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数字电路报告
计算机学院
数字电子钟制作、调试报告
（2011/2012学年第2学期）
专业名称：
计算机应用
课程名称：
数字电路应用
指导教师：
班级：
姓名：
学号：
成绩：
目录
一、设计任务书……………………………………………………………………………………3
1.任务………………………………………………………………………………………………3
2.主要技术指标…………………………………………………………………………………3
3.特别说明…………………………………………………………………………………………3
二、总体方案设计…………………………………………………………………………………3
1.任务分析…………………………………………………………………………………………3
2总体方案………………………………………………………………………………………3
三、各模块电路设计………………………………………………………………………………5
1.显示电路…………………………………………………………………………………………5
2、信号电路…………………………………………………………………………………………6
3、计时电路…………………………………………………………………………………………7
4、校时电路…………………………………………………………………………………………7
5、报时电路…………………………………………………………………………………………8
四、仿真设计、调试………………………………………………………………………………9
1.显示电路安装与调试……………………………………………………………………………9
2.信号电路安装与调试…………………………………………………………………………10
3．计时电路安装与调试………………………………………………………………………10
4.校时电路安装与调试………………………………………………………………………11
5.报时电路安装与调试………………………………………………………………………11
五、整机安装调试……………………………………………………………………………12
1、安装方法设计…………………………………………………………………………………12
2、调试方法设计…………………………………………………………………………………12
六、制作、调试中出现的主要问题及解决办法………………………………………………14
七、数字电子钟的操作说明………………………………………………………………………15
八、数字电子钟图纸………………………………………………………………………………15
1.整机原理图……………………………………………………………………………………16
2.元器件布置图…………………………………………………………………………………16
3．器件汇总表（型号、参数、数量、功能）…………………………………………………17
九、改进意见…………………………………………………………………………………18
一、设计任务书
1、任务
数字电子钟的制作、调试
2、主要技术指标
（1）能进行时、分、秒显示
（2）能设置时、分、秒。
（3）能整点报时。
3、特别说明
在给定的PCB板上完成电子钟制作、调试。
二、总体方案设计
1、任务分析
数学电子钟主要五个功能模块组成:
显示电路、信号电路、计时电路、校时电路、报时电路。
电子钟基本功能：
能进行时、分、秒显示；能进行小时、分、秒设置；能实现整点报时；能通过设置，实现任意时间报时。
2、总体方案
1.原理框图：
2.工作原理：
一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”“分”“秒”计数器、校时电，路、报时电路和振荡器组成。
该电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。
秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现，将标准秒信号送入“秒计数器”“秒计数器”采用60进制计数器，每累计，60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。
“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24。
小时的累计。
译码显示电路将“时”“分”“秒”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。
整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。
校时电路时用来对“时”“分”“秒”显示数字进行校对调整的。
3.各功能模块简介：
（1）显示电路：
显示电路的目的是要将“秒”、“分”、“时”的状态显示成清晰的数字符号，这需要将计数器的状态经译码器进行译码，并通过显示器将其显示出来。
（2）信号电路：
信号产生电路就是为数字电路提供满足一定频率的脉冲信号。
在数字电子钟中，必须产生频率为1Hz（周期为1s）的基准计时信号。
另外还要产1024Hz和512Hz的报时信号，以及产生4Hz、64Hz、512Hz校秒、校分、校时信号。
（3）计时电路：
根据“60秒为1分”、“60分为1小时”、“24小时为1天”的计数周期，实现“秒”“分”“时”的计时功能。
最后将“秒”、“分”、“时”的状态经译码器进行译码，并通过显示器将其显示出来。
（4）校时电路：
当秒信号不准确时，时钟就会走慢或走快，这时需要用另一路脉冲信号实现校时，这里称其为校准脉冲信号。
校准的原理，就是使时钟的小时、分钟或秒钟在校准脉冲的作用下快速改变数值，直到和标准时间一致。
（5）报时电路：
时钟用声音的形式传达时间信息，这就是报时。
利用中小集成电路设计一款能实现整点报时的时钟，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时，其中9声高音，1声低音。
三、各模块电路设计
1、显示电路的制作与高度
1.主要功能：
接受计时电路输出的小时、分、秒信号通过合适的显示方式显示出来。
2.方案设计：
显示数学的方法很多，最常见的有LED数码控制简单，且亮度较好显示器为共阴极管显示LED点阵显示器，考虑到LED数码管显示器价格便宜、LED数码管显示器，公共端接地；限流电阻选择1K。
3.主要元件选择依据：
1、LED数码管显示器，LED数码管显示器价格便宜、控制简单，且亮度较好。
2、BCD-七段锁存译码驱动器驱动器4511，它是集译码、信号译码、信号驱动于一身，只要输入端输入8421BCD码就可以输出BCD码所表示的数学在LED数码管上，并且能保证LED数码管显示的亮度所需的电流。
4.原理图：
2、
信号电路制作与调试
1.主要功能：
（1）是为信号电路提供秒基修信号；
（2）是为校时电路提供校时频率信号；
（3）是为报时电路提供所需的高、底音音频信号电路及报时音时间隔控制频率信号；
2.方案设计：
为能输出1HZ、2HZ、60HZ、3600HZ和两个20~20000HZ之间的高低音音频信号电路必须具有震荡电路和分割电路两个功能。
3.
原理图：
4.主要元件选择依据：
（1）集成单稳态触发器4538，其主要有三个方面的应用整型、延时和定时。
（2）石英晶体震荡4060，它是一个集震荡、计数、分频与一身的集成电路。
通过极少数的外部原件可构成震荡电路，也可以对外部信号进行计数，并可以震荡电路产生的频率信号或者外部频率信号进行分频。
3、计时电路的制作与调试
1.主要功能：
是从秒计数输入端输入接受秒基信号和校秒、校分、校时信号，以8421BCD码的形式向显示电路提供信号，并为报时电路提供时间信号。
2.方案设计：
完成60进制，24进制计数器的设计，还必须把这些计数器按顺序串联起来，不能完成时间的叠加。
●1秒计时器的计数信号就为信号电路产生的1HZ的标准信号。
●分计数器的计数信号应由秒计数器产生，当秒计数器溢出的同时应为分计数器提供一个脉冲信号。
●小时的计数器信号应由分计数器产生，当分计数器溢出的同时应为小时计数器提供一个脉冲信号。
3.原理图：
4.
主要原件选择依据：
（1）二进制计数器74161是四位进制加计数器，具有同步预制、异步清零、二进制计数及数据保持等功能。
（2）双BCD码计数器4518，有完全独立的加计数器组成、具有BCD码计数、数据清零和两种触发方式等功能。
4、校时电路制作与调试
1.主要功能：
是接收信号电路的产生的秒基准信号和校时、校分、校秒信号，并在制作校时按钮选择这些信号的输出时机。
2.方案设计：
（1）校时电路的主要任务是接收信号电路产生的秒基准信号和校时、校分、校秒信号，并通过操作栏里按钮选择这些信号的输出时机。
（2）校时电路一般有两种实际方式样时、校分、校秒各用一个电路。
●正常计数时，秒输入端输入秒基准信号。
●校秒时，秒输入端输入校秒信号。
●校分时，秒输入端输入校分信号。
●校时时，秒输入端输入校时信号。
3.原理图：
4.
主要元件选择依据：
（1）数据选择器74151，它最主要的应用实现数据先把器的功能，同时74151还能实现八个以上数据选择器，可编程序列信号发生器等功能。
（2）优先编码器74147，它是个编码器，其输出为8421BCD的反码，且输入具有优先级，常用于键盘编码。
5、报时电路的制作与高度
1.主要功能：
是从计时电路获取时间信息，从信号电路获取音频信号、报时音时间间隔控制频率信号，生成报时音频，经驱动后从发生元件输出。
2.方案设计：
基于该方式的报时电路设计的主要任务有三个：
（1）获取高、低音报时启动信号。
●报时启动信号的获取：
要从59min50s开始报时，获取59min50s这一时刻的信号
●报时高音启动信号的获取：
高音在59min58时发出，同时取消低音信号。
（2）报时音频的合成。
（3）音频信号的输出
3.原理图：
4.主要元件的选择依据：
（1）集成全加器7483能完成两个四位二进制数的相加，通过级联可完成多维二进制相加。
（2）集成比较器7485，能判断两个四位二进制的大小或相等，通过级联可判断两个多维二进制的大小。
四、仿真设计、调试
整体电路图
1、显示电路的仿真电路图：
分析：
图中显示器件为共阴级LED数码管显示器，公共端接地；限流电阻选择1K的电阻；4511的LE/STB接地，LT/BI接+5V,D\C\B\A接计时电路输出的8421BCD码；H7~H0、M7~M0、S7~S0为8421BCD码输入，来计时电路。
2、信号电路的仿真电路图：
分析：
检查4060有没有频率信号输了，用一根导线，拔出信号电路任意4511芯片，把导线的一端插入4511的任意QA~QA引脚，把导线的一端与4060的Q14引脚线连接，此时则4511所控制的LED数码显示器应有1HZ闪烁。
3、计时电路的仿真电路图：
分析：
1.秒计时器的计数信号应为信号电路产生的1HZ的标准信号。
2.分计时器的计数信号应由秒计数器产生，当秒计数已出的同时应为分计数器提供一个脉冲信号。
3.小时计数器信号应由分计数器产生，当分计数溢出的同时应为小时计数器提供一个脉冲信号
4、校时电路的仿真电路图：
分析：
1.当没有按钮按下时，按钮按下信号Y=0,DCBA=1111。
2.若有按钮按下，则按钮按下信号Y=1时，DCBA输入对应按钮的反码。
3.虽然0信号未进入74147，但是当0按钮下同时编码输出1111，这就相当与0的编码时1111.
五、整机安装调试
1、安装方法设计
当以上所有检测无误之后，就开始进行硬件安装。
根据电路图，将所有要芯片安装到电路板上。
硬件安装时根据EWB仿真电路一个模块一个模块的进行。
首先，将电源+5V以及接地端与电路板相连。
其次，进行秒计时电路的安装，经检查无误后，将秒钟的进位信号接出；再进时钟计时电路的安装。
主要电路安装完成后观察电子钟是否准确、正常的工作，观察秒钟到分钟是否有进位，观察59分59秒时候时钟是否进位等等。
当以上无误后，再进行校时电路的安装，这里的安装接线有用到开关，以及一个手动CP。
最后后是进行仿电台整点报时电路。
2、调试方法设计
●硬件调试要点：
1.用示波器检测555定时器与RC组成的多谐振荡器输出信号和波形，输出频率应为1000HZ。
2.将1000HZ信号送入分频器，用示波器检测各级分频器的输出频率符合要求。
3.将1HZ秒脉冲分别送入时、分、秒计数器，检查各组计数器的工作情况
4.当分频器和计数器调试正常后，观察电子钟是否准确、正常的工作。
5.观察校时电路的功能是否满足要求。
6.观察仿电台整点报时电路的功能是否满足要求。
●硬件调试
由于实验箱内有1Hz、1000Hz、500Hz频率，我们可以直接使用从实验箱内使用。
1.显示电路安装与调试
（1）安装顺序
显示电路的安装应按照限流电阻、管座、去耦电容、连线、集成块的顺序进行。
（2）限流电阻安装
●检查待焊接的42个限流电阻阻值是否全部为1kΩ、1/8W金属膜电阻。
●按照印制电路板上电阻的安装位置加上电阻引脚，如发现电阻的引脚附有灰尘、杂质、氧化层等情况，则还应进行浸锡处理。
●准备一张稍硬的纸，折叠成宽度略小于一个电阻的两个焊盘之间距离，厚度约2mm，长度能覆盖42个电阻的安装位置，并把折叠好的纸固定在42个电阻的焊盘之间。
●把加工好引脚的电阻一次插在焊盘中压紧，也可把印制电路板背面露出的引脚适当折弯以帮助固定。
一次焊接各引脚
（3）显示电路调试
●通电前检查电源线和地线有无短路，连线是否正确，有极性与器件极性是否正确，集成块、管座安装方向是否正确，有无短路、虚焊、漏焊。
●电源接入电路调试把所有集成块（六个LED数码显示器、六个4511）拔出；
●把电源线插头线的正极接直接电源+5V端，负极接接地端；把电源插头插入电源接入电路的电源插座；打开直流电源，观察电源指示发光二极管是否变亮，有没有冒烟、异味、发烫等异常发生；测量电源接入电路的输出电压应超过4V。
●关闭直流电源，正确插入LED数码显示器。
把万用表的黑表笔搭在地线上，红表笔依次与LED数码显示器的a-g引脚触碰。
把万用表的黑表笔搭在地线上，红表笔依次与4511的输出触碰，如LED数码显示器对应的笔画依次电亮，说明限流电阻安装正确。
2.信号电路安装与调试
（1）信号电路安装
石英振荡器为金属封装，应与印制电路板保持一定距离，石英振荡器引脚极细，极易折断，加工时要特别小心，石英振荡器较高，可以考虑卧室安装。
（2）信号电路调试
通电前应进行短路、开路、接线、极性、缺口等常规检查。
用万用表检测，如电路安装无误，且供电正常，那么4060应有这样的输出：
Q14=2HZ；Q13=4HZ；Q12=8HZ；Q10=32HZ；Q9=64HZ；Q8=128HZ；Q7=256HZ；Q6=512HZ；Q5=1024HZ；Q4=2048HZ。
用万用表检测Q13、Q14引脚上的信号，应可以观察到高、低电平的变化。
频率更高的引脚因反应速度不够快而无法检测。
3.计时电路安装与调试
（1）计时电路安装
计时电路的安装顺序为先管座后电容。
管座和电容的安装方法参见显示电路安装。
（2）计时电路调试
●通电前应进行短路、开路、接线、极性、缺口等常规检查。
分别调试小时、分、秒计数器。
以秒计数器调试为例，在个位计数器的时钟输入端加入1HZ信号，如秒显示器显示数据在0-59之间循环计数，则秒计数器正常。
●把秒进位与分计数器的计数输入端相连，在秒输入端加入64HZ信号，如秒计数器能正常向分计数器进位，则为正常。
●把分进位与小时计数器的计数输入端相连，在秒输入端加入2048HZ信号，如分计数器能正常向小时计数器进位，则为正常。
4.校时电路安装与调试
（1）校时电路安装
校时电路的安装顺序为先管座后电容，管座和电容的安装方法参见显示电路安装。
（2）校时电路调试
●通电前应进行短路、开路、接线、极性、缺口等常规检查。
●先拔出集成块74147，然后操作开关，并用万用表分别测量74147管座的5、6、7脚。
开关断开时，输入4-5V，开关合上时，输出为0V。
●先插上集成块74147，拔出集成块74151，操作开关分别发出正常计时、较秒、较分、较小时信号，用万用表测量74147的输出Q1Q0，Q1Q0应分别等于11、10、01、00，否则为故障。
●插上74151，给74151一个1HZ信号，在Q端能用万用表检测出明显高、低电平变化。
5.报时电路安装与调试
（1）报时电路安装
管座缺口向左，二极管、三极管、蜂鸣器应注意极性。
具体安装方法参见显示电路安装。
（2）报时电路调试
●通电前应进行短路、开路、接线、极性、缺口等常规检查。
●拔出7400集成块，给三极管限流电阻前施加一个2048HZ的音频信号，蜂鸣器应能发出连续鸣叫声。
否则，音频信号驱动短路故障。
●插入7400集成块，拔出7430集成块，在7430引脚的位置上施加一个1HZ的频率信号，蜂鸣器应能以1HZ的频率发出鸣叫声。
否则，音频信号合成电路故障。
●通过校时按钮设置时间接近整点，然后耐心等待整点到来，如能正常报时，则报时电路调试完毕，否则时间接入信号有误。
六、制作、调试中出现的主要问题及解决办法
1、问题一：
在连接校时电路的时候出现时和分都能正常校时，但秒却受到了影响特别是一较分钟的时候秒乱跳
解决方法：
经检查，校时电路的连线没有错误，后用万用表的直流电压档电检秒十位的QA,QB,QC,QD脚，发现QA脚时有电压时而五电压，再检测到分和秒的进位端，发现是由于秒到分的进位未拔掉所致
2、问题二：
数码显示器亮，但不计时。
解决方法：
检查计时电路，用外用表检查计时电路的接线，对照书本上的电路图，每根线检查过去，发现有短路现象，而且接地线和接电源线也出现了错误。
分计数器的4518的7号脚只接了4518的15号脚，正确的应该是既接4518的15号脚，还要接7408的6号脚，发现错误后及时把线改过来。
再测试后发现问题得到了解决。
3、问题三：
数码显示器计时了，拨动微动开关时，数码显示器无反应。
解决方法：
检查校时电路。
使用外用表先检查是否有短路的地方，电源线和地线是否接错。
检查时发现74147的7号脚与74151的11号脚接错了，正确的解法应该是74147的7号脚接74151的10号脚，把线改过来之后，拨动微动开关，数码显示器明显有了变化。
七、数字电子钟的操作说明
1、当没有按钮按下时，输入端4为0，比输入端4优级高的输入端5~9均为1，因此，Q3、Q2、Q1、Q0=1011（0100的反码）Y=X3=1HZ,计时电路正常计时。
2、当按钮SH按下时，输入端7优先级高的输入端8~9均为1，因此，Q3、Q2、Q1、Q0=1000（0111的反码）Y=X0=2048HZ,计时电路进入校时状态。
3、当按钮SM按下时输入端6为0，比输入端6优先级高的输入端7~9均为1，因此，Q3、Q2、Q1、Q0=1001（0110的反码）Y=X1=64HZ,计时电路进入校分状态。
4、当按钮SS按下时,输入端5为0，比输入端5优先级高的输入端6~9均为1，因此，Q3、Q2、Q1、Q0=1010（0101的反码）Y=X2=2HZ,计时电路进入校秒状态。
八、数字电子钟图纸
1.整机原理图
2.元器件布置图
3.器件汇总表（型号、数量、功能、参数）
序号
名称
型号
数量（个）
1
数码显示器
SM120501K-10P（共阴、红色、0.5）
6
2
BCD七段锁存译码驱动器
CD4511
6
3
14级振荡计数分频器
CD4060
1
4
双D触发器
74HC74
1
5
双BCD码计数器
CD4518
3
6
二输入四与门
74HC08
1
7
数据选择器
74HC151
1
8
优先编码器
74HC147
1
9
二输入四与非门
74HC00
1
10
四输入双与非门
74HC20
1
11
八输入与非门
74HC30
1
12
微动开关
4位
1
13
排阻
A103G，4P
1
14
蜂鸣器
HC-12085-42R
1
15
电解电容
16V,100uf
1
16
电容
104
17
17
电容
30P
2
18
发光二极管
1
19
整流二极管
IN4001
1
20
三极管
9013
1
21
电阻
1K
44
22
电阻
20M
1
23
电阻
100
1
24
石英晶体振荡器
32768
1
25
电源插座头、插头
2P
1
26
双列直插式管座
40P
1.5
27
双列直插式管座
16P
12
28
双列直插式管座
14P
5
29
单列直插式管座
4P
1
30
焊锡丝
1
九、改进意见
电子钟太大了，可以用一些贴片的芯片，焊孔太多了！
可以再实现更多的功能，比如显示日期等等！
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