數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)報(bào)告-多功能計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)

1、電類綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目：多功能計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)-數(shù)字鐘 姓名：馬馮生 學(xué)號(hào)： 學(xué)院：材料學(xué)院專業(yè)：材料加工工程 指導(dǎo)：電子技術(shù)中心 完成時(shí)間：2015年3月24日目 錄一、引言二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜?、?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求 四、實(shí)驗(yàn)原理及框圖五、單元電路設(shè)計(jì)及其電路六、實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決方法七、心得體會(huì)八、元器件清單引言 隨著數(shù)字技術(shù)在儀表和通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字鐘已經(jīng)應(yīng)用到生活的方方面面，而數(shù)字鐘的功能也隨著人們要求的提高在不斷的增加，同時(shí)在數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展下，功能也越來越強(qiáng)大。 數(shù)字鐘能夠比傳統(tǒng)的時(shí)鐘更加精確的進(jìn)行計(jì)時(shí)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多種顯示。在調(diào)節(jié)方面，能夠內(nèi)嵌許多諸如報(bào)時(shí)、萬年歷、彩鈴等計(jì)時(shí)以外的功

2、能。本設(shè)計(jì)在介紹數(shù)字鐘工作原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)字集成技術(shù)，來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)多功能數(shù)字鐘。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)掌握十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路的工作過程。2、通過實(shí)驗(yàn)深入掌握電路的分頻原理和數(shù)字信號(hào)的測(cè)量方法。 3、熟悉集成電路構(gòu)成的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示器件的外部功能及其使用方法。三實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求1、秒信號(hào)發(fā)生電路：為計(jì)時(shí)器提供信號(hào)。2、及時(shí)電路：完成0分00秒-9分59秒的計(jì)時(shí)功能。3、清零電路：具有開機(jī)自動(dòng)清零功能；在任何時(shí)候，按動(dòng)清零開關(guān)，可進(jìn)行計(jì)時(shí)器手動(dòng)清零。4、譯碼顯示電路：顯示計(jì)時(shí)電路產(chǎn)生的數(shù)字信息。5、系統(tǒng)級(jí)聯(lián)調(diào)試：將以上電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)完成等計(jì)時(shí)器的所有功能。四實(shí)驗(yàn)原理及框圖圖1 三位計(jì)時(shí)

3、器示意圖數(shù)字鐘示意圖如圖1所示，計(jì)時(shí)電路完成計(jì)時(shí)功能，并將計(jì)時(shí)結(jié)果傳送至顯示電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示功能。原理框圖如圖2所示，主要由計(jì)時(shí)電路、秒信號(hào)發(fā)生電路、清零電路和譯碼電路組成。計(jì)時(shí)電路在秒信號(hào)的作用下，產(chǎn)生0:009:59的循環(huán)計(jì)時(shí)，清零電路控制計(jì)時(shí)電路的清零端，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的清零，最終將計(jì)時(shí)電路的輸出送至譯碼顯示電路，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的顯示。圖2 數(shù)字鐘的原理框圖五單元電路設(shè)計(jì)及其電路 秒信號(hào)發(fā)生電路圖3 秒信號(hào)發(fā)生電路秒信號(hào)發(fā)生電路為計(jì)時(shí)電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電路原理如圖3所示。為提供較為精確的秒信號(hào)，本設(shè)計(jì)中振蕩電路采用215Hz的石英晶體管為主體的晶振電路，并作為電路的秒信號(hào)源。由于震蕩電路產(chǎn)生的源信

4、號(hào)為215Hz，而秒的基準(zhǔn)信號(hào)頻率為1Hz，則需要對(duì)215Hz信號(hào)進(jìn)行分頻，得到1Hz信號(hào)，分頻器采用CD4060和74LS74來實(shí)現(xiàn)，CD4060為14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，各腳管功能如表1所示，功能如表2所示。雖然CD4060內(nèi)部有14級(jí)由T觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻器，但實(shí)際輸出端只有10個(gè)：Q4Q10、Q12Q14、Q1Q13以及Q13并不引出。為晶振電路的引出端，需接外部石英晶體。Cr為復(fù)零端，為高電平或正脈沖時(shí)振蕩器停振。從輸出功能看，CD4060能得到10中不同的分頻系數(shù)，最小為24=16分頻，最大為214=16384分頻，即將215Hz送入該芯片，最大分頻輸出端Q14輸出信號(hào)頻率為2Hz

5、。表1 CD4060管腳功能由于CD4060最多完成14級(jí)二分頻，所以還需要再加一級(jí)分頻，才能把4060輸出的2Hz信號(hào)變成秒信號(hào)。外接二分頻器可采用D觸發(fā)器（74LS74）構(gòu)成的二分頻電路，74LS74管腳功能如表3所示，該芯片上有上片和下片兩個(gè)D觸發(fā)器，2Hz信號(hào)經(jīng)過二分頻電路得到1Hz的秒脈沖信號(hào)，即將D觸發(fā)器的同相位輸出Q端與觸發(fā)信號(hào)連接在一起，復(fù)位端和控制端接電源，使該兩端口無效，則Q端的輸出信號(hào)即為1Hz的秒脈沖信號(hào)。時(shí)鐘輸入端CP0時(shí)鐘輸出端反相時(shí)鐘輸出端Q4Q10，Q12Q14計(jì)數(shù)器輸出端表2 CD4060功能表輸入功能CRX1清零0計(jì)數(shù)0保持表3 74LS74管腳功能管腳號(hào)引

6、腳代碼引腳功能管腳號(hào)引腳代碼引腳功能11復(fù)位信號(hào)82反相位輸出21D觸發(fā)信號(hào)92Q同相位輸出31CP時(shí)鐘信號(hào)102控制41控制112CP時(shí)鐘信號(hào)51Q同相位輸出122D觸發(fā)信號(hào)61反相位輸出132復(fù)位信號(hào)7GND地14VCC電源2、計(jì)時(shí)電路該電路是本實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵部分，有分計(jì)數(shù)器、秒十位計(jì)數(shù)器、秒個(gè)位計(jì)數(shù)器構(gòu)成，電路均使用CD4518BCD碼計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。CD4518管教如圖45所示，該計(jì)數(shù)器為雙十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，片子內(nèi)部封裝兩個(gè)相同且獨(dú)立的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器中都含有四位二進(jìn)制的技術(shù)單元，每個(gè)計(jì)數(shù)器含有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端“CP”和“EN”，簡(jiǎn)稱雙時(shí)鐘，可以根據(jù)使用要求來選擇不同的始終輸入，

7、兩者所不同在于“CP”端對(duì)始終的上升沿有效，“EN”讀研對(duì)時(shí)鐘的下降沿有效。該計(jì)數(shù)器功能表如表4所示。表4 CD4518功能表功能輸入輸出CrCPENQDQCQBQA清零XXX0000計(jì)數(shù)01BCD碼加法計(jì)數(shù)保持0X0保持計(jì)數(shù)00BCD碼加法計(jì)數(shù)保持01X保持計(jì)時(shí)整體電路如圖5所示，分位計(jì)數(shù)器和秒個(gè)位計(jì)數(shù)器均是從09循環(huán)計(jì)數(shù)（模10計(jì)數(shù)），可采用CD4518直接實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能；秒十位計(jì)數(shù)器為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要將CD4518的模10計(jì)數(shù)變換為一個(gè)從05的模六計(jì)數(shù)：當(dāng)4518計(jì)數(shù)到6時(shí)，將Qc，Qb引到與門74LS21的輸入端，此時(shí)74LS21輸出一個(gè)高電壓送回至4518的Cr端，實(shí)現(xiàn)復(fù)位（4

8、518回0），由于4518的Cr端為異步復(fù)位，因此4518余姚計(jì)數(shù)到6時(shí)才引出復(fù)位信號(hào)，并且6狀態(tài)非常短暫，顯示器并不顯示，所以實(shí)際效果還是05顯示。74LS21為四輸入與門，片子內(nèi)部封裝兩個(gè)相同且獨(dú)立的四輸入與門，該電路中只用到1個(gè)與門的2個(gè)輸入，因此需要將該與門的其他兩個(gè)輸入端接5V電源+極，不可懸空不接。搭建電路時(shí)，首先將所有芯片電源端（Vcc和GND端）分別連接至5V電源+、-極；對(duì)于秒個(gè)位計(jì)數(shù)器，將秒信號(hào)發(fā)生電路輸出的秒信號(hào)（1Hz信號(hào)）送入秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的2CP端，同時(shí)2EN端接5V電源+極，2Cr端接5V電源-極（注意：當(dāng)清零電路搭建完成后，需將清零電路的輸出替換2Cr端的5V電源

9、-極），秒個(gè)位計(jì)數(shù)器即可完成09循環(huán)計(jì)數(shù)過程中唯一的下降沿，將此下降沿送至秒十位計(jì)數(shù)器的2EN端，即可實(shí)現(xiàn)秒十位計(jì)數(shù)器加1，實(shí)現(xiàn)進(jìn)位），同時(shí)2CP端接5V電源+極，秒十位計(jì)數(shù)器即可在進(jìn)位信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下完成05循環(huán)計(jì)數(shù)。對(duì)于分位計(jì)數(shù)器，將秒十位計(jì)數(shù)器的輸出2Qc端送入分位計(jì)數(shù)器的2EN端，完成秒十位到分位的進(jìn)位（當(dāng)秒十位計(jì)數(shù)器從5跳至0時(shí)，2Qc端得到05循環(huán)計(jì)數(shù)過程中唯一的下降沿，將此下降沿送至分位計(jì)數(shù)器的2EN端，即可實(shí)現(xiàn)分位計(jì)數(shù)器加1實(shí)現(xiàn)進(jìn)位），同時(shí)2CP端接5V電源+極，2Cr端接5V電源-極（注意：當(dāng)清零電路搭建完成后，需將清零電路的輸出替換2Cr端的5V電源-極），分位計(jì)數(shù)器即可完成0

10、9循環(huán)計(jì)數(shù)。所用器件：CD4518（計(jì)數(shù)器）3片、74LS21（與門）1片。圖5 計(jì)時(shí)電路3、清零電路該電路具有開機(jī)清零和手動(dòng)清零功能。電路原理如圖6所示，將圖5計(jì)時(shí)電路的秒個(gè)位和分位的清零端即CD4518的管腳15（高電壓有效）原來的接5V電源-極導(dǎo)線拔開，將非門輸出送至2Cr端，而秒十位CD4518的清零端原來接74LS21的輸出，需要將此輸出和圖6中非門送入一個(gè)或門，再將或門輸出送至秒十位CD4518的清零端，才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)秒十位計(jì)數(shù)器的清零功能和模6計(jì)數(shù)功能。電路管腳連接如圖7所示，對(duì)于清零電路，電路正常工作是開關(guān)打開，剛開機(jī)時(shí)，由于電容上的電壓不能突變，電容兩端初始為低電壓，經(jīng)過一個(gè)非

11、門輸出高電壓，送到CD4518的2Cr端，整個(gè)計(jì)時(shí)電路清零，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路開機(jī)時(shí)清零，當(dāng)電容充滿電以后，非門的輸入端為高電壓，非門輸出低電壓，2Cr端無效，CD4518實(shí)現(xiàn)正常計(jì)數(shù)，電路正常工作。按下開關(guān)后，電容、電阻組成一個(gè)回路，電容放電，當(dāng)電容儲(chǔ)存電量放完后，電容兩端為低電壓，即非門的輸入端為低電壓，非門輸出高電壓，送到CD4518的2Cr端，整個(gè)計(jì)時(shí)電路清零，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路手動(dòng)清零。所用器件：CD4069（非門）1片、74LS32（或門）1片，1k電阻2個(gè)、10F電容1個(gè)、開關(guān)1個(gè)。圖7 清零電路管腳連接圖譯碼顯示電路譯碼顯示電路采用三片CD4511顯示譯碼器和三個(gè)七段共陰數(shù)碼管，分位、秒十

12、位和秒個(gè)位個(gè)采用一片CD4511和一個(gè)數(shù)碼管。CD4511的作用是將計(jì)數(shù)器QAQD輸出的二進(jìn)制代碼譯成特定的輸出信號(hào)以供顯示器按代碼的原意顯示成數(shù)字，譯碼器采用CD4511七段字型譯碼器。由ag各個(gè)輸出段信號(hào)，以控制點(diǎn)亮LED數(shù)碼管的字型段，CD4511的輸入端ABCD依次接計(jì)數(shù)器的QAQD，及8421（BCD）碼輸出，CD4511有三個(gè)使能管腳。電路從0:000:59循環(huán)計(jì)時(shí)，譯碼電路分別進(jìn)行譯碼，采用共陰極七段LED數(shù)碼管進(jìn)行循環(huán)顯示。CD4511的輸入接到相應(yīng)計(jì)數(shù)器的輸出，而它的輸出端與數(shù)碼管的相應(yīng)端相連，數(shù)碼管通過300的電阻接地。所用器件：CD4511(譯碼器)3片、300電阻3個(gè)、

13、LED數(shù)碼顯示管3個(gè)。圖9 譯碼顯示電路校分電路圖10 校分電路原理圖 如圖10所示，校分電路能在開關(guān)閉合的情況下，實(shí)現(xiàn)分個(gè)位以0.5秒每個(gè)數(shù)的速度進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)，秒個(gè)位和十位并不走動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于分個(gè)位顯示器的校準(zhǔn)。其原理為：正常計(jì)數(shù)時(shí)時(shí)開關(guān)打在“1”電平，下面的與非門被選通，上面的與非門被封鎖，秒進(jìn)位產(chǎn)生的脈沖送至分計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘端；當(dāng)開關(guān)打在“0”電平時(shí)，上面的與非門被選通，下面的與非門被封鎖，校分信號(hào)送至分計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘端。校分信號(hào)可由4060分頻信號(hào)得到，一般選為2Hz。6、總體電路連接圖將以上四個(gè)模塊按照信號(hào)順序連接，即可得到總體電路如圖11所示。圖11總體電路六、實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解

14、決辦法一開始我的電路根本就不亮，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)由于原件位置擺放時(shí)的粗心導(dǎo)致的，經(jīng)過重新放置，電路能夠點(diǎn)亮。其次，電路亮了之后發(fā)現(xiàn)秒個(gè)位的顯示器右下角的紅點(diǎn)點(diǎn)亮了，經(jīng)過原理的論證，很快發(fā)現(xiàn)是由于左邊的引腳走線時(shí)不小心擺放到了該引腳的線路上，導(dǎo)致這個(gè)引腳也接受到了信號(hào)，從而點(diǎn)亮，重新排布后，顯示器回復(fù)正常。之后，電路并不能正常的實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，只是每次導(dǎo)通后變換數(shù)字，經(jīng)過線路的檢查發(fā)現(xiàn)并無問題，通過助教的指導(dǎo)，學(xué)會(huì)使用二極管檢查脈沖信號(hào)的通斷，發(fā)現(xiàn)并無問題，然后使用萬能表對(duì)線路實(shí)現(xiàn)了逐步排查，最后發(fā)現(xiàn)原來有個(gè)原件是換的，換過之后正常工作。之后在校分電路的制作中還算順利，只是在接通校分電路開關(guān)后，分個(gè)位

15、在跳動(dòng)的同時(shí)，秒十位也在跳動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是秒十位到分個(gè)位的那根信號(hào)線沒拔，改正后，功能順利實(shí)現(xiàn)。到此，實(shí)驗(yàn)順利完成。七、心得體會(huì)本次設(shè)計(jì)對(duì)于動(dòng)手能力的要求很強(qiáng)，但是同時(shí)對(duì)于原理的了解也是必要的。第一天老師布置完實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，我就回去看數(shù)電書上相關(guān)的知識(shí)，也在網(wǎng)上查閱了這個(gè)電路的相應(yīng)資料，大致了解了整個(gè)數(shù)字時(shí)鐘原理和各個(gè)功能模塊作用以及要用到的各個(gè)芯片的引腳和功能。果然由于對(duì)于原理的理解，在排線過程中起到了一定的作用。這次試驗(yàn)中也讓我知道了許多做電路實(shí)驗(yàn)的注意點(diǎn)和方法，對(duì)我今后做更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。首先元件的布局要合理，并且元件之間的連線要做到盡量少交叉，連線要清晰；不同功能的元件或者端口之間可以用不同的顏色的線加以區(qū)分，特別是地線和電源線最好用黑線和紅線連接，并且其它連線不要用這兩種顏色，這樣會(huì)給檢查電路錯(cuò)誤帶來很大的方便。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的電路比較復(fù)雜，但都是建立在簡(jiǎn)單的單一功能基礎(chǔ)上的，因此每一部分的電路是下一步的基礎(chǔ)，一定要做到每一部分線路正確，然后再開始下一部分電路的連接。最后，我體會(huì)很深的一點(diǎn)是一定要學(xué)會(huì)使用萬用表，這對(duì)于檢查錯(cuò)誤很有效。就在我最后電路運(yùn)行時(shí)，我遇到了很大的問題，用了幾乎一下午檢查連線，最后才發(fā)現(xiàn)了問題所在。 之后