教材数字电子钟设计王红军.docx

1、教材数字电子钟设计王红军数字电子技术课程设计数字钟的设计1、实训目的（1）熟练掌握数字电子技术组合逻辑电路和时序逻辑电路的相关知识。（2）熟练掌握数字电子钟的电路原理图。（3）熟练掌握利用Protel99 se设计印刷电路板。（4）熟悉电子工艺流程，会识别各种电子元器件，组装一个数字电子钟。 2、实训原理与说明 数字电子钟实训是基于数字电子电路技术课程的一个课程设计，对数字电子电路技术课程中的组合逻辑电路和时序逻辑电路相关知识的综合。数字电子钟就是一个计时器，从计时信号产生到LED显示，要经过多个环节，数字电子钟逻辑结构图如图1所示：图1 数字电子钟逻辑结构图 各部分电路原理图如下： 1、1H

2、z标准信号脉冲的产生：可先用32768hz的时钟石英晶体振荡器产生32768Hz的标准时钟信号，外加14分频电路cd4060，产生2Hz信号脉冲，再加一个二分频电路，可产生1Hz标准时钟信号。如图2：图2 1Hz信号产生电路 2、计数器电路：用74ls390可实现60进制、24进制，完成秒、分钟、小时计数功能。如下图3（60进制）：图3 60进制计数器电路 3、显示译码电路：74ls390是二进制计数，要想把此数在数码管上显示出来必须要用cd4511译码器，如下图4（60进制计数显示）：图4 60进制译码显示电路 4、按键控制电路：有时候需要用按键调整时、分，可以用双稳态RS触发器实现。如下图

3、5所示：图5 键盘控制原理电路 5、分校正、时校正电路：一个完整的时钟必须要有分钟、小时调整电路，这样才能准确反映当地的时间，如下图6所示：图6 分校正、时校正原理电路 6、整点报警功能：可用一个单稳电路实现，一到整点，就产生一短脉冲，驱动蜂鸣器报警！如下图7所示：图7 整点报警电路3、实训环境与设备：1、微型处理机一台，winxp操作系统，Protel99 se应用软件 2、实验PCB板1块3、示波器1个4、万用表1个5、焊接工具6、 5V直流电源7、实训所需元器件（见附表）4、实训内容与步骤：4.1 熟悉设计题目，自己设计方案并画出电路图（用protel99软件工具）。（1）在D盘建立名为

4、Protel的文件夹，在Protel的文件夹中建立名为student.ddb设计数据库文件，新建原理图文件，命名为数字电子时钟.sch。 设置图纸大小为B，水平放置。 第1步，首先在“开始”菜单中的“所有程序”选项中，找到下一级菜单项“Protel 99 se”应用程序。然后，单击鼠标左键，启动Protel 99 se应用程序。 第2步，选择file/new，新建工程文件，如图8所示。图8 新建工程文件窗口 出现新建工程文件向导对话框，在对话框中选择存放路径D：/Protel，把所有的数据库文件放在自己新建的文件夹中，数据库名为student.ddb。如图9所示图9 数据库建立窗口 第3步，设

5、置完后，点击OK，进入工程管理窗口，在管理窗口的右侧空白处右键，如图10所示。图10 新建原理图文件窗口 第4步，单击New，出现新建文件向导，如图11所示。图11 新建原理图向导窗口 第5步，单击原理图设计图标，点击OK，新建原理图设计文件，取名数字电子时钟.sch，如图12所示。图12 新建原理图命名窗口 第6步，单击Design/Options，设置设计环境，如图13所示。图13 属性设置开始窗口 第7步，在Options设置对话框中，设置图纸大小为B，水平放置，如图14所示。图14 属性设置窗口（2）打开数字电子时钟.sch，仿照附件中提供的数字电子时钟原理图，自己画出原理图。电路中所

6、有的元器件都可在Miscellaneous Devices.ddb、Protel DOS Schematic Libraries.ddb这两个元器件数据库中找。 在元件库中找不到的元件可以自己建立元件库，应用即可！如图15所示图15 画好的电路原理图（3）画完电路后，要按照图中元件参数逐个设置元件属性，元件要自动编号，并进行电气规则检查。设置某个元器件的属性的方法是双击该元器件出现对话框设置即可。如图16所示图16 元器件属性设置窗口 对于每个元器件都要有自己的封装形式: A. 电阻原理图中常用的名称为RES1-RES4；引脚封装形式：AXIAL系列 从AXIAL-0.3到AXIAL-1.0，

7、后缀数字代表两焊盘的间距，单位为Kmil.B. 电容原理图中常用的名称为CAP（无极性电容）、ELECTRO（有极性电容）；引脚封装形式：无极性电容为RAD-0.1到RAD-0.4，有极性电容为RB.2/.4到RB.5/1.0.C. 电位器原理图中常用的名称为POT1和POT2；引脚封装形式：VR-1到VR-5.D. 二极管原理图中常用的名称为DIODE（普通二极管）、DIODE SCHOTTKY（肖特基二极管）DUIDE TUNNEL（隧道二极管）DIODE VARCTOR（变容二极管）ZENER13（稳压二极管）引脚封装形式：DIODE0.4和DIODE 0.7;E. 三极管原理图中常用的

8、名称为NPN，NPN1和PNP，PNP1；引脚封装形式TO18、TO92A（普通三极管）TO220H（大功率三极管）TO3（大功率达林顿管）F. 场效应管原理图中常用的名称为JFET N（N沟道结型场效应管），JFET P（P沟道结型场效应管）MOSFET N（N沟道增强型管）MOSFET P（P沟道增强型管）引脚封装形式与三极管同。G. 整流桥原理图中常用的名称为BRIDGE1和BRIDGE2，引脚封装形式为D系列，如D-44，D-37，D-46等。H. 单排多针插座原理图中常用的名称为CON系列，从CON1到CON60，引脚封装形式为SIP系列，从SIP-2到SIP-20。I. 双列直插元

9、件原理图中常用的名称为根据功能的不同而不同，引脚封装形式DIP系列。串并口类原理图中常用的名称为DB系列，引脚封装形式为DB和MD（4）最后形成该电路的网络表，为设计电路板做准备。方法：单击design/create netlist，如图17所示。图17 生成网络表开始设置窗口 出现设置对话框，如图18所示。图18 生成网络表设置窗口 根据默认选项，点击OK，即可自动生成网络表。如图19所示图19 生成网络表窗口4.2 根据仿真好的电路图，画出印刷电路板图。 用PROTEL99制作印刷电路版的基本流程，先新建一个自己的pcb文件。（1）、新建PCB文件 第1步，点击File/New，出现新建文

10、件对话框，如图20所示图20 新建PCB文件开始窗口 第2步，选择Pcb Document ，单击OK即可建立自己的PCB文件，取名数字电子钟.pcb如图21所示。图21 新建PCB文件命名窗口（2）、 画出自己定义的非标准器件的封装库 建议将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB 库专用设计文件。 （3）、设置PCB设计环境和绘制印刷电路的版框 第1步，进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等等。大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。点击Design/Options，如图22所

11、示图22 PCB文件属性设置窗口第2步，规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成Keep Out层，即禁止布线层。进入pcb文件，单击工具栏上如下图所示，在编辑区任意单击一下，如图23所示图23 设置PCB文件新起点窗口 然后单击，按下ctrl+end组合键，使光标于设定的新起点重合，就可画出想要的pcb板范围。设定PCB板尺寸：长=170MM，宽=100MM。如图24所示图24 画PCB板边框窗口（4）、打开所有要用到的PCB 库文件后，调入网络表文件和修改零件封装常用pcb库文件：general ic.lib、miscella

12、neous.lib、pcb footprints.lib步骤：进入pcb文件，执行design/load nets，如图25所示图25 调入网络表开始窗口 出现调入网络表对话框，把上步自动生成的数字电子时钟.NET调入PCB文件即可如图26所示图26 调入网络表向导窗口1 如果调入网络表时出现错误，说明PCB库中缺少原理图中的元器件对应的封装文件，解决的方法调入相应的PCB封装库，或者自己动手制作PCB封装库加入即可。调入的网络表要保证全部正确，如图27所示图27 调入网络表向导窗口2 点击Execute，调入网络表，如图28所示图28 调入网络表窗口 这一步是非常重要的一个环节，网络表是PC

13、B自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。（5）、布置零件封装的位置，也称零件布局 Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行Tools下面的Auto Place,如图29所示图29 自动布局开始窗口 不满意，可手动调整。注意：零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占

14、位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。元器件布局完成后如图30所示。图30 手动布局后窗口（6）、自动布线和手工调整 元器件布局完成后就开始布线。 第1步，点击菜单命令Auto Route/Setup 对自动布线功能进行设置，如图31所示 图31 自动布线设置窗口默认选项即可，点击OK。 第2步，点击菜单命令Auto Route/All 开始自动布线，如图32所示图32 自动布线后窗口假如不能完全布通则可手工继续完成或UNDO 一次（千万不要用撤消全部布线功能，它会删除所有的预布线和自由焊盘、过孔）后调整一下布局或布线规则，再重新布线。完成后做一次DRC，有错则改正。布局和布线过程中，

15、若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，手工更改网络表（同第一步），并重装网络表后再布。第3步、对布线进行手工初步调整，需加粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的线重布一下，消除部分不必要的过孔，再次用VIEW3D 功能察看实际效果。手工调整中可选Tools-Density Map 查看布线密度，红色为最密，黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的End 键刷新屏幕。红色部分一般应将走线调整得松一些，直到变成黄色或绿色。需要单独加电源等接插件时，可根据接插件尺寸手动加到PCB途中，手动画线即可。 （7）、对所有过孔和焊盘补泪滴 补泪滴可增加它们的牢度，但会使板上的线变得较难看

16、。顺序按下键盘的S 和A 键（全选），再选择Tools-Teardrops，选中General 栏的前三个，并选Add 和Track 模式，如果你不需要把最终文件转为PROTEL 的DOS 版格式文件的话也可用其它模式，后按OK 钮。完成后顺序按下键盘的X 和A 键（全部不选中）。对于贴片和单面板一定要加。如图33所示图33 过孔和焊盘补泪滴窗口（8）、放置覆铜区 选Place-Polygon Plane 在各布线层放置地线网络的覆铜，如图34所示图34放置覆铜区设置开始窗口 点击进入设置对话框，选择GND网络，顶层（Toplayer），如图35所示图35 放置覆铜区设置窗口 点击OK，用光标

17、依次选中要敷铜的区域的四个顶点即可。如图36所示图36 放置覆铜区窗口底层（Bottomlayer）敷铜方法同上。敷铜后的效果如图37所示图37 放置覆铜区后窗口4.3 根据现有的PCB板、元器件，装配数字电子钟（1）、分别认识自己拿到的电路板和元器件（2）、焊接晶体振荡器的时候要断电焊接（3）、不要直接焊接IC集成芯片，要焊接IC芯片座，焊接完毕后，把芯片插上即可。（4）、把数码管，小按键插接到元件面的背面即焊接面。（5）、焊接三机管的时候注e、b、c三极顺序，如图38所示。图38 三极管安装图从左向右依次是e、b、c （6）、焊接蜂鸣器的时候要注意，蜂鸣器的正负极，蜂鸣器的标签上有，注意观

18、察。如图39所示。图39 峰鸣器安装图（7）、焊接要仔细，不要出现虚焊、断路等现象！4.4 调试装好的数字电子钟，并包装好，写出实验报告！ （1）、调试的时候要分模块调试：信号源、计数器、译码器等。 （2）、调试的时候要借助示波器、万用表等工具，养成独立查找问题、解决问题的能力 （3）、调试通过，加盖包装，让指导老师验收！ （4）、写出实训报告！5、思考题：1、利用74LS390如何设计12进制的计数器？2、根据本实训原理，能否选用其它电路设计一个倒计时秒表？附1：实验器件列表Used 元器件型号 元器件序号 元器件封装= = = =电阻 1K R6 AXIAL0.3电解电容 1UF C5 R

19、B.2/.4电阻 10M R1 R2 R3 AXIAL0.3 R4 R7 R8瓷片电容 30P C3 C4 RAD0.1晶振 32.768MHZ Y1 XTAL1电阻 47K R5 AXIAL0.3电阻 51 R9 AXIAL0.3芯片 74ALS00 U20 U21 DIP-14芯片 74ALS74 U3 DIP-14芯片 74HC51 U22 DIP-14芯片 74LS00 U14 U15 DIP-14芯片 74LS08 U13 DIP-14芯片 74LS32 U16 DIP-14芯片 74LS390 U4 U5 U6 DIP-16芯片 104 C6 RAD0.1芯片 555 U17 DIP-8芯片 4060 U2 DIP-16芯片 4511 U7 U8 U9 DIP-16 U10 U11 U12三极管 9013 Q1 TO-92A峰鸣器 BUZZER U18 BUZ按键 分校正 S5 SW按键 复位 S3 SW按键 开始计时 S2 SW按键 时校正 S4 SW按键 暂停 S1 SW附2：实验原理图