数字钟实训.docx
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数字钟实训
成都航空职业技术学院
实习报告书
（2010～2011学年第一学期）
课程名称：
数字电子课程代码：
系别：
电子工程系专业：
电气自动化
班级：
20934学号：
091450
学生姓名：
贝为国指导教师：
周兴、王龙
完成时间：
2010年12月25日
自动报时数字钟设计、制作与调试
一、自动报时数字钟实训的能力目标
（1）掌握常用数字组合逻辑电路和时序逻辑电路的功能及使用；
（2）熟练掌握查阅数字电子器件手册的方法；
（3）熟练掌握正确使用常用数字电子仪器仪表（如三用表、双踪示波器等）、设备（数字逻辑实验仪）、工具的方法；
（4）具备阅读实用的数字电路原理图的能力，训练学生分析整机数字逻辑电路的能力；
（5）具备典型数字电路（如自动报时可校时数字钟）的设计、安装、调试、排除一般电路故障的能力；
（6）具备电子产品说明书的阅读和写作能力；
（7）培养学生面对问题时较好的心理素质以及安全操作、环保、质量与效率意识。
4.5.2任务和要求
1．自动报时数字钟实训任务和要求
要求用数字电路实验室所提供的中、小规模数字集成电路，设计、安装出一台自动报时数字钟。
（1）查阅技术资料；
（2）完成电路原理设计；
（3）根据所设计的原理电路图，在数字逻辑实验仪的面包板上安装单元电路并调试；
（4）调试整机电路，是否满足功能要求；
（5）排除可能产生的故障；
（6）排除由指导教师人为设置的故障；
（7）撰写技术报告（实训报告）。
2．自动报时数字钟功能描述
（1）用数字显示时、分、秒，12小时循环一次；
（2）可以在任意时刻校准时间，只用一只按钮开关实现，要求可靠方便；
（3）能以音响自动正点报时，12小时循环一次；要求第一响为正点，以后每隔一秒或半秒钟响一下，几点钟就响几声；
（4）秒信号要求考虑时间精度，建议采用石英晶体振荡器经分频器产生。
3．自动报时数字钟实训报告要求
（1）题目名称
（2）设计任务内容及主要功能要求
（3）电路设计
①确定方案，应在多种方案比较后选定；
②画出整机原理电路框图；
③单元电路的设计，元器件的选择和必要的波形图，说明主要工作原理；
④估算各主要元器件的参数，并标在电路图中恰当的位置。
（4）安装调试过程中遇到的问题及解决的方法
（5）收获、体会和建议
（6）附录
①元器件清单
②整机原理电路图
4.5.3自动报时数字钟设计任务分解（实训子项目）
1．自动报时数字钟原理框图
根据设计任务与要求，可初步将系统分为四大功能模块：
秒信号发生器、主电路、校时电路和自动报时电路。
进一步细分，可将秒信号发生器分为石英晶体振荡器、分频器；主电路分为两个60进制、一个12进制的计数、译码、显示电路；校时电路分为防抖动开关电路、校时控制器；自动报时电路分为音频振荡器、响声计数器、响声次数比较器、报时控制器、喇叭电路。
这样把总体方案划分为若干相对独立的单元。
参考原理框图如图4-5-1所示。
图4-5-1 自动报时数字钟的原理框图
2．实训子项目1：
秒信号发生器
秒信号发生器要求时间精度，因此一般采用石英晶体振荡器经分频器实现。
（1）石英晶体振荡器
秒信号发生器常用石英晶体振荡器和CMOS反相器实现，选用振荡频率为32768HZ的石英晶体。
因为32768＝215，只要经过215分频就可以得到稳定度很高的秒信号。
图4-5-2是一种石英晶体振荡器电路。
（2）分频器
分频器可选用14位二进制串行计数器CC4060，再加一级触发器二分频，就能够对石英晶体振荡器输出的32768HZ信号进行215分频。
图4-5-3是15级二分频电路，其输出则为稳定度很高的f=1Hz的秒信号。
图4-5-2 石英晶体振荡器图4-5-3 15级二分频电路
2．实训子项目2：
时、分、秒计数器
秒信号经秒计数器、分计数器、时计数器之后，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位，“时”个位、十位的计时输出信号，然后送至译码显示电路，以便实现用数字显示时、分、秒的要求。
“秒”和“分”计数器应为60进制，而“时”计数器应为12进制，所有计数器皆为8421BCD码。
要实现这一要求，可选用的MSI计数器较多，这里推荐74LS90、74LS290、74LS160、74LS192，由读者自行选择。
（1）60进制计数器
由两块MSI计数器构成，一块实现10进制（8421BCD码）计数器，另一块实现6进制，级联起来构成60进制计数器。
参考电路如图2-23和图2-24。
（2）12进制计数器
该12进制计数器应为8421BCD码，因此应为5位二进制数。
作为“时”计数器，该计数器的计数顺序较特殊，为“1→2→3→…→11→12→1”。
可由一块MSI计数器实现8421BCD码的10进制计数器，由触发器实现2进制计数器，级联起来实现20进制计数器。
在此基础上，用脉冲反馈法实现12进制。
（a）由74LS192和触发器实现；（b）由74LS290和触发器实现
图4-5-4 12进制计数器的两种方案
在图4-5-4（a）中，当计数器计到第13个CP脉冲时，即状态一旦为“10011”，通过外加的控制电路输出一个信号（注意：
该信号的电平应视计数器的功能而定，有时需高电平，有时需低电平）去控制计数器的异步置数端和触发器的异步置0端，将计数器的状态强制置为“00001”状态，从而实现从12→1的十二进制计数。
3．实训子项目3：
译码显示电路
（1）译码显示电路
选用器件时应注意译码器和显示器的匹配。
一是功率匹配，即驱动功率要足够大。
因数码管工作电流较大，应选用驱动电流较大的译码器或OC输出的译码器。
二是逻辑电平匹配。
例如，共阴型的LED数码管应采用高电平有效的译码器。
推荐使用的显示译码器有74LS48、74LS49、74LS249、CC4511。
参考电路如图4-5-5。
（2）12进制小时计数器“十”位的显示
12进制小时计数器的显示有其特殊性：
一般在1点至9点（即Q4＝0）时，“时”的十位习惯于消隐；而在10点、11点、12点（即Q4＝1）时，“时”的十位显示“1”。
可见，“时”的十位显示器只处于两种状态：
Q4＝0时消隐、Q4＝1时显示“1”（可令数码管的b、c两段亮）。
这样可不用译码器，只用Q4直接控制数码管的b、c两段即可。
因数码管的工作电流较大，同样必须考虑驱动能力和电平匹配问题。
参考电路如图4-5-5所示，给出了两种实现的方法。
若要求24进制小时计数器，译码显示电路则与分、秒计数器的相同。
（a）控制共阴极；（b）控制b、c端
图4-5-5 时计数器的“十”位显示电路
4．实训子项目4：
校对电路
在刚接通电源或者时钟走时出现误差时，需要进行时间校准。
通常可在整点时刻利用电台或电视台的报时信号进行校准，也可在其他时刻利用别的时间标准进行校对。
必须注意，增加校对电路不能影响时钟的正常计时。
实现校对的具体方法各有不同。
可通过两个开关进行，分别为校时开关和校分开关。
当校时（校分）开关置于有效位置时，小时（分钟）计数器自动加1，当加到标准时间的瞬间，迅速将开关置于无效位置。
两个开关还可为按钮开关，每按一次按钮，对应时/分计数器加1。
这种方案不易将校对精确到秒。
本课题要求只用一个按钮开关实现校对，每按一次按钮，电路自动进入下一工作状态，这种设计思想广泛应用于家用电器的数控电路中。
校对总在选定标准时间到来之前进行，一般分为四个步骤：
首先使小时计数器自动加1，直加到需预置的小时数，立即按下按钮，时计数器暂停计数；同时分计数器开始自动加1，直加到需预置的分钟数，再按下按钮，分计数器暂停计数；此时秒计数器应清零，时钟暂停计数，处于等待启动阶段；当选定的标准时刻到达的瞬间，按下按钮，电路则从所预置时间开始计时。
这种方案可将校对精确到秒。
由此可知，校时电路应具有预置小时，预置分钟、秒清零等待、启动计时四个阶段。
（1）防抖动开关电路
由于机械开关的机械振动不适合对反应速度极快的门电路进行控制，否则会发生误操作，所以机械开关应加防抖动电路以产生稳定的上升沿或下降沿单脉冲输出。
防机械抖动的方案有多种多样。
我们采用试验箱上的开关.。
（a）利用RC电路防抖动；（b）利用基本RS触发器防抖动；（c）利用基本RS触发器防抖动的工作波形
图4-5-6 防机械抖动开关电路及工作波形
（2）四进制计数器
四进制计数器可以利用双D触发器来实现，从减少连接线的角度看，也可以利用MSI计数器实现。
选择MSI器件74LS90。
（3）校时控制器原理——利用MSI数据选择器（双四选一74LS153）
原理见图4-5-7。
注意：
Q1和Q0的四种组合状态对应校对的四个阶段功能。
在本例中，假设状态分配为00对应校时、01对应校分、10对应等待且秒清零、11对应启动正常计时。
状态分配还可以有其他形式，如01对应校时、10对应校分、11对应等待且秒清零、00对应启动正常计时，等等，读者可依据相同原理设计相应电路。
表4-5-1状态分配表
Q1Q0
功能
00
校时
01
校分
10
等待且秒清零
11
启动
图4-5-7 校时控制器原理
（4）等待期间秒清零电路
在两种情况下秒计数器应清零：
第一，秒计数器实现60进制，即当计数器计满60个脉冲时（秒十位的Q2和Q1都为1）应清零；第二，在校时操作中，等待期间（C＝1）应使秒计数器清零。
分析可知，这两种情况的逻辑关系为相“或”，可用“或门”或者其它门电路实现。
如图4-5-8所示。
C如何产生请读者自行分析（提示：
与四进制校时计数器的状态分配有关）。
图4-5-8 秒清零电路
自动报时数字钟所用元器件及其作用
元器件
型号或数值
数量
作用
数码管
LED共阴型
6
显示器
六非门
CC4069
1
实现石英晶体振荡器
计数器
CC4060
1
14分频器
译码器
CC4511
5
七段显示译码
2输入四与非门
74LS00
1
逻辑控制
六非门
74LS04
1
逻辑控制
2输入四或门
74LS32
1
逻辑控制
4输入双与非门（功率）
74LS40
1
逻辑控制
双D触发器
74LS74
1
2进制计数或作RS触发器使用
2输入四异或门
74LS86
1
报时控制电路中数据比较
双四选一数据选择器
74LS153
1
校时控制电路
计数器
74LS192
1
12进制计数
计数器
74LS290
5
60进制、4进制计数
石英晶体
32768Hz
1
提供稳定的频率输出
电容
3～25pF
1
实现石英晶体振荡器
电容
47pF
1
实现石英晶体振荡器
电阻
100Ω
6
数码管限流电阻
电阻
4.7kΩ
2
用于防抖动电路
电阻
10kΩ
1
微分电路，提取突变信号
开关K
AN
1
用于校时电路
数字钟实训时间安排
序号
实训内容
方式
时间（H）
备注
1
布置本次实习的任务及要求
讲授
2
任务驱动
2
自动报时数字钟的工作原理及框图
讲授
2
3
自动报时数字钟原理设计
设计
12
查阅资料
4
发放元件及元器件布局设计
操作
2
5
安装秒脉冲、主电路，调试及故障排除
操作
12
6
安装校时、报时电路，调试及故障排除
操作
12
教师过程指导
7
总调、故障排除，故障排除练习
操作
4
8
故障排除考试
考试
8
9
验收整机电路功能及布线工艺
验收
2
10
总结（学生代表及教师）
演讲会
2
11
编写实习报告、机动
自主
2
合计
60
项目拓展
（1）若要求时间精度较高，可用晶体振荡器产生稳定度极高的振荡信号，再经分频器得到1HZ的秒脉冲信号。
试设计相关电路的原理图，并作为选作内容进行安装调试。
（2）在电台或电视台的整点播报中，往往是在整点前6秒开始，以频率800HZ每秒钟响一次，整点到时以频率1kHZ最后一响。
本课题有响声次数与小时点数一致的特殊要求，目的是为增加设计的难度。
若要实现与电台类似的播报，试设计相关电路图。
.实训报告总结
1.通过努力，终于在最后完成了显示与校时的功能
1.设计过程中遇到的问题及其解决方法。
1）在检测74LS47驱动电路的过程中发现有两个数码管显示的数字是没有规律的（不是从0到9的显示），正是由于我们布线的整齐简明，经过检查发现是74LS47其中的两跟译码线与显示管脚连接出错，交换，就OK了！
2）在连接晶振的过程中，晶振起振，但是输出的脉冲明显不是1HZ的，对照设计电路检查，发现CD4060的输出管脚接错，接上3号管脚，一切OK！
。
3）分进位到时要接非门否则会变成40进制。
4）通过对接线的体会，我们知道做事要认真，否则将全局错误
2.设计体会
在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
在连接六进制、十进制、六十进制的进位及十二进制的接法中，要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。
在设计电路中，往往是先仿真后连接实物图，但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的，例如仿真的连接示意图中，往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚，因此在实际的电路连接中往往容易遗漏。
在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的。
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