數位電子技術課程設計報告
一、設計目的
數字鐘是一種用數位電路技術實現時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。
數字鐘從原理上講是一種典型的數位電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。
因此，我們此次設計與製做數字鐘就是為了瞭解數字鐘的原理，從而學會製作數字鐘.而且通過數字鐘的製作進一步的瞭解各種在製作中用到的中小規模積體電路的作用及實用方法.且由於數字鐘包括組合邏輯電路和時敘電路.通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法.
二、設計要求
（1）設計指標
①時間以12小時為一個週期；
②顯示時、分、秒；
③具有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；
④計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時；
⑤為了保證計時的穩定及準確須由晶體振盪器提供錶針時間基準訊號。
（2）設計要求
①畫出電路原理圖（或模擬電路圖）；
②元器件及引數選擇；
③電路模擬與除錯；
④pcb檔案生成與列印輸出。
（3）製作要求自行裝配和除錯，並能發現問題和解決問題。
（4）編寫設計報告寫出設計與製作的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。
三、原理框圖
1．數字鐘的構成
數字鐘實際上是一個對標準頻率（1hz）進行計數的計數電路。由於計數的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1hz時間訊號必須做到準確穩定。通常使用石英晶體振盪器電路構成數字鐘。
（a）數字鐘組成框圖
2．晶體振盪器電路
晶體振盪器電路給數字鐘提供一個頻率穩定準確的32768hz的方波訊號，可保證數字鐘的走時準確及穩定。不管是指標式的電子鐘還是數字顯示的電子鐘都使用了晶體振盪器電路。一般輸出為方波的數字式晶體振盪器電路通常有兩類，一類是用ttl閘電路構成；另一類是通過cmos非門構成的電路，本次設計採用了後一種。如圖（b）所示，由cmos非門u1與晶體、電容和電阻構成晶體振盪器電路，u2實現整形功能，將振盪器輸出的近似於正弦波的波形轉換為較理想的方波。輸出反饋電阻r1為非門提供偏置，使電路工作於放大區域，即非門的功能近似於一個高增益的反相放大器。電容c1、c2與晶體構成一個諧振型網路，完成對振盪頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構成一個正反饋網路，實現了振盪器的功能。由於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。
（b）cmos晶體振盪器（模擬電路）
3．時間記數電路
一般採用10進位制計數器如74hc290、74hc390等來實現時間計數單元的計數功能。本次設計中選擇74hc390。由其內部邏輯框圖可知，其為雙2-5-10非同步計數器，並每一計數器均有一個非同步清零端（高電平有效）。
秒個位計數單元為10進位制計數器，無需進位制轉換，只需將qa與cpb（下降沿有效）相連即可。cpa（下降沒效）與1hz秒輸入訊號相連，q3可作為向上的進位訊號與十位計數單元的cpa相連。
秒十位計數單元為6進位制計數器，需要進位制轉換。將10進位制計數器轉換為6進位制計數器的電路連線方法如圖2.4所示，其中q2可作為向上的進位訊號與分個位的計數單元的cpa相連。
十進位制-六進位制轉換電路
分個位和分十位計數單元電路結構分別與秒個位和秒十位計數單元完全相同，只不過分個位計數單元的q3作為向上的進位訊號應與分十位計數單元的cpa相連，分十位計數單元的q2作為向上的進位訊號應與時個位計數單元的cpa相連。
時個位計數單元電路結構仍與秒或個位計數單元相同，但是要求，整個時計數單元應為12進位制計數器，不是10的整數倍，因此需將個位和十位計數單元合併為一個整體才能進行12進位制轉換。利用1片74hc390實現12進位制計數功能的電路如圖（d）所示。
（d）十二進位制電路
另外，圖（d）所示電路中，尚餘－2進位制計數單元，正好可作為分頻器2hz輸出訊號轉化為1hz訊號之用。
4．譯碼驅動及顯示單元電路
選擇cd4511作為顯示譯碼電路；選擇led數碼管作為顯示單元電路。由cd4511把輸進來的二進位制訊號翻譯成十進位制數字，再由數碼管顯示出來。這裡的led數碼管是採用共陰的方法連線的。
計數器實現了對時間的累計並以8421bcd碼的形式輸送到cd4511晶片，再由4511晶片把bcd碼轉變為十進位制數碼送到數碼管中顯示出來。
5．校時電路
數字鐘應具有分校正和時校正功能，因此，應截斷分個位和時個位的直接計數通路，並採用正常計時訊號與校正訊號可以隨時切換的電路接入其中。即為用coms與或非門實現的時或分校時電路，in1端與低位的進位訊號相連；in2端與校正訊號相連，校正訊號可直接取自分頻器產生的1hz或2hz（不可太高或太低）訊號；輸出端則與分或時個位計時輸入端相連。當開關打向下時，因為校正訊號和0相與的輸出為0，而開關的另一端接高電平，正常輸入訊號可以順利通過與或門，故校時電路處於正常計時狀態；當開關打向上時，情況正好與上述相反，這時校時電路處於校時狀態。
實際使用時，因為電路開關存在抖動問題，所以一般會接一個rs觸發器構成開關消抖動電路，所以整個較時電路就如圖（f）。
（f）帶有消抖電路的校正電路
6．整點報時電路
電路應在整點前10秒鐘內開始整點報時，即當時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制訊號。
當時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數器十位的qc和qa、個位的qd和qa及秒計數器十位的qc和qa相與，從而產生報時控制訊號。
報時電路可選74hc30來構成。74hc30為8輸入與非門。
四、元器件
1．四連麵包板1塊（編號a45）
2．鑷子1把
3．剪刀1把
4．共陰八段數碼管6個
5．網路線2米/人
6．cd4511整合塊6塊
7．cd4060整合塊1塊
8．74hc390整合塊3塊
9．74hc51整合塊1塊
10．74hc00整合塊4塊
11．74hc30整合塊1塊
12．10mω電阻5個
13．500ω電阻14個
14．30p電容2個
15．32.768k時鐘晶體1個
16．蜂鳴器10個（每班）
1）晶片連線圖
1)74hc00d2)cd4511
3)74hc390d4)74hc51d
2．麵包板的介紹
麵包板一塊總共由五部分組成，一豎四橫，麵包板本身就是一種免焊電板。
麵包板的樣式是：
麵包板的注意事項：
1．麵包板旁一般附有香蕉插座，用來輸入電壓、訊號及接地。
2．上圖中連著的黑線表示插孔是相通的。
3．拉線時，儘量將線緊貼麵包板，把線成直角，避免交叉，也不要跨越元件。
4．麵包板使用久後，有時插孔間連線銅線會發生脫落現象，此時要將此排插孔做記號。並不再使用。
五、各功能塊電路圖
數字鐘從原理上講是一種典型的數位電路，可以由許多中小規模積體電路組成，所以可以分成許多獨立的電路。
（一）六進位制電路
由74hc390、7400、數碼管與4511組成，電路如圖一。
（二）十進位制電路
由74hc390、7400、數碼管與4511組成，電路如圖二。
（三）六十進位制電路
由兩個數碼管、兩4511、一個74hc390與一個7400晶片組成，電路如圖三。
（四）雙六十進位制電路
由2個六十進位制連線而成，把分個位的輸入訊號與秒十位的qc相連，使其產生進位，電路圖如圖四。
（五）時間計數電路
由1個十二進位制電路、2個六十進位制電路組成，因上面已有一個雙六十電路，只要把它與十二進位制電路相連即可，詳細電路見圖五。
（六）校正電路
由74ch51d、74hc00d與電阻組成，校正電路有分校正和時校正兩部分，電路如圖六。
（七）晶體振盪電路
由晶體與2個30pf電容、1個4060、一個10兆的電阻組成，晶片3腳輸出2hz的方波訊號，電路如圖七。
（八）整點報時電路
由74hc30d和蜂鳴器組成，當時間在59:50到59:59時，蜂鳴報時，電路如圖八。
六、總接線元件佈局簡圖
整個數字鐘由時間計數電路、晶體振盪電路、校正電路、整點報時電路組成。
其中以校正電路代替時間計數電路中的時、分、秒之間的進位，當校時電路處於正常輸入訊號時，時間計數電路正常計時，但當分校正時，其不會產生向時進位，而分與時的校位是分開的，而校正電路也是一個獨立的電路。
電路的訊號輸入由晶振電路產生，並輸入各電路。
簡圖如圖九。
七、晶片連線總圖
因模擬與實際元件上的差異，所以在原有的簡圖的基礎上，又按實際佈局畫了這張按實際晶片佈局的接線圖，如圖十。
八、總結
1．實驗過程中遇到的問題及解決方法
①麵包板測試
測試麵包板各觸點是否接通。
②七段顯示器與七段譯碼器的測量
把顯示器與cd4511相連，第一次接時，數碼管完全沒有顯示數字，檢查後發現是數碼管未接地而造成的，接地後發現還是無法正確顯示數字，用萬用表檢測後，發現是因晶片引腳有些接觸不良而造成的，所以確認晶片是否接觸良好是非常重要的一件事。
③時間計數電路的連線與測試
六進位制、十進位制都沒有什麼大的問題，只是晶片引腳的老問題，只要重新插過晶片就可以解決了。但在六十進位制時，按圖接線後發現，顯示器上的數字總是100進位制的，而不是六十進位制，檢測後發現無論是線路的連通還是晶片的接觸都沒有問題。最後，在重對連線時發現是線路接錯引腳造成的，改過之後，顯示就正常了。
④校正電路
因上面程因引腳接錯而造成錯誤，所以校正電路是完全按照模擬圖所連的，在測試時，開始進行時校時時，沒有出現問題，但當進行到分校時時，發現計數電路的秒電路開始亂跳出錯。因此，電路一定是有地方出錯了，在反覆對照後，發現是因為在接入校正電路時忘了把秒十位和分個位之間的連線拿掉而造成的，因此，在接線時一定要注意把不要的多餘的線拿掉。
2．設計體會
通過這次對數字鐘的設計與製作，讓我瞭解了設計電路的程式，也讓我瞭解了關於數字鐘的原理與設計理念，要設計一個電路總要先用模擬模擬成功之後才實際接線的。但是最後的成品卻不一定與模擬時完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在模擬中無法成功的電路接法，在實際中因為晶片本身的特性而能夠成功。所以，在設計時應考慮兩者的差異，從中找出最適合的設計方法。
通過這次學習，讓我對各種電路都有了大概的瞭解，所以說，坐而言不如立而行，對於這些電路還是應該自己動手實際操作才會有深刻理解。
3．對設計的建議
我希望老師在我們動手製作之前應先告訴我們一些關於所做電路的資料、原理，以及如何檢測電路的方法，還有關於檢測晶片的方法。這樣會有助於我們進一步的進入狀況，完成設計.
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