基于LED的数字钟制作及设计

基于LED的数字钟制作与设计

本项目通过对LED数字钟的制作与设计，在基本技能教学中要求熟悉安装、调试、排除故障的过程；掌握电路图的识读和元器件的识别；重点掌握集成电路的使用方法及检测手段；在基本知识教学中要求更好地、系统地掌握和理解数字电路基本理论的基础；进一步理解模拟电路与数字电路之间的联系；重点理解时基电路、分频器/计数器、译码显示电路的基本原理。技能目标①掌握集成电路的使用方法及检测手段②能识别元器件，并且能使用万用表检查数字钟的元器件，可以完成组装任务③掌握基本读图、能调试、排除故障等基本技能技能目标知识目标知识目标①了解LED数字钟的组成②熟悉LED数字钟的电路原理③理解数字电子钟的电路原理制作设计制作与设计要求①学习数字钟的设计方法②掌握数字钟的技术参数调试③研究数字电路的一般设计方法；数字钟印制电路板图的设计④掌握数字钟的制作原理，并学会分析各单元电路⑤掌握频率计的调试与测量方法，熟练掌握双踪示波器、逻辑笔的使用方法⑥了解高频电子电路的一般设计方法任务一数字钟元器件的识别与选用制作LED数字钟，所选用元器件如表6-1所示。任务二使用万用表检测元器件（1）内部结构常见数码管的内部结构大体分为两类，一类是共阴极，另一类是共阳极。图6-1（a）外形图、图6-1（b）共阴极图、图6-1（c）共阳极图所示。图6-2（a）、（b）、（c）、（d）所示的四例均为共阴极接法。10脚的数码管引脚分为上下排列和左右排列两种，14脚为左右排列。16、18脚的为两位数码管，常见型号有：TR32151、2BS2461A，引脚为上下排列。操作1数码管引脚排列与测试(2)测试

1)测量数码管的正反向电阻值。同测试普通半导体二极管一样。注意：万用表应放在R×10kΩ挡，因为R×1kΩ挡测不出数码管的正反向电阻值，如图6-3所示。对于共阴极的数码管，红表笔接数码管的“-”，黑表笔分别接其他各脚。测共阳极的数码管时，黑表笔接数码管的VDD，红表笔接其他各脚。操作1数码管引脚排列与测试2）用电池和万用表检测数码管的笔端。用两节二号电池串联，对于共阴极的数码管，电池的负极接数码管的“-”，电池的正极分别接其他各脚。对于共阳极的数码管，电池的正极接数码管的VDD，电池的负极分别接其他各脚，看各段是否点亮，如图6-4所示。对于不明型号不知引脚排列的数码管，用第一种方法找到共用点，用第二种方法测试出各笔段a~g、DP、H等。同理，万用表和稳压电源也可以检测数码管的笔端。操作1数码管引脚排列与测试

在制作之前，应对所有的器件做事先检测，关于电阻和电容的检测可用万用表很容易检测，但对于CMOS数字集成电路来说，仅凭万用表直接测量是不能完全判断其好坏的，在安装前一般只对电源引脚测量是否有短路，如图6-5所示。当黑表笔接集成电路的16脚位（电源正极），红表笔接8脚（电源负极）位，用万用表R×1k挡测量时，表指针基本不动，如图6-5（a）所示。将红表笔调换测量，万用表上一般会有一定的阻值显示，如图6-5（b）所示，其值的大小视不同型号的数字集成电路而不同。图6-5测量指示的数值为CD4060电源端正、反向电阻值。操作2检测集成电路（1）双面印制板的结构普通双面印制板使用双面板敷铜板材料，用于双面电路成为一种具有双层导体的电路板。图6-6是双层印制板的结构。它是通过腐蚀双面敷铜箔板而在绝缘基板的上、下两面形成导体图形的印制电路板，因而允许制作导体图形交错的电路，组装密度也明显地高于单面印制电路板。其导线交错部位一般经过过渡连通；在表面贴片式电子元器件之前，其连通方式曾经用过钉孔焊接的方法，现在已不再采用。目前采用通孔化学镀铜后、再电镀铜的方法，或者孔内填充导电浆料的方法，实现两面导体图形之间的过渡连接。其中，以化学镀铜后、再电镀铜的方法比较常见。为适应镀铜的需要，基板多采用环氧树脂玻璃纤维布板和环氧树脂玻璃无纺布板，而不使用酚酫树脂纸板。铜箔的厚度多为20～50μm。操作3印制电路板的制作（2）双面印制板的工艺流程双面印制板工艺流程：双面覆铜板→下料→叠板→数控钻导通孔→检验、去毛刺刷洗→化学镀（导通孔金属化）→（全板电镀薄铜）→检验刷洗→网印负性电路图形、固化（干膜或湿膜、曝光、显影）→检验、修板→线路图形电镀→电镀锡（抗蚀镍/金）→去印料（感光膜）→蚀刻铜→（退锡）→清洁刷洗→网印阻焊图形常用热固化绿油（贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化，常用感光热固化绿油）→清洗、干燥→网印标记字符图形、固化→（喷锡或有机保焊膜）→外形加工→清洗、干燥→电气通断检测→检验包装→成品出厂。图6-7为数字钟印制板图。操作3印制电路板的制作

正常制作安装工艺：画出电路原理图→根据原理图制作印制电路板→腐蚀印制电路板→印制电路板打孔→打磨和清理印制电路板→阻焊剂和助焊剂的处理→元器件的检测和安装→测量与调试。为了能使读者尽快掌握数字钟的原理，将LED数字钟电路的制作分为三部分：①秒信号发生器制作;②分、时计数器制作；③译码驱动显示单元制作。虽然三个部分是一个整体，由于各部分功能相对独立，建议制作时使用万能电路板或面包板和集成电路插座，目的是防止装配焊接过程中损坏器件，也便于分段调试和对可疑损坏器件更换。下面分步骤介绍各单元在万能电路板上的制作与检测过程。操作4数字钟的安装工艺（1）秒信号发生器的制作该单元主要由CD4060和CD4013等八个元器件组成，使用元器件较少，连线简单，是最容易制作的单元，也是数字钟的基本单元部分，因此在制作时，可以选用较小的万能电路板来完成。具体的制作步骤和注意事项如下。操作4数字钟的安装工艺1）实际的元器件布局，如图6-8所示。在元件的分布时，主要考虑元件之间的相关性。否则会给后面的连线增加麻烦，如由于元件的定位不合理可能会造成来回走线等。2）导线连接。图6-9所示为各元件之间的导线连接图。导线的焊头不易过长，以免出现相邻焊点短路。连线时应注意先将各器件的电源端和接地端连接好，最后连接信号线。当连接线较多时应考虑信号线连接的先后顺序，否则会造成因先前焊接的信号线遮挡而无法焊接后续焊点的问题。由于数字集成电路器件的抗干扰能强，可以随意确定走线方向。操作4数字钟的安装工艺3）调试。连线完成后，该单元即可进入调试阶段。调试步骤如下：①确认电源接入无误；②判断CD4060是否正常工作。

判断CD4060是否正常工作可用以下三种方法：万用表检测，用逻辑笔测试，示波器观察波形的方式检查，如表6-2所示。操作4数字钟的安装工艺（2）时、分计数器的制作具体的制作步骤和注意事项如下。

1）实际的元器件布局。时、分计数器主要由五个集成电路组成，在万能电路板上布局时，应考虑器件间相关性，规划好之后，应先焊接体积较小的元器件，最后焊接体积较大较高的元件，如图6-10所示。操作4数字钟的安装工艺2）导线连接。器件间接线，如图6-11所示。3）调试。时、分计数器的基本测试方法和手段同前所述，根据逻辑关系判断，一般是先检测该电路板输入端的信号，再检测各输出端的信号变化。操作4数字钟的安装工艺具体的制作步骤和注意事项如下。

1）实际的元器件布局。译码显示、驱动器单元电路元器件相对较多，接线较为烦琐，所以布局就格外重要。图6-12所示是直上而下的译码显示、驱动部分的元件布局实物图。为了方便制作，数码管不要直接焊接在万能电路板上，应通过单列插座转接较好，如图6-13所示。操作4数字钟的安装工艺2）导线连接。连线时要格外仔细，建议先连接数码与电阻之间的连线，再从上向下连接导线，线路比较集中的地方，建议使用彩色信号线焊接，如图6-14所示。

3）调试。译码显示、驱动器单元元器件安装完成后，即可进入调试阶段。通电后，显示板上的数码管应有不稳定的数码显示，有的数码位时而亮，时而熄灭，用手触摸CD4511的输入端时，显示的数字会有剧烈地跳动，说明本显示板基本正常，如图6-15所示。操作4数字钟的安装工艺（4）数字钟总组装将秒信号发生器、时分计数器、译码驱动显示器三块万能电路板之间的连接线。总装连接过程如表6-3所示。操作4数字钟的安装工艺将总装的整机电路进行总调试。其调试步骤如表6-4所示。操作5数字钟的技术参数调试

当总装完成通电之后，由于各种原因都可能会导致所制作的数字钟产生故障。表6-5所示是数字钟常见故障现象（所测数据均在供电电压为6V的条件下进行）。操作6数字钟的检修故障分析与处理任务三数字钟的设计（1）设计要求和任务

1）根据数字电子钟的框图和指定器件，完成数字电子钟主体电路设计及调试，元器件及参数选择。

2）设计一台能直接显示“时”、“分”、“秒”十进制数字的石英数字钟电路。秒、分为00~59六十进制计数器，以24h为一天。当计数器运行到23时59分59秒时，秒个位计数器再接收一个秒脉冲信号后，计数器自动显示为00时00分00秒。操作1数字钟指标和功能的确定（2）技术指标

1）设计一台时间以12h为一个周期；能直接显示“时”、“分”、“秒”十进制数字的石英数字钟。

2）走时精度高于普通机械时钟（误差不超过1s/d），并且有校时功能。走时精度要求每天误差小于1s，任何时候可对数字钟进行校准。

3）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，晶体XTAL的频率选为32768Hz。（3）功能

1）整点能自动报时，要求报时声响四低一高，最后一响为整点。

2）具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间。操作1数字钟指标和功能的确定

数字钟电路是由几种不同逻辑功能的CMOS数字集成电路构成，共使用了十片数字集成电路，分别用U1～U10表示，电路的原理图，如图6-16所示。图中晶体振荡器、集成电路CD4060和CD4013（起分频作用）组成秒信号发生器提供时间基准电路。集成电路CD4158（起倍频作用）完成将1Hz的秒信号转换分钟和小时脉冲的任务。集成电路CD4511完成显示译码、计数、驱动的任务。集成电路CD4011反相器完成59min到时清零和23时59分的清零任务。特别要读到的是晶体管9013起到“：”显示驱动放大的作用，既为功率放大器。操作2数字钟电路设计与电路分析

数字钟工作原理框图如图6-17所示，由秒信号发生器（时基电路）、小时和分钟计数器及译码、驱动显示三部分组成，其工作基本过程是：时基电路产生精确周期的脉冲信号，经过分频器分频作用给后面的计数器输送1Hz的秒信号，最后再由计数器及驱动显示单元，按位驱动数码管显示时间。操作2数字钟电路设计与电路分析

为了便于理解和实验，现将数字钟的三个部分逐一详细讲解。（1）秒信号发生器秒信号电路是由时基电路与计数电路组成，它的知识点和基本内容如表6-6所示。操作2数字钟电路设计与电路分析（2）分钟信号发生器分钟信号发生器是在CD4013输出的秒信号加一级60倍频的计数器，则60s倍频器由单片CD4518组成分钟信号发生器。它的知识点和基本内容如表6-7所示。操作2数字钟电路设计与电路分析（3）译码显示驱动电路译码显示驱动电路由数字集成电路CD4511完成，它的知识点和基本内容如表6-10所示，其真值表如表6-11所示。操作2数字钟电路设计与电路分析

印刷电路板是LED数字钟制作的基础部件，其设计是否合理，直接关系到LED数字钟制作的质量，甚至关系到LED数字钟制作的成败。一体化LED数字钟的制作是在印制电路板安装元器件和调试单元电路。（1）印制电路板的版面设计设计印制电路板应先了解以下条件：

1)拟设计印制电路板的电路原理图，以及该电路所用元器件的型号、规格和封装形式。

2)各元器件对板面安排的特殊要求。如元件的位置、频率、电位、温度、屏蔽和抗冲击等要求。特别要注意发热量大的元件的位置安排。

3)印制电路板的机械尺寸、在整机中的安装位置和方法及电气连接形式等。操作3数字钟印制电路板图的设计（2）基板的材质、板厚和板面尺寸根据电路板的耐温要求、工作频率和电位高低选定基板。并结合电路的复杂程度确定导电层的数目。印制板的外形一般为长方形，分为带插头和不带插头两种。（3）印制电路网格应用以电路板机械轮廓线的左下方为坐标原点。为了保证印制电路板与在其上安装的元件之间的一致性，必须在印制电路板网络的交点上连接或安装。印制电路网格的间距为2.5mm。当需要更小的网络时，应设辅助格。辅助格的间距为基本间距的1/4(0.625mm)或1/2(1.25mm)。操作3数字钟印制电路板图的设计（4）元件的安放根据电路图并以元器件的外形和封装以及布局要求，从输入到输出逐级顺序绘制。可先画出草图以确定大致定位。A面为元件面，B面为焊接面。

1）典型元件法：以外形基本一致的多数元件中选出典型元件作为布局的基本单元。将其他元件估算为相当于若干个典型元件。元器件轮廓在板上的间距不小于1.5mm。如此算出整板上要排列多少个典型元件，需要多大的板面尺寸。

2）大元件法：如电原理图中小电阻、小电容之类的元件较少。可先测算大元器件如变压器、集成电路等的面积，再放适当的余量来决定板面面积。操作3数字钟印制电路板图的设计（5）印制电路板上的元器件布局与布线板上元器件布局的一般原则通常元器件布置在印制板的一面。此种布置便于加工、安装和维修。对于单面板，元器件只能布置在没有印制电路的一面，元器件的引线通过安装孔焊接在印制导线的焊盘上。双面板主要元器件也是安装在板的一面，在另一面可有一些小型的零件，一般为表面装贴元件。在保证电性能要求的前提下，元器件应平行或垂直于板面，并和主要板边平行或垂直。在板面上分布均匀整齐。一般不得将元件重叠安放，如果确实需要重叠，应采用结构件加以固定。操作3数字钟印制电路板图的设计（6）识读PCB图注意事项

1）地线不能形成闭合回路。在高频电路中，可平用大面积接地方式，以防电路自激。

2）输入端与输出端的元器件应尽量远离，输入端与输出端的信号线不可靠近。更不可平行；多级电路应按信号流程逐级排列，不可互相交叉混合；以免引起有害耦合和互相干扰。

3）高频电路中元器件之间的连线应尽量短，以减小分布参数对局频电路的影响。

4）线条宽度和线条间距应尽量大些，以保证电气要求和足够的机械强度，在业余制作中，一般应使线条宽度和线条间距分别大于1mm。

5）为使电路简洁通常采用双面PCB，那么双面PCB两面的线路的连接是靠过线孔，过线孔是否符合要求，可用万用表检查。操作3数字钟印制电路板图的设计（7）LED数字钟双面PCB图红线是一面（图中深色的线条），蓝线是一面（图中浅灰白色的线条），如图6-18所示。操作3数字钟印制电路板图的设计任务四数字电路的一般设计方法

图6-19所示电路有三个输入端：A、B、C，有输出端Y，那么输出与输入间的关系是什么？其功能是什么呢？分析：

1）写出逻辑表达式。通过电路原理图可以找出前后级的关系，输出Y与输入A、B、C间的逻辑函数关系：操作1任务的提出2）根据逻辑表达式，列出真值表，如表6-12所示。操作1任务的提出3）综合真值表，描述功能。从真值表中可以看到，当A、B、C三个输入端中输入信号“1”的个数多于“0”的个数时，则输出端Y的值为“1”。这类似于现实生活中的多数表决过程，通常把它称为多数表决器。其实，该电路是竞争输出的典型电路，可以应用于类似的电路设计。通过本例的分析过程，基本上可以知道逻辑电路的分析过程，如图6-20所示。操作1任务的提出

组合逻辑电路可以采用小规模集成电路实现，也可以采用中规模集成电路器件或存储器、可编程逻辑器件来实现。虽然采用中、大规模集成电路设计时，其设计方法有所不同，但采用传统的设计方法仍是数字电路设计的基础。

1）逻辑抽象。将文字描述的逻辑命题转换成真值表叫逻辑抽象。首先要分析逻辑命题，确定输入、输出变量；然后用二值逻辑的0、1两种状态分别对输入、输出变量进行逻辑赋值，即确定0、1的具体含义；最后根据输出与输入之间的逻辑关系列出真值表。操作2组合逻辑电路的设计方法2）选择器件类型。根据命题的要求和器件的功能及其资源情况决定采用哪种器件。例如，当选用MSI（MediumScaleIntegration）组合逻辑器件设计电路时，对于多输出函数来说，通常选用译码器实现电路较方便，而对单输出函数来说，则选用数据选择器实现电路较方便。

3）根据真值表和选用逻辑器件的类型，写出相应的逻辑函数表达式。当采用SSI（SmallScaleIntegration）集成门设计时，为了获得最简单的设计结果，应将逻辑函数表达式化简，并变换为与门电路相对应的最简式。操作2组合逻辑电路的设计方法4）根据逻辑函数表达式及选用的逻辑器件画出逻辑电路图。工程上一般要求设计要做到最佳，通常需要用多个指标去衡量，“最小化”电路不一定是“最佳化”电路，必须从经济指标和速度、功耗等多个指标综合考虑，才能设计出最佳电路。主要考虑的问题有以下几个方面：

1）所用的逻辑器件数目最少，器件的种类最少，且器件之间的连线最简单。这样的电路称“最小化”电路。

2）满足速度要求，应使级数尽量少，以减少门电路的延迟。

3）功耗小，工作稳定可靠。操作2组合逻辑电路的设计方法

时序逻辑电路的设计（又称时序电路综合）是时序逻辑电路分析的逆过程。时序电路设计是根据给