應具有分校正和時校正功能。對校時電路的要求是：在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù)，所以，必須要有兩個控制開關分別控制分個位和十個位的脈沖信號。在校時時，應截斷分個位或者時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。校時電路由邏輯門以及兩個按鍵開關組成，兩個按鍵開關分別對分和時進行校時。 當按下校時開關時，從觸發(fā)器引出來的脈沖信號將直接經(jīng)過邏輯門輸入到分和時的計數(shù)控制端，從而使得分和時的計數(shù)不受進位的控制，由觸發(fā)器的脈沖直接進行控制，當計數(shù)器記到正確的數(shù)字時，再斷開開關，使得計數(shù)器正常計數(shù)即可。5、整點報時裝置當時鐘分計數(shù)到59分，秒計數(shù)到51、53、55、57秒時，蜂鳴器鳴低音，當記到59秒時鳴高音，鳴音時間為一秒。分鳴音信號：將分十位計數(shù)160輸出端Q2、Q0（0101）以及分個位160輸出Q3、Q0（1001）通過四輸入與非門輸出。秒鳴音信號：將秒十位計數(shù)160輸出Q2、Q0（0101）以及個位160輸出Q0通過三與非門輸出。將分鳴音信號與秒鳴音信號分別與分頻器的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)字中設計原理圖數(shù)字中設計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：按照圖3.1所示的數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖，先將秒個位、秒十位、分個位、分十位、時個位、時十位分級焊接，在經(jīng)過調(diào)試沒有出現(xiàn)問題后再將它們一一逐級級聯(lián)，級聯(lián)后再進行整體計時電路的調(diào)試，若此電路能夠進行正常計數(shù)，那么一個完整的計時電路就出來了。最后分別進行秒脈沖發(fā)生器及調(diào)時電路的安裝，經(jīng)調(diào)試沒有出現(xiàn)問題，再將它們與計時電路連接。最后進行整體電路（即數(shù)字鐘）的調(diào)試。在這次的設計制造過程中出現(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重的事故，在開始焊接的時候，由于過于粗心大意，將電阻焊接到錯誤的接孔上，后來不得不將它們都拿下來再進行焊接。這次事故直接導致電阻的腳太短，有的腳剛剛從鉆孔中探出來。再者，在剛開始焊板子的時候，由于不熟悉，不小心把管腳焊錯，甚至將整個底座的極性搞反，導致電路不工作。解決方法就是用吸錫器把焊錯地方的錫先吸走，再一個人拿烙鐵，一個人拔底座，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腳折斷。我覺得在這次的設計制作過正中還有一個比較明顯的缺點就是飛線過多，而且分布不合理。在設計過程中就應該盡量減少飛線的數(shù)量，在布局焊接飛線時應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潔美觀，但是事實是準多的飛線全部焊接到反面給調(diào)試反面檢測焊接是否正確造成很大的困擾與麻煩。在設計布局階段沒有做到整個版面緊湊簡潔，版面元器件之間的空隙有點大。整點報時電路設計過于復雜，是造成飛線多的主要原因。通過檢測，我認為這次實驗最終失敗的原因在于脈沖信號的輸出。從D觸發(fā)器輸出的脈沖信號與預期設計的不同，在萬用表電壓檔測試出為負值。通過仔細的與原理圖中所用觸發(fā)器封裝圖的對比，我認為造成這個錯誤的原因在于實際所用的觸發(fā)器與設計時所用的觸發(fā)器不是同一種，使得輸出管腳不同，造成信號輸出到160失敗，最終導致160不能正常計數(shù)。九、課程設計心得體會這次的實驗沒能達到預期的目的——沒能得到能正確實現(xiàn)其功能的數(shù)字鐘，但是這塊板子畢竟是我和隊友自己一點一點完成的，雖然它沒有班里其他同學的那樣完美，但是在我眼里他仍然是最寶貴。雖然它沒能實現(xiàn)預期的功能，但是通過這次的數(shù)字鐘設計制作，我明白了很多的