一、設計目的

　　1. 熟悉集成電路的引腳安排。

　　2. 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。

　　3. 了解面包板結構及其接線(xiàn)方法。

　　4. 了解數字鐘的組成及工作原理。

　　5. 熟悉數字鐘的設計與制作。

　　二、設計要求

　　1.設計指標

　　Ø 時(shí)間以24小時(shí)為一個(gè)周期;

　　Ø 顯示時(shí)、分、秒;

　　Ø 有校時(shí)功能，可以分別對時(shí)及分進(jìn)行單獨校時(shí)，使其校正到標準時(shí)間;

　　Ø 計時(shí)過(guò)程具有報時(shí)功能，當時(shí)間到達整點(diǎn)前5秒進(jìn)行蜂鳴報時(shí);

　　Ø 為了保證計時(shí)的穩定及準確須由晶體振蕩器提供表針時(shí)間基準信號。

　　2.設計要求

　　Ø 畫(huà)出電路原理圖(或仿真電路圖);

　　Ø 元器件及參數選擇;

　　Ø 電路仿真與調試;

　　Ø PCB文件生成與打印輸出。

　　3.制作要求 自行裝配和調試，并能發(fā)現問(wèn)題和解決問(wèn)題。

　　4.編寫(xiě)設計報告 寫(xiě)出設計與制作的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì )。

　　三、設計原理及其框圖

　　1.數字鐘的構成

　　數字鐘實(shí)際上是一個(gè)對標準頻率(1HZ)進(jìn)行計數的計數電路。由于計數的起始時(shí)間不可能與標準時(shí)間(如北京時(shí)間)一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標準的1HZ時(shí)間信號必須做到準確穩定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數字鐘。圖 3-1所示為數字鐘的一般構成框圖。

　?、啪w振蕩器電路

　　晶體振蕩器電路給數字鐘提供一個(gè)頻率穩定準確的32768Hz的方波信號，可保證數字鐘的走時(shí)準確及穩定。不管是指針式的電子鐘還是數字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。

　?、品诸l器電路

　　分頻器電路將32768Hz的高頻方波信號經(jīng)32768()次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數器進(jìn)行計數。分頻器實(shí)際上也就是計數器。

　?、菚r(shí)間計數器電路

　　時(shí)間計數電路由秒個(gè)位和秒十位計數器、分個(gè)位和分十位計數器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計數器電路構成，其中秒個(gè)位和秒十位計數器、分個(gè)位和分十位計數器為60進(jìn)制計數器，而根據設計要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計數器為12進(jìn)制計數器。

　?、茸g碼驅動(dòng)電路

　　譯碼驅動(dòng)電路將計數器輸出的8421BCD碼轉換為數碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。

　?、蓴荡a管

　　數碼管通常有發(fā)光二極管(LED)數碼管和液晶(LCD)數碼管，本設計提供的為L(cháng)ED數碼管。

　　2.數字鐘的工作原理

　　1)晶體振蕩器電路

　　晶體振蕩器是構成數字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準確及穩定。

　　圖3-2所示電路通過(guò)CMOS非門(mén)構成的輸出為方波的數字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，CMOS非門(mén)U1與晶體、電容和電阻構成晶體振蕩器電路，U2實(shí)現整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉換為較理想的方波。輸出反饋電 阻R1為非門(mén)提供偏置，使電路工作于放大區域，即非門(mén)的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容C1、C2與晶體構成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò )，完成對振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)180度相移，從而和非門(mén)構成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩定和準確。

　　晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專(zhuān)為數字鐘電路而設計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數。

　　從有關(guān)手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當要求頻率準確度和穩定度更高時(shí)，還可接入校正電容并采取溫度補償措施。

　　由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩定性。

　　非門(mén)電路可選74HC00。

　　2)分頻器電路

　　通常，數字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻。

　　通常實(shí)現分頻器的電路是計數器電路，一般采用多級2進(jìn)制計數器來(lái)實(shí)現。例如，將32768Hz的振蕩信號分頻為1HZ的分頻倍數為32768(215)，即實(shí)現該分頻功能的計數器相當于15極2進(jìn)制計數器。常用的2進(jìn)制計數器有74HC393等。

　　本實(shí)驗中采用CD4060來(lái)構成分頻電路。CD4060在數字集成電路中可實(shí)現的分頻次數最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門(mén)，使用更為方便。

　　CD4060計數為14級2進(jìn)制計數器，可以將32768HZ的信號分頻為2HZ，其內部框圖如圖3-3所示，從圖中可以看出，CD4060的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門(mén)，因此可以直接實(shí)現振蕩和分頻的功能。

　　3)時(shí)間計數單元

　　時(shí)間計數單元有時(shí)計數、分計數和秒計數等幾個(gè)部分。

　　時(shí)計數單元一般為12進(jìn)制計數器計數器，其輸出為兩位8421BCD碼形式;分計數和秒計數單元為60進(jìn)制計數器，其輸出也為8421BCD碼。

　　一般采用10進(jìn)制計數器74HC390來(lái)實(shí)現時(shí)間計數單元的計數功能。為減少器件使用數量，可選74HC390，其內部邏輯框圖如圖　2.3所示。該器件為雙2—5-10異步計數器，并且每一計數器均提供一個(gè)異步清零端(高電平有效)。

　　秒個(gè)位計數單元為10進(jìn)制計數器，無(wú)需進(jìn)制轉換，只需將QA與CPB(下降沿有效)相連即可。CPA(下降沒(méi)效)與1HZ秒輸入信號相連，Q3可作為向上的進(jìn)位信號與十位計數單元的CPA相連。

　　秒十位計數單元為6進(jìn)制計數器，需要進(jìn)制轉換。將10進(jìn)制計數器轉換為6進(jìn)制計數器的電路連接方法如圖3-5所示，其中Q2可作為向上的進(jìn)位信號與分個(gè)位的計數單元的CPA相連。

　　分個(gè)位和分十位計數單元電路結構分別與秒個(gè)位和秒十位計數單元完全相同，只不過(guò)分個(gè)位計數單元的Q3作為向上的進(jìn)位信號應與分十位計數單元的CPA相連，分十位計數單元的Q2作為向上的進(jìn)位信號應與時(shí)個(gè)位計數單元的CPA相連。

　　時(shí)個(gè)位計數單元電路結構仍與秒或個(gè)位計數單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計數單元應為12進(jìn)制計數器，不是10的整數倍，因此需將個(gè)位和十位計數單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行12進(jìn)制轉換。利用1片74HC390實(shí)現12進(jìn)制計數功能的電路如圖3-6所示。

　　另外，圖3-6所示電路中，尚余-2進(jìn)制計數單元，正好可作為分頻器2HZ輸出信號轉化為1HZ信號之用。

　　4)譯碼驅動(dòng)及顯示單元

　　計數器實(shí)現了對時(shí)間的累計以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數器的輸出數碼轉換為數碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數碼管作為顯示單元電路。

　　5)校時(shí)電源電路

　　當重新接通電源或走時(shí)出現誤差時(shí)都需要對時(shí)間進(jìn)行校正。通常，校正時(shí)間的方法是：首先截斷正常的計數通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計數或將頻率較高的方波信號加到需要校正的計數單元的輸入端，校正好后，再轉入正常計時(shí)狀態(tài)即可。

　　根據要求，數字鐘應具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應截斷分個(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計數通路，并采用正常計時(shí)信號與校正信號可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖3-7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時(shí)電路，

　　6)整點(diǎn)報時(shí)電路

　　一般時(shí)鐘都應具備整點(diǎn)報時(shí)電路功能，即在時(shí)間出現整點(diǎn)前數秒內，數字鐘會(huì )自動(dòng)報時(shí)，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續的或有節奏的音頻聲波，較復雜的也可以是實(shí)時(shí)語(yǔ)音提示。

　　根據要求，電路應在整點(diǎn)前10秒鐘內開(kāi)始整點(diǎn)報時(shí)，即當時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報時(shí)電路報時(shí)控制信號。報時(shí)電路選74HC30，選蜂鳴器為電聲器件。

　　四、元器件

　　1.實(shí)驗中所需的器材

　　Ø 5V電源。

　　Ø 面包板1塊。

　　Ø 示波器。

　　Ø 萬(wàn)用表。

　　Ø 鑷子1把。

　　Ø 剪刀1把。

　　Ø 網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)2米/人。

　　Ø 共陰八段數碼管6個(gè)。

　　Ø CD4511集成塊6塊。

　　Ø CD4060集成塊1塊。

　　Ø 74HC390集成塊3塊。

　　Ø 74HC51集成塊1塊。

　　Ø 74HC00集成塊5塊。

　　Ø 74HC30集成塊1塊。

　　Ø 10MΩ電阻5個(gè)。

　　Ø 500Ω電阻14個(gè)。

　　Ø 30p電容2個(gè)。

　　Ø 32.768k時(shí)鐘晶體1個(gè)。

　　Ø 蜂鳴器。

　　五、個(gè)功能塊電路圖

　　1. 一個(gè)CD4511和一個(gè)LED數碼管連接成一個(gè)CD4511驅動(dòng)電路，數碼管可從0---9顯示，以次來(lái)檢查數碼管的好壞，見(jiàn)附圖5-1。

　　圖5-1 4511驅動(dòng)電路

　　2. 利用一個(gè)LED數碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個(gè)十進(jìn)制計數器，電路在晶振的作用下數碼管從0—9顯示，見(jiàn)附圖5-2。

　　圖5-2 74390十進(jìn)制計數器

　　3. 利用一個(gè)LED數碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00和一個(gè)晶振連接成一個(gè)六進(jìn)制計數器，數碼管從0—6顯示，見(jiàn)附圖5-3。

　　圖5-3 74390六進(jìn)制計數器

　　4. 利用一個(gè)六進(jìn)制電路和一個(gè)十進(jìn)制連接成一個(gè)六十進(jìn)制電路，電路可從0—59顯示，見(jiàn)附圖5-4。

　　圖5-4 六十進(jìn)制電路

　　5. 利用兩個(gè)六十進(jìn)制的電路合成一個(gè)雙六十進(jìn)制電路，兩個(gè)六十進(jìn)制之間有進(jìn)位，見(jiàn)附圖5-5。

　　圖5-5 雙六十進(jìn)制電路

　　6. 利用CD4060、電阻及晶振連接成一個(gè)分頻——晶振電路，見(jiàn)附圖5-6。

　　圖5-6 分頻—晶振電路

　　7. 利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個(gè)校時(shí)電路，見(jiàn)附圖5-7。

　　圖5-7 校時(shí)電路

　　8. 利用74HC30和蜂鳴器連接成整點(diǎn)報時(shí)電路。見(jiàn)附圖5-8。

　　圖5-8 整點(diǎn)報時(shí)電路

　　9. 利用兩個(gè)六十進(jìn)制和一個(gè)十二進(jìn)制連接成一個(gè)時(shí)、分、秒都會(huì )進(jìn)位的電路總圖，見(jiàn)附圖5-9。

　　圖5-9 時(shí)、分、秒的進(jìn)位連接圖

　　六、總接線(xiàn)元件布局簡(jiǎn)圖，見(jiàn)附圖6-1

　　七、芯片連接圖見(jiàn)附圖7-1

　　八、總結

　　1. 設計過(guò)程中遇到的問(wèn)題及其解決方法。

　　1) 在檢測面包板狀況的過(guò)程中，出現本該相通的地方卻未通的狀況，后經(jīng)檢驗發(fā)現是由于萬(wàn)用表筆尖未與面包板內部垂直接觸所至。

　　2) 在檢測CD4511驅動(dòng)電路的過(guò)程中發(fā)現數碼管不能正常顯示的狀況，經(jīng)檢驗發(fā)現主要是由于接觸不良的問(wèn)題，其中包括線(xiàn)的接觸不良和芯片的接觸不良，在實(shí)驗過(guò)程中，數碼管有幾段二極管時(shí)隱時(shí)現，有時(shí)會(huì )消失。用5V電源對數碼管進(jìn)行檢測，一端接地，另一端接觸每一段二極管，發(fā)現二極管能正常顯示的，再用萬(wàn)用表歐姆檔檢測每一根線(xiàn)是否接觸良好，在檢測過(guò)程中發(fā)現有幾根線(xiàn)有時(shí)能接通，有時(shí)不能接通，把接觸不好的線(xiàn)重新接過(guò)后發(fā)現能正常顯示了。其次是由于芯片接觸不良的問(wèn)題，用萬(wàn)用表歐姆檔檢測有幾個(gè)引腳本該相通的地方卻未通，而檢測的導線(xiàn)狀況良好，其解決方法為把CD4511的芯片拔出，根據面包板孔的的狀況重新調整其引腳，使其正對于孔，再用力均勻地將芯片插入面包板中，此后發(fā)現能正常顯示，本次實(shí)驗中還發(fā)現一塊壞的LED數碼管和兩塊壞的CD4511，經(jīng)更換后均能正常顯示。

　　3) 在連接晶振的過(guò)程中，晶振無(wú)法起振。在排除線(xiàn)與芯片的接觸不良問(wèn)題后重新對照電路圖，發(fā)現是由于12腳未接地所至。

　　4) 在連接六進(jìn)制的過(guò)程中，發(fā)現電路只能4、5的跳動(dòng)，后經(jīng)發(fā)現是由于接到與非門(mén)的引腳接錯一根所至，經(jīng)糾正后能正常顯示。

　　5) 在連接校正電路的過(guò)程中，出現時(shí)和分都能正常校正時(shí)，但秒卻受到影響，特別時(shí)一較分鐘的時(shí)候秒亂跳，而不校時(shí)的時(shí)候，秒從40跳到59，然后又跳回40，分和秒之間無(wú)進(jìn)位，電路在時(shí)、分、秒進(jìn)位過(guò)程中能正常顯示，故可排除芯片和連線(xiàn)的接觸不良的問(wèn)題。經(jīng)檢查，校正電路的連線(xiàn)沒(méi)有錯誤，后用萬(wàn)用表的直流電壓檔帶電檢測秒十位的QA、QB、QC和QD腳，發(fā)現QA腳時(shí)有電壓時(shí)而無(wú)電壓，再檢測秒到分和分到時(shí)的進(jìn)位端，發(fā)現是由于秒到分的進(jìn)位未拔掉所至。

　　6) 在制作報時(shí)電路的過(guò)程中，發(fā)現蜂鳴器在57分59秒的時(shí)候就開(kāi)始報時(shí)，后經(jīng)檢測電路發(fā)現是由于把74HC30芯片當16引腳的芯片來(lái)接，以至接線(xiàn)都錯位，重新接線(xiàn)后能正常報時(shí)。

　　7) 連接分頻電路時(shí)，把時(shí)個(gè)位的QD和時(shí)十位的1腳斷開(kāi)，然后時(shí)十位的1腳接到晶振的3腳，時(shí)十位的3腳接到秒個(gè)位的1腳，所連接的電路圖無(wú)法正常工作，時(shí)十位從0-9的跳，時(shí)個(gè)位只能顯示一個(gè)0，在這個(gè)電路中3腳的分頻用到兩次，故無(wú)法正常顯示，因此要把12進(jìn)制接到74HC390的一個(gè)邏輯電路空出來(lái)用于分頻即可，因此把時(shí)十位的CD4511的12、6腳接地，7腳改為接74HC390的5腳，74HC390的3、4腳斷開(kāi)，然后4腳接9腳即可，其中空出的74HC390的3腳就可用于2Hz的分頻，分頻后變?yōu)?Hz，整個(gè)電路也到此為正常的數字鐘計數。

　　2.設計體會(huì )

　　在此次的數字鐘設計過(guò)程中，更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。

　　在連接六進(jìn)制、十進(jìn)制、六十進(jìn)制的進(jìn)位及十二進(jìn)制的接法中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯時(shí)便能準確地找出錯誤所在并及時(shí)糾正了。

　　在設計電路中，往往是先仿真后連接實(shí)物圖，但有時(shí)候仿真和電路連接并不是完全一致的，例如仿真的連接示意圖中，往往沒(méi)有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳，因此在實(shí)際的電路連接中往往容易遺漏。又例如74HC390芯片，其本身就是一個(gè)十進(jìn)制計數器，在仿真電路中必須連接反饋線(xiàn)才能正常顯示，而在實(shí)際電路中無(wú)需再連接，因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區別的。

　　在設計電路的連接圖中出錯的主要原因都是接線(xiàn)和芯片的接觸不良以及接線(xiàn)的錯誤所引起的。

　　3.對該設計的建議

　　此次的數字鐘設計重在于仿真和接線(xiàn)，雖然能把電路圖接出來(lái)，并能正常顯示，但對于電路本身的原理并不是十分熟悉?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)這次的設計實(shí)驗更進(jìn)一步地增強了實(shí)驗的動(dòng)手能力。