数字时钟实习报告1.docx
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数字时钟实习报告1
一实验目的-------------------------------------------------------------------------------1
二实验任务及要求----------------------------------------------------------------------1
三实验设计------------------------------------------------------------------------------1
1.设计原理及思路---------------------------------------------------------------------1
2.单元电路设计------------------------------------------------------------------------2
（1）振荡电路-----------------------------------------------------------------------------2
（2）计数电路----------------------------------------------------------------------------4
（3）译码及显示电路--------------------------------------------------------------------7
（4）校时电路----------------------------------------------------------------------------9
（5）电源适配器电路-------------------------------------------------------------------9
四电路原理图、PCB图---------------------------------------------------------10
五元器件清单-------------------------------------------------------------------12
六电路制板及焊接---------------------------------------------------------------------13
七实物调试----------------------------------------------------------------------14
八实验自我评估及体会--------------------------------------------------------15
九小组成员分工安排-----------------------------------------------------------15
一实验目的
1.在了解数字钟的原理的前提下，运用刚刚学过的数电知识设计并制作数字钟，而且通过数字钟的制作进一步了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。
2.由于数字电子钟包括组合逻辑电路和时序电路，通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，从而实现理论与实践相结合，并学会使用protel软件画原理图和制PCB版，增强实验设计能力和动手操作能力。
3.通过本次试验是同学们对电子线路知识的整合和电子线路设计能力的训练，并为后继课程的学习和毕业设计打下一定的基础。
二实验任务及要求
1实验任务
设计一种简易数字钟，该数字钟具有基本功能，包括准确计时，以数字形式显示时、分，以二极管显示秒的时间和校时功能。
2实验要求
（1）时的计时要求为24进制，分和秒的计时要求为60进制。
（2）准确计时，以数字形式显示时，分时间，用两个二极管显秒的时间。
（3）.校正时间。
三实验设计
1设计原理及思路
根据设计要求首先建立了一个简易数字钟电路系统的组成框图，框图如图1所示。
图1数字钟系统框图
电路的工作原理：
振荡器产生的标准秒脉冲信号作为数字钟的振源。
秒计数器计满60后向分计数器个位进位，分计数器计满60后向小时计数器个位进位并且小时计数器按照“24翻1”的规律计数。
计数器的输出经译码器送显示器。
计时出现误差时电路进行校时、校分、校秒。
由框图可知电路主要由振荡电路、计数电路、显示电路以及校时电路四大部分组成。
下面将对各部分电路进行设计:
2单元电路设计
（1）振荡电路
数字电路中的时钟是由振荡器产生的，振荡器是数字钟的核心。
振荡器的稳定度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。
方案一:
石英晶振
因为想到要使产生的脉冲较稳定，我们首先想到了使用石英晶振电路，即采用37267Hz晶体震荡器，电路图如图2：
图2石英晶振
工作原理：
由晶体振荡器产生37268Hz的1KHz的脉冲经集成块CD4060分频后变为10Hz脉冲，再经74LS160计数器分频得到了所需要的1Hz稳定脉冲。
方案二：
555定时器
振荡电路由555构成的自激多谐振荡器直接产生1Hz时钟脉冲频率。
图3555定时器
注:
电路中R2为一可调电阻，我们可以通过调节R2的阻值获得所需的1H的秒脉冲，而需要采用分频电路。
方案选择：
刚开始的时候大家心都很高，希望设计更好，虽然使用石英晶振产生频率稳定，但是电路图很复杂，而且37268晶体振荡器中阻值要求10MHz以上，还需要分频电路。
而555定时器是我们刚学的，对它的用法也很熟悉，并且可以由555构成自激多谐振荡器通过调节电阻直接产生1Hz的秒脉冲。
经过小组讨论，最终选用555，舍弃了之前的晶振方案。
（2）计数电路
数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和一个二十四进制计数电路实现的。
数字钟的计数电路的设计可以用反馈清零法。
当计数器正常计数时，反馈门不起作用，只有当进位脉冲到来时，反馈信号将计数电路清零，实现相应模的循环计数。
以六十进制为例，当计数器从00，01，02，……，59计数时，反馈门不起作用，只有当第60个秒脉冲到来时，反馈信号随即将计数电路清零，实现模为60的循环计数。
下面将分别介绍60进制计数器和24进制计数器。
在计数部分我们同样采用了两种方案，分别是使用74160和74390.以下是对两种芯片连接成60进制计数器和24进制计数器的介绍。
方案一：
采用74LS160分别连成60进制计数器和24进制计数器
图460进制计数器
图524进制计数器
方案二：
采用74LS390计数器
对74LS390的了解我们是通过网上的资料获得的。
首先我们对74LS390的功能及使用进行介绍:
74LS390是二—五—十进制计数器，它有两个时钟输入端CPA和CPB。
该芯片内有两个十进制计数器。
VCC是清零端（高电平有效），A，B是脉冲，QA,QB,QC,QD为四个输出。
如果用CPA触发，只有Q0有输出，若用CPB触发，则Q1,Q2,Q3三输出端有输出（此时计数周期为5），即74390可以实现2进制，5进制计数。
如果讲Q0直接与CPB相连，以CPA做CP脉冲，则可以实现8421十进制计数。
如下是74LS390的管脚排列图及芯片图：
图6
74LS390的功能表如下：
BCD计数顺序如下表1:
QA
QB
QC
QD
0
L
L
L
L
1
L
L
L
H
2
L
L
H
L
3
L
L
H
H
4
L
H
L
L
5
L
H
L
H
6
L
H
H
L
7
L
H
H
H
8
H
L
L
L
9
H
L
L
H
表1
5-2进制计数顺序如下表2:
QA
QB
QC
QD
0
L
L
L
H
1
L
L
H
L
2
L
L
H
H
3
L
H
L
L
4
H
L
L
L
5
H
L
H
L
6
H
L
L
H
7
H
L
H
L
8
H
L
H
H
9
H
H
L
L
表2
H=高电平L=低电平
注1：
对于BCD（十进）计数，输出QA连到输入B计数。
注2：
对于5-2进制计数，输出QD连到输入A计数。
在对390的使用熟悉后，我们使用390设计出了60进制计数器和24进制计数器，其电路图如下:
图760进制计数器
工作原理：
将QA与CPB相连，可以实现8421十进制，且QA,QB,QC,QD,分别代表8421中的1，2，4，8。
如上电路图中将QB与QC与一下得到六进制计数，两片与一下就实现了60进制计数。
同理采用390设计的24进制电路图如图8下：
图824进制计数器
计数部分方案选择：
因为对74161用法很熟悉，所以一刚开始的时候想都没怎么想就直接采用74161设计。
后来大家发现74390其实是一块芯片内含有两个十进制计数器。
相当于是一个74390可以当两个74161使用时候。
所以最终就采用了74390，省了很多的芯片是电路图更简单好多。
（3）译码与显示电路
①电路如图9所示：
图9译码与显示电路
②电路的工作原理
译码是编码的相反过程，译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输出信号以表示编码时所赋予原意的电路。
常用的集成译码器有二进制译码器、二—十制译码器和BCD—7段译码器、显示模块用来显示计时模块输出的结果。
③对电路中的主要元件及功能介绍
a.译码器74LS47
译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。
它的工作是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。
译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信号等。
译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。
在电路中用的译码器是共阴极译码器74LS47用74LS47输入的8421BCD码ABCD译成七段输出a-g，再由七段数码管显示相应的数。
74LS47管脚图如图9。
在管脚图中，管脚LT、RBI、BI/RBO都是低电平是起作用，作用分别为：
LT为灯测检查，用LT可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。
BI是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。
RBI是灭零输入，可以按照需要将显示的零予以熄灭。
BI/RBO是共用输出端，RBO称为灭零输出端，可以配合灭零输出端RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提高视图的清晰度。
也可用共阴译码器74LS248，CD4511。
图10译码器
b.显示器
在此电路图中所用的显示器是共阳极形式，阳极必须接电源。
图11显示器
（4）.校时电路
图12校时电路
电路的工作原理：
在此电路中，用到的元器件就只有两个双刀双掷开关，非常简单。
在此开关中起作用的可以是123脚或者456脚。
而在此次设计中我们使用123管脚。
管脚1接从555出来的1H标准脉冲，管脚2接正常的进位脉冲，两管脚3分别接时个位的脉冲和分个位的脉冲。
当正常工作时将开关打到2，进行正常的计数，即校时时不影响正常计数。
（5）.电源配位器电路
此电路可以通过变压器将220V的电压转换为5V的电压，可接一适配器插座直接接220V电源给数字钟供电。
图13电源适配器
四、电路原理图，PCB图
综合上面介绍的电路元件，可以设计出多种原理图。
我为了减少飞线以及增加布局的美观，74LS00都被74LS08取代，74LS160也被换做74LS390，最后采取了以下的原理图，即图14。
原理图画好后，再将其转化成PCB图。
在制作PCB的过程时，我采取的方法是先用DXP2004自动布线，之后再用AltiumDesigner手动布线，这减少了不少时间，DXP2004布线重合的比较少，可手动布线却不好移动；AltiumDesigner自动布线重合的很多，手动布线却有很大的优势，很容易区分电路线。
我的最终PCB图如下图15。
图14原理图
图15PCB图
五、元器件清单
这次实验的器件经过不断的改进电路，器件也相应的减少，即节约了成本，也使电路版显得更加美观。
我所需的器件如下图3：
序号
名称
型号
数量
1
数码管
14.2mm共阳高亮
4
2
电阻
0.25W470欧姆
29
3
电阻
0.25W10K欧姆
2
4
集成块
74LS247
4
5
集成块
74LS390
3
6
集成块
74LS08
1
7
集成块
NE555
1
8
单面覆铜板
15cmX20cm
1
9
热转印纸
1
10
三氯化铁
11
砂纸
360目
12
焊锡
13
松香
14
电容
CC103
4
15
电解电容
220uF/25V
1
16
电位器
10K
1
17
双刀双掷开关
2
18
芯片插座
DIP16
7
19
芯片插座
DIP14
1
20
芯片插座
DIP8
1
21
9V电源插座
1
22
DC5V电源适配器
1
23
二极管
IN4007
1
24
细针插座
2P
若干
25
单股铜芯线
0.5mm
若干
26
电烙铁
35w内热
1
27
电烙铁架
1
28
斜口钳、镊子、螺丝刀
若干
表3
六电路制板与焊接
1制板
根据原理图通过自己手动布线生成了PCB图。
然后拿到实验室去印制。
领取给定的电路板并用皮刷刷干净，晾干。
将打印纸上有Nacl的一面铺在电路板上在转印机里面转印，注意转印过程中要用手指轻轻压住电路板防止纸滑脱电路板，影响转印效果，此过程要进行4到5遍，一般来说当你压电路板的手指感到有点烫手了就差不多了。
转印完了之后用记号笔将电路板上不清楚的线补上，确定电路板上的线路没有问题之后用三氯化铁腐蚀，老师所给的三氯化铁溶液是已经配制好了的，只要加一些热水是其溶液莫过电路板就可以了。
然后在用另一个盆子加些热水放在装有电路板的盆子下面加快腐蚀速度，并用手轻摇装有电路板的盆子。
但是我们组由于第一次转印的时候可能是由于温度过高，腐蚀了很久很久都还是有些地方仍然有Cu在上面，而且在线的里面，用小刀去刮掉很难。
所以我们第二天的时候重新转印了一块板，并且成功腐蚀了。
腐蚀完了，在用水冲洗，用手洗去电路板表面未被冲净的残留物并用吸水纸擦干。
接下来就是将电路板放到打孔机上进行打孔。
2焊接
电路板打孔后，下一步就是焊接器件了。
焊接时，先焊接小的器件，例如电阻、电容，再者把管脚再焊上电路板，最后焊接电位计、开关、飞线、适配器插座。
另外，要注意焊接时，锡不能粘一起，不小心粘一起的可用松香溶掉，重新焊接。
焊完后，仔细检查焊脚，确保没有虚焊。
七实物调试
焊接好各个器件，将每种芯片都接到管脚，插上电源，调节电位器来控制脉冲快慢，倘若二极管和数码管不亮，则检查电路和接线，如此不断修改调适，直到无误。
下图就是我们设计出来的成果：
图16实物图正面
图17实物图反面
八、实验自我评估及体会
这次实验断断续续的花费了我们很长的时间，中间也有些时候感觉很吃力，特别是我们的组长，但是不管怎么说最后还是成功设计出并做成了实物。
在做数字钟实验前大家对软件的使用都不很熟悉，但是通过自学现在已经能够熟练的使用。
在整个实验过程中，小组的成员们互相帮助协作，更多是在遇到困难时大家互相鼓励，并且一直坚持到最后。
在这次实验中，我看到了小组成员们作为一个整体的存在，虽然分工不同，但是大家心里时时刻刻都记挂着还有一个数字钟等着我们去弄。
总之，在这个过程中，我们除了获得了很多专业方面的知识，如对元器件的了解，对设计及PCB制版过程的亲身经历等，同时还收获了很多心灵上的感悟。
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