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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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