数字钟设计实验报告.doc

湖南工业职业技术学院项目制作报告书项目名称： 新大屏幕数字钟制作 所属课程： 数字电子技术 系 别 电气工程 专 业 班 级 电信S20092 学 生 姓 名 易延烽 学 号 16 项目指导老师 李佳老师 电 子 邮 箱 571040889 联 系 Q Q 571040889 2011-1-1新大屏幕数字钟的制作一.设计目的a.熟悉集成电路的引脚安排.b.掌握各芯片的逻辑功能及使用方法.c.了解面包板结构及其接线方法.d.了解数字钟的组成及工作原理.e.熟悉数字钟的设计与制作.二. 设计要求1.a.时间以24小时为一个周期,显示时,分,秒;b.有校时功能,可以分别对时及分进行单独校时,使其校正到标准时间;c.为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号.2.制作要求a.画出电路原理图(或仿真电路图);b.元器件及参数选择;c.电路仿真与调试;3.制作要求 自行装配和调试,并能发现问题和解决问题.4.编写设计报告 写出设计与制作的全过程,附上有关资料和图纸,有心得体会.三. 设计原理及其框图1.数字钟的构成数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟.图(1). 晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定.不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路.分频器电路 分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768()次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数.分频器实际上也就是计数器.时间计数器电路 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,时个位和时十位计数器为12进制计数器.译码驱动电路 译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流.数码管 数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计提供的为LED数码管.2.数字钟的工作原理1)晶体振荡器电路晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定.电路通过CMOS非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路,这个电路中,CMOS非门U1与晶体,电容和电阻构成晶体振荡器电路,U2实现整形功能,将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波.输出反馈电 阻R1为非门提供偏置,使电路工作于放大区域,即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器.电容C1,C2与晶体构成一个谐振型网络,完成对振荡频率的控制功能,同时提供了一个180度相移,从而和非门构成一个正反馈网络,实现了振荡器的功能.由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性,从而保证了输出频率的稳定和准确.晶体XTAL的频率选为32768HZ.该元件专为数字钟电路而设计,其频率较低,有利于减少分频器级数.从有关手册中,可查得C1,C2均为30pF.当要求频率准确度和稳定度更高时,还可接入校正电容并采取温度补偿措施.由于CMOS电路的输入阻抗极高,因此反馈电阻R1可选为10M.较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性.非门电路可选74HC00.COMS晶体振荡器2)分频器电路通常,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到1Hz的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行分频.通常实现分频器的电路是计数器电路,一般采用多级2进制计数器来实现.例如,将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768(215),即实现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器.常用的2进制计数器有74HC393等.本实验中采用CD4060来构成分频电路.CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高,而且CD4060还包含振荡电路所需的非门,使用更为方便.CD4060计数为14级2进制计数器,可以将32768HZ的信号分频为2HZ,其内部框图如图3-3所示,从图中可以看出,CD4060的时钟输入端两个串接的非门,因此可以直接实现振荡和分频的功能.图3-3 CD4046内部框图CD4060由一个振荡器和14级二进制计数器位组成,震荡期的结构可以是RC或晶振电路,CR为高电平时,计数器清零且振荡无效.所有的计数器均为主从触发器; 3) 计数原理 时间计数单元有时计数,分计数和秒计数等几个部分.时计数单元一般为12进制计数器计数器,其输出为两位8421BCD码形式;分计数和秒计数单元为60进制计数器,其输出也为8421BCD码. 如图为1HZ脉冲电路,CD4060的32768HZ的振荡源经过14级分频后在输出端3脚上得到1/2S脉冲并冲入由CD4040构成的二分频器,分频后在输出端CD4040的9脚上得到秒基准脉冲.(1) 秒计数器 秒的个位计数单元为10进制计数器,当QdQcQbQa变成1010时,通过与非门把它们的清零端变成0,计数器的输出被置零,跳过1011到1111的状态,又从0000开始如此重复.秒的十为计数单元为6进制,当QdQcQbQa变成0101时,通过与非门把它的清零端变成0,计数器被置零,跳过0110到1111的状态,又从0000开始,同时要把秒十位上的0101时,要把进位信号传输给分的个位的计数单元.(2) 分计数器 分的个位和十位计数单元的状态转换和秒的一样,只是它要把进位信号传给时的个位计数单元.(3) 时计数器 当”时”十位的QdQcQbQa为0000或0001时,”时”的个位计数单元是十进制计数器,当它的QdQcQbQa到1010时,通过与非门使得个位上的清零端为0,则计数器的输出直接置零,从0000又开始.当十位的QdQcQbQa为0010时,通过与非门给清零端置零,”时”的十位又重新从0000开始,此时的个位计数单元变成4进制,即当个位计数单元的QdQcQbQa为0100时,就要又从0000开始计数.这样就实现了”时”的24进制的计数 . 4)校时电源电路当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正.通常,校正时间的方法是:首先截断正常的计数通路,然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态即可. 根据要求,数字钟应具有分校正和时校正功能,因此,应截断分个位和时个位的直接计数通路,并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中.即为带有基本RS触发器的校时电路,3.各芯片的引脚识别及功能 1) CD4040引脚识别及功能CD4040是12位二进制串行计数器,所有的计数器为主从触发器,计数器在时钟下降沿进行计数.CR为高电平时对计数器进行清零,由于在时钟输入端使用斯密特触发器,对脉冲上升和下降时间无限制,所有输入和输出均经过缓冲.(图)CR为清零端,Q0Q11为计数器脉冲输出.(图) 2) CD4518引脚识别及功能CD4518(十进制同步加法计数器 )它是二,十进制同步加法计数器,内含两个单元的计数器,其功能表如图每个单元有两个时钟输入端CLK和EN,可使时钟脉冲的上升沿或下降沿触发.CD4518采用并行进位方式,只要输入一个时钟脉冲,计数单元Q1翻转一次,当Q1为一,Q4为0时,每输入一个脉冲计数单元Q2翻转一次;当Q1等于Q2等于1时,每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次,同理每十个脉冲后,计数单元自动恢复到”0”态. 3) CD4543引脚识别及功能CD4543是一个用于驱动共阴极LED显示器的BCD码(七段码译码器),特点: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LED显示器.如输入十进制码(BCD码)名为D,C,B,A,脚分别为4,2,3,5.输出段名a,b,c,d,e,f,g,段脚分别为9,10,11,12,13,15,14. 其余脚名,VDD 16脚,正电源. GND 8脚,电源地. LE 1脚,锁存,不允许. PH 6脚,相位熄灭. BI 7脚,消隐. 四.实验中所需的器材5V 电源.面包板1块.示波器.万用表.镊子 1把.剪刀 1把.跳线 22根IN4007 4个.IN4148 6个.LED(发光二极管红光) 130个CD4543集成块 6块.(译码/驱动器)CD4060集成块 1块.(计数分频器)CD4518集成块 3块.(同步加法计数器)CD4040集成块 1块.(计数分频器)1M电阻 3个.22K 1个.220K 3个.220 3个. (电阻1/4w+_5%)470电阻 42个(电阻1/4w+_5%)电解电容100U16V 2个.瓷片电容104 7个.32.768KHZ时钟晶体 1个.插针 10个.五.元器件的焊接工艺:1.现焊接好电路板上较低的元件,如电阻,二极管,集成电路,跳线.2.其次焊接电路板上排布稍微高一些的元件,如LED,插针等.3.最后再将较高的元器件焊好.4.焊接后的成品. 六.安装调试步骤1.先观察面包板和实验箱的相关器件是否完善，仪器的好坏直接决定了实习的功败垂成。然后再观察它们的构造，因为比较熟悉其构造和功能，才能使以后的操作更加迅捷。2.检测各个芯片及导线，只有好的芯片和导线才有可能实现其功能。如果是坏的芯片或导线，设计的再好的电路也不可能实现功能，所以不要小看这个步骤，这是最基本的一步。3.把各芯片安到面包板上，合理布局芯片。合理的布局会为以后的接线带来很大的方便。4.现在就可以接线了。按照已经设计好的电路图接线，由于线路比较复杂，所以接线也要合理，美观。这样对以后的线路检查也会带来方便。5.检测电路故障，找出电路故障所在并解决，而且不断地调试电路，直到电路达到所要求的功能。6.如果时间还有允许，而且自己还有兴趣，那么就可以再搞一些功能扩展。7.最后再验收一下电路，检查下功能是否完善。如果完善，那么电路就算完成了！七.故障分析与电路改进在接线过程中遇到不少的故障，主要有以下几处:故障一：通电后导线发热并冒烟分析：该故障比较严重要及时断电防止烧坏芯片与元件，最有可能是出现短路，重点检查接地是否良好，还有可能是所加电压太大故障二：芯片不能正常工作分析：1芯片本身就是坏的；2未给芯片通电，接电源和接地处的导线出现断路； 3芯片未插好，在安装芯片过程中将管脚折断或扭曲；4接线错误，如将输入端和输出端接反故障三: 数码管灯不亮分析：1数码管原本就是坏的；2通电情况不好，电源未接通，接地未接好； 3接线错误，接线过程中出现短路、断路故障四：数码管能显示但输入脉冲后不能倒计时分析：1连接脉冲输入的导线出现断路；2脉冲未接在芯片74290的11号管脚；故障五：数码管能正常工作但出现乱跳现象分析:1芯片74290输出端Q0Q1Q2Q3未接好，导线接触不良;2重点检查芯片74290的4号、5号、8号、9号管脚的连线是否正确；3芯片74LS04的管脚是否连接正确故障六：不能正常进位 分析：1没给进位/借位信号；3连接在74290输入端的连线接触不良. 电路改进：主要是将导线束理清楚，接电源线尽量统一用红线，地线统一用黑线；在接显示管的四个输入端时导线依次用红橙黄绿，以便排查故障时方便检查；导线尽量不要交叉，尽量用短线；同类芯片在安装时要接在电路板的同一行防止出错。八.总结 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.设计过程中遇到的问题及其解决方法.在检测面包板状况的过程中,出现本该相通的地方却未通的状况,后经检验发现是由于万用表笔尖未与面包板内部垂直接触所至.在检测CD4543驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况,经检验发现主要是由于接触不良的问题,其中包括线的接触不良和芯片的接触不良,在实验过程中,数码管有几段二极管时隐时现,有时会消失.用5V电源对数码管进行检测,一端接地,另一端接触每一段二极管,发现二极管能正常显示的,再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好,在检测过程中发现有几根线有时能接通,有时不能接通,把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了.其次是由于芯片接触不良的问题,用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通,而检测的导线状况良好,其解决方法为把CD4543的芯片拔出,根据面包板孔的的状况重新调整其引脚,使其正对于孔,再用力均匀地将芯片插入面包板中,此后发现能正常显示,本次实验中还发现一块坏的LED数码管和两块坏的CD4543,经更换后均能正常显示。在连接六进制的过程中,发现电路只能4,5的跳动,后经发现是由于接到与非门的引脚接错一根所至,经纠正后能正常显示.在连接校正电路的过程中,出现时和分都能正常校正时,但秒却受到影响,特别时一较分钟的时候秒乱跳,而不校时的时候,秒从40跳到59,然后又跳回4