数字电子电路课程设计报告终稿.docx
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数字电子电路课程设计报告终稿
题目名称：
数字钟的设计与制作
姓名：
邓邹超
班级：
电信121
学号：
201233285123
日期：
2014年12月18日
数字电子电路课程设计任务书
一、课程设计任务（即要求）：
课程设计题目：
数字钟的设计与制作
（一）设计指标：
1．显示时、分、秒。
采用24小时制。
2．制作、调试出一个具有直流电源、简易信号源及用来计“时”“分”“秒”的数字钟系统。
并按照直流电源、简易信号源、及“秒”、“分”进位和“时”循环进位是否正常给予不同记分。
3.具有校时功能，可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位。
校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟。
（二）具体要求：
1．制作、调试数字钟实物；要求焊接、调试出一个具有直流电源、简易信号源及用来计“时”“分”“秒”的数字钟系统。
2．按设计任务书的要求的格式，撰写或打印课程设计报告书。
3．设计总结和答辩。
（三）实验仪器、工具：
1．共阳（共阴）七段数码管/计数器/译码驱动集成电路。
2．导线/电阻/电容/石英晶体/变压器等。
3．示波器、万用表。
（四）设计报告要求：
格式要求：
（见附录）
内容要求：
1.画出设计的原理框图，并要求说明该框图的工作过程及每个模块的功能。
2.画出各功能模块的电路图，加以原理说明（如10进制到6进制转换的原理，个位到十位的进位信号选择和变换等）。
3.描述设计制作的数字钟及其运行结果。
说明测试中出现的故障及其排除方法
4.总结：
设计过程中遇到的问题及解决办法；课程设计中的心得体会；对课程设计内容、方式、要求等各方面的建议。
5.附录1：
画出总布局接线图（集成块按实际布局位置画，关键的连接单独应画出，计数器到译码器的数据线、译码器到数码管的数据线可以简化画法，但集成块的引脚须按实际位置画，并注明名称。
）（或附上实物照片）
6.附录2：
元器件清单。
（五）课程设计参考资料
1.彭介华主编：
《数字电子电路课程设计指导》，高等教育出版社，2002年出版。
2．郑步生.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用.电子工业出版社.2002
3．高吉祥主编．数字电子电路基础实验与课程设计．北京：
电子工业出版社，2002
4．扬志亮.Protel99SE电路原理图设计技术.西北工业大学出版社.2002
5．
6．
二、设计计算
1.总体方案设计
图1电路设计总体框图
在动手焊接硬件电路前我们对总体电路进行了设计，并在Multisim中进行仿真并获得成功。
我们的电路由6个共阴数码管、6个CD4511显示译码器、6个161芯片、两个74LS00与非门芯片、一个74LS04非门芯片组成。
工作原理是这样的：
首先在最低位的161芯片的时钟引脚输入脉冲信号，于是最低位的161芯片开始计数，与此同时161的输出和CD4511的数据输入口相连接，并驱动共阴数码管显示具体数值。
等到计数满10的时候它的Q4和Q2引脚会同时变高，于是在以Q4和Q2为输入端的与非门的输出产生一个下降沿，这个下降沿将输入到异步清零端，迅速将计数状态置为0，这在数码管上的表现就是从9跳变到0.这样就实现了秒的各位的计数。
其它5个数码管的工作方式都和第一个相同，区别在于进位时的数值不同，秒的个位和分的个位都是在10的时候产生进位信号
秒的十位和分的十位都是在6的时候产生进位信号，这样在秒到分、分到时就实现了60进制。
需要特别之处的就是时的十位的清零。
时的个位依旧是计数到10的时候向前进位并进行本位清零，但是它还要增加一个清零的条件，因为时钟是24进制的所以当时的十位等于2并且时的个位等于4的时候也要进行本位清零。
同时这个清零条件也是时的十位清零的唯一条件，这样一来时就能实现24进制了。
功能实现：
将外部的信号激励源接入最低位的时钟输入端，我们可以看到数字钟的前五位都是零，最低位开始走，满10后向前进一位。
加大输入信号的频率，时钟速度变快。
最后可以看到当时钟走到23时59分59秒的时候，下一刻就全部清零，从头开始。
2．单元电路设计：
各个元器件的原理和功能说明：
2.1BCD码锁存7段显示译码器
（1）芯片功能
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器。
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动共阴LED数码管。
（2）引脚图和真值表
图2CD4511引脚图
图3CD4511芯片真值表
（3）使用方法
其中abcd为BCD码输入，a为最低位。
LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。
LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。
a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。
下图是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。
所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。
限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。
2.同步加法计数器74LS161
（1）芯片功能
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能
（2）引脚图和真值表
图474LS161引脚图
图574LS161真值表
（3）使用方法
从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0•Q1•Q2•Q3•CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
3.74LS00
（1）芯片功能
74LS00为四组2输入端与非门（正逻辑），实现对输入信号的与运算。
（2）引脚图和真值表
图674LS00芯片引脚图
图774LS00芯片真值表
4.74LS04
（1）芯片功能
74LS04为六组反相器,对输入的信号实现取反运算。
（2）引脚图和真值表
图974LS04芯片真值表
图874LS04芯片引脚图
5.数码管
图10数码管实物图
图11数码管引脚图
3．总体电路
（1）数码管：
图126个共阴极数码管
六个数码管都是共阴极连接，每个含有A、B、C、D、E、F、G分别对应数码管中七个不同位置的发光二极管。
当A、B、C、D、E、F、G端输入高电平可以点亮对应的发光二极管。
（2）七段码译码器
图13CD4511线路图
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器。
~BI：
输出消隐控制端；~EL：
数据锁定控制端；~LT：
灯测试端；当~LT=~BI=高电平，~EL=低电平时，数据输入端DA、DB、DC、DD读取并传输数据到七段式数码管。
（3）4位二进制同步计数器
图1474LS161线路
74LS161为可预置的4位二进制同步计数器，74LS161的清除端是异步的。
当清除端CLEAR为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。
74LS161的预置是同步的。
当置入控制器LOAD为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输出端QA－QD与数据输入端A－D相一致。
对于74LS161，当CLOCK由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端ENP、ENT为高电平，则LOAD应避免由低至高电平的跳变，而74LS161无此种限制。
74LS161的计数是同步的，靠CLOCK同时加在四个触发器上而实现的。
当ENP、ENT均为高电平时，在CLOCK上升沿作用下QA－QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
对于74LS161，只有当CLOCk为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而74LS161的ENP、ENT跳变与CLOCK无关。
74LS161有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为QA的高电平部分。
（4）时钟信号的产生
采用函数信号发生器产生需要的频率，用以测试仿真的效果。
图15Multisim中函数发生器
（5）线路连接注意事项
i.不能短路，防止虚焊，焊为小锥形状，所有芯片都要接电源和地
ii.因为用的是CD4511所以CD45115角接低电平3,4脚接高电平
iii.数码管的3和8和5接低电平，3和8接低的原因是因为是共阴极（发现3和8焊一个角也可以，因为他们是连在一起的），而5接低电平原因是因为不让数码管的小数点亮，因为是整数进位，没有小数
iv.右边四个与非门是一个74LS00，左边两个与非门是一个74LS00
v.六个非门用一个74ALS04
vi.最左边放电源（地）最右边放地（电源），最有引出一条地线和一条电源线，另外还要引出一条线接实验箱子上。
vii.图的最下面两个74LS74和CD4060B不接，在数字电路课程设计电路板上.
viii.布线要合理否则最后板子焊接失败。
所以先排布好，再焊接。
ix.电阻在连接的时候最后选在一条通路上，这样就可以减少很多焊点。
其中很重要的一点是510的（很多个这样电阻）电阻应该和译码器连在同一个铜片上（竖）。
这样就可以少很多焊接点。
x.防止芯片烧掉，把所有的插座焊接好最后插芯片，不要插好后焊接（防止烧坏）。
三．制作调试
在制作之前：
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的钟表。
与机械钟相比具有更高的准确性和直观性，具有更长的使用寿命，已得到广泛的使用。
数字钟的设计方法有许多种，例如我们将要做的中小规模集成电路组成的电子钟，也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟，还可以利用单片机来实现电子钟等等。
焊接之前尤为重要的是设计，和队友讨论了一个小时以及参考老师给的资料确认了最后设计方案，我们打算放弃很难进行焊接的统一的板子，而改用相对好拖焊的普通洞洞板。
清点完元器件种类和个数，然后进行一个简单的元器件布局之后，焊接开始!
在制作调试的过程中，遇到的问题有：
图16设计时的稿图
1.刚开始的时候为了达到板子的美观性和布线的简约花了大量的时间在设计布局和芯片的管脚之间的连线中，下图为局部布线的设计图。
2.在设计的时候由于采取了尽可能用来拖焊而少飞线的原则，导致了在焊接时一旦出错比较难改，甚至出现焊盘脱落的情况。
3.在焊接结束之后，经万用表检查无误后，插上芯片进行测试，这里要特别注意在插芯片的时候要小心仔细，不能插反或者再插不进去的时候使劲按压，导致芯片管脚折断、弯曲的情况出现。
全部焊好之后的背面图如下图所示。
图17实物的背面连线图
4.在第一次测试的过程中，发现刚上电后6个数码管全部显示为零，符合理论的结果，于是向最低位的时钟信号口加上激励脉冲，发现最后一个数码管有一段无法发光。
解决方法：
首先先看是否是焊接的问题，于是翻过去去看最后一个数码管的电路（这里犯了一个错误，反过来的时候应该检查第一个数码管的线路，由于是通宵焊接的这时候的脑子没有转过弯来），发现最后一个数码管的电路没有问题，于是用烙铁给每条电路过了一次锡，完事后反过来继续检测，发现非但最后一个数码管没修好，第一个数码管也坏掉了（但是还没有认识到之前自己犯的那个错误）；于是我断电后把这块芯片和那外一个显示正常的芯片进行对换，再测试，发现问题依旧存在，这样就排除是芯片坏掉的可能，然后用万用表测试CD4511输出引脚，发现那个不亮的引脚输出是为1，但是数码管不亮，同样的第一个坏掉的数码管也照样是这样的问题！
这样就确定是数码管的问题，经过反思发现数码管不亮可能是因为在焊接的时候是直接焊数码管的引脚的没有用排座来当底座，这么一下就要换掉数码管，这个可是一个非常庞大的工程，在换的过程中一共脱落了3个焊盘，整个加装排座的过程共耗时2个小时，真是非常的艰辛，再加上一夜没睡，所以当最后全部显示正常之后，激动万分！
5.在给数码管加装排座之后，进行测试之前的哪些问题都解决了，可是新的问题又出现了，倒数第一个数码管应该由于频率太快而显示8这个字码的，可是现在只显示0，于是我把激励信号的频率变低，发现这个数码管只显示0和1两个数码值，经过分析，推测可能是进制位出错，于是到后面检查接线情况，果然发现有一根飞线断了，飞线连接不稳定导致短路便是使用飞线的一大弊端！
改正这个错误之后，上电，测试，非常完美！
！
！
数量
描述
RefDes
封装
类型
废弃
42
'RESISTOR,500Ω
R1,R2,R3等
'
'
'-
6
'SEVEN_SEG_COM_K
'U16,U17,U18,U19,U20,U21
'Generic
'
'-
1
'POWER_SOURCES,VDD
'GND
'Generic
'
'-
1
'POWER_SOURCES,VCC
'VCC
'Generic
'
'-
2
'74LS,74LS00N
'U1,U2
'IPC-2221A/2222\NO14
1
'74LS,74LS04N
'U3
'IPC-2221A/2222\NO14
6
'74LS,74LS161N
'U4,U5,U6,U7,U8,U9
'IPC-2221A/2222\NO16
7
'CMOS_5V,4511BD_5V
'U10,U11,U12,U13,U14,U15,U25
'IPC-2221A/2222\SOT-74
图18Multisim列出的元器件清单
元器件清单和实物效果
图19实际效果图
四．总结
这次调试这个数字钟，我们选了用一个通宵来焊接和调试，特别有比赛的感觉，在焊接的过程中，由于芯片的数量很多所以设计布局很重要，因为考虑到用学校发的板子焊接会发生跳线很多的情况，因此选用了自己手头的洞洞板来焊接，不过在焊的过程中发现洞洞板也有它自己的弊端：
在改正焊接错误的时候相当麻烦，可能会导致焊盘的脱落，而且拖焊比较费时间。
整个焊接大概用了8个小时，但在测试的时候并没有这么一帆风顺。
调试环节是一个作品设计中至关重要的一部分。
调试是一个很复杂又繁琐的过程，这就要求有耐心并分析现象。
调试顺利让人愉悦，调试不顺利则让人发狂。
特别是当你飞线多的让你看不清焊点的时候，基本上原理图得在脑子里再多走几遍。
我们小组就在调试中有着各种起起伏伏，有一些不好的焊接习惯造成了数码管的烧坏，在修改的时候焊盘也有脱落，不过最终的成功的便是对你的肯定。
—————邓邹超
又到了一个学期末尾的课程设计了，这次题目是数字时钟的设计及实物的制作。
清点完元器件种类和个数，然后进行一个简单的元器件布局之后，焊接开始!
依照元器件的空间垂直高度从低到高焊接。
无疑焊接过程是漫长和艰辛的，两个人轮换着焊也花了八小时之多，其中飞线很费时间，开始的粗心大意往往是致命的，数码管是直接焊上去的，最后的测试坏掉不少的数码管，最后还得焊下焊上排座，队友的帮助非常给力。
全部都焊接好之后，我们用来调试的时钟信号是队友用单片机编程设计了适当的频率，很给力！
最终和队友一起制作的数字时钟正常计时的时候真的很开心，是一种重生也是一种安慰。
并且迎来了第二天的第一缕阳光！
通过本次课程设计，我加深了对数字电子技术所学内容的巩固。
我进一步学习了电子电路的设计以及Multisim12软件的使用，增强了自学能力和分析解决实际问题的能力，培养了独立思考、认真踏实的学习的习惯，同事还巩固了常用的软件和仪器仪表的使用，充分的认识到理论结合实践的重要性。
对社会中工作的科研人员致敬！
—————巫溢滨
五、参考文献
[1]康华光主编.电子技术基础-数字部分（第五版）.高等教育出版社,2006；
[2]数字电子技术《实验指导书》；
[3]杨素行主编.模拟电子技术简明教程（第三版）.高等教育出版社，2005；
[4]谢自美主编.电子线路设计、实验、测试.华中理工大学出版社,2000；
[5]吕思忠主编.数子电路实验与课程设计.哈尔滨工业大学出版社,2001.
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