熟悉集成電路的引腳排列。
掌握各芯片的邏輯功能和用法。
了解面包板結構及其布線方法。
了解數字鐘的組成和工作原理。
熟悉數字鐘的設計和制造。
設計要求
1.設計指標
時間以24小時為壹個周期；
顯示時，分和秒；
有時間調整功能，可以分別調整時間和分鐘，使其正確到標準時間；
計時過程具有報時功能，當時間到達整點前5秒時，蜂鳴器會報時；
為了保證計時的穩定性和準確性，晶體振蕩器必須提供時鐘時間參考信號。
2.設計要求
畫出電路原理圖(或模擬電路圖)；
部件和參數的選擇；
電路仿真和調試；
PCB文件生成和打印輸出。
3.生產需要自己組裝調試，能發現問題，解決問題。
4.寫壹份設計報告，寫出設計制作的全過程，並附上相關資料和圖紙。
設計原理及其框圖
1.數字鐘的組成
數字鐘其實就是壹個計數電路，計數標準頻率(1HZ)。由於計數的起始時間不能與標準時間(如北京時間)壹致，所以需要在電路中加入時間校正電路，1HZ的標準時間信號必須準確穩定。通常，數字鐘由石英晶體振蕩器電路組成。圖3-1顯示了數字鐘的壹般結構。
圖3-1數字鐘組成框圖
(1)晶體振蕩器電路
晶振電路向數字鐘提供頻率穩定準確的32768Hz方波信號，可以保證數字鐘的準確性和穩定性。晶體振蕩器電路用於模擬電子鐘和數字顯示電子鐘。
(2)分頻器電路
分頻器電路將32768Hz的高頻方波信號除以32768()倍，得到1hz的方波信號，供第二計數器計數。分頻器實際上是壹個計數器。
(3)時間計數電路
時間計數電路由二位二進制計數器、二位二進制計數器和時間位時間十進制計數器組成，其中二位二進制計數器、二位二進制計數器為60進制計數器，時間十進制計數器和時間十進制計數器根據設計要求為12計數器。
(4)解碼驅動電路
解碼驅動電路將計數器輸出的8421BCD碼轉換成數碼管要求的邏輯狀態，並提供足夠的工作電流保證數碼管正常工作。
⑸數碼管
數碼管通常包括發光二極管(LED)數碼管和液晶(LCD)數碼管。這個設計提供了LED數碼管。
2.數字鐘的工作原理
1)晶體振蕩器電路
晶振是數字鐘的核心，保證了時鐘的準確性和穩定性。
圖3-2所示電路是壹個方波輸出的數字晶體振蕩器電路，由CMOS NOT門構成。在該電路中，CMOS非門U1、晶體、電容、電阻組成晶體振蕩器電路，U2實現整形功能，將振蕩器輸出的近似正弦波轉換成理想的方波。輸出反饋電阻R1為非門提供偏置，使電路工作在放大區。也就是說，非門的功能類似於高增益反相放大器。電容C1和C2與晶體形成諧振網絡控制振蕩頻率，同時提供180度的相移，從而與非門形成正反饋網絡，實現振蕩器的功能。由於晶體具有較高的頻率穩定性和精度，保證了輸出頻率的穩定性和精度。
XTAL晶體的頻率為32768HZ。該元件是專門為數字鐘電路設計的，其頻率低有利於減少分頻器的數量。
從相關手冊中可以發現，C1和C2都是30pF。當需要更高的頻率精度和穩定性時，可以連接校正電容，並采取溫度補償措施。
由於CMOS電路的輸入阻抗極高，反饋電阻R1可選擇為10mω。較高的反饋電阻有利於提高振蕩頻率的穩定性。
非門電路可選用74HC00。
圖3-2 COMS晶體振蕩器
2)分頻器電路
通常情況下，數字鐘的晶振輸出頻率較高。為了得到1Hz的第二信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。
通常實現分頻器的電路是計數器電路，壹般用多級二進制計數器實現。例如32768Hz振蕩信號對1hz的分頻倍數為32768(215)，即實現這種分頻功能的計數器相當於15個二進制計數器。常用的二進制計數器有74HC393等。
本實驗采用CD4060構成分頻電路。CD4060可以實現數字集成電路中最高的分頻，還包含了振蕩器電路所需的非門，使用起來更加方便。
CD4060是壹個計數為14的二進制計數器，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的時鐘輸入端有兩個串聯的非門，所以可以直接實現振蕩和分頻的功能。
圖3-3 CD 4046的內部框圖
3)計時裝置
計時單位有時包括計數、分鐘計數和秒計數。
小時計數單元壹般為12二進制計數器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計數和秒計數單位都是十六進制計數器，它的輸出也是8421BCD碼。
壹般用10基計數器74HC390來實現時間計數單元的計數功能。為減少器件數量，選用74HC390，其內部邏輯框圖如圖2.3所示。本裝置為雙2-5-10異步計數器，每個計數器配有壹個異步清零端(高電平有效)。
圖3-4 74hc 390(1/2)內部邏輯框圖
第二位計數單元是10十進制計數器，所以不需要進行十進制轉換。只需將QA與CPB連接(下降沿有效)。CPA(下降沿無效)接1HZ輸入信號，Q3可以接十位計數單元的CPA作為向上進位信號。
第二個十進制計數器是十六進制計數器，需要轉換成十六進制計數器。將10十進制計數器轉換成十六進制計數器的電路連接方法如圖3-5所示，其中Q2可以作為上行進位信號與計數單元的CPA連接，有幾個位。
圖3-5 10基-6基計數器轉換電路
十進制計數單元和十進制計數單元的電路結構分別與二位計數單元和二進制計數單元完全相同，除了十進制計數單元的Q3應連接到十進制計數單元的CPA作為上行進位信號，十進制計數單元的Q2應連接到當前位計數單元的CPA作為上行進位信號。
小時位計數單元的電路結構仍與秒或單位位計數單元相同，但要求整小時計數單元應為12的二進制計數器，而不是10的整數倍。因此，需要將單位和十進制計數單位合並為壹個整體來進行12的轉換。用1片74HC390實現12二進制計數。
另外，在圖3-6所示的電路中，余數二進制計數單元正好可以用來將分頻器的2HZ輸出信號轉換成1HZ信號。
圖3-6 12二進制計數器電路
4)解碼驅動和顯示單元
計數器實現時間的累加，並以8421 BCD碼的形式輸出。選擇顯示解碼電路將計數器的輸出數字轉換成數字顯示器件所需的輸出邏輯和壹定的電流。顯示解碼電路選用CD4511+0，顯示單元電路選用LED數碼管。
5)定時電源電路
需要重新接通電源的時間或者行走時有誤差。通常校正時間的方法是先切斷正常的計數通路，然後手動觸發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，校正後再轉入正常的計時狀態。
根據要求，數字鐘應具有分鐘校正和時間校正功能。因此，應切斷分、時位的直接計數通道，采用能隨時在正常計時信號和校正信號之間切換的電路接入。圖3-7顯示了帶有基本RS觸發器的時間校正電路。
圖3-7帶抖動消除電路的校正電路
6)整點電路
壹般鐘表都要有打點報時電路的功能，也就是壹個數字鐘會在整點前幾秒自動打點整點，作為提醒。它的作用是發出連續的或有節奏的音頻聲波，更復雜的，它還可以是實時語音提示。
根據要求，電路應在整點前10秒內開始報時，即時間從59分50秒到59分59秒時，報時電路應告知時間控制信號。報時電路應為74HC30，蜂鳴器應為電聲器件。
成分
1.實驗所需的設備
5V電源。
面包板1。
示波器
萬用表。
鑷子1。
剪刀1。
網線每人2米。
* * *六個八段數碼管。
CD4511集成塊6塊。
CD4060集成塊1塊。
74HC390集成塊是3塊。
74HC51集成塊1塊。
74HC00集成塊5元。
74HC30集成塊1塊。
五個10mω電阻。
500ω電阻14。
兩個30p電容。
32.768k時鐘晶體1。
門鈴
2.芯片內部結構圖和引腳圖
圖4-1 7400四2輸入與非門圖4-2 CD4511BCD七段解碼器/驅動器
圖4-3 CD4060BD圖4-4 74HC390D
圖4-5 74HC51D圖4-6 74HC30
3.面包板內部結構圖。
面包板右側豎著五組柱子，下面五組豎著。在面包板的左側，有四組，其中X和Y列(0-15，16-40，41-55，ABCDE，FGHIJ和E和F)沒有連接。
幾個功能塊的電路圖
壹個CD4511和壹個LED數碼管連接，組成CD4511驅動電路，數碼管可以顯示從0-9，檢查數碼管的好壞，如圖5-1所示。
圖5-1 4511驅動電路
使用LED數碼管，連接壹個CD4511、壹個74HC390和壹個74HC00組成十進制計數器。在晶體振蕩器的作用下，數碼管顯示從0到9，如圖5-2所示。
圖5-2 74390十進制計數器
用壹個LED數碼管，壹個CD4511，壹個74HC390，壹個74HC00和壹個晶體振蕩器連接起來組成壹個十六進制計數器。數碼管顯示從0到6，如圖5-3所示。
圖5-3 74390十六進制計數器
十六進制電路由十六進制電路和十進制電路連接而成。電路可以顯示從0到59，如圖5-4所示。
圖5-4六十進制電路
兩個六十進制電路用來合成壹個雙六十進制電路，兩個六十進制電路之間有壹個進位，如圖5-5所示。
圖5-5雙六十進制電路
使用CD4060，電阻和晶體振蕩器連接成分頻晶體振蕩器電路，如圖5-6所示。
圖5-6分頻器-晶體振蕩器電路
用電阻連接74HC51D和74HC00，形成時間校準電路，如圖5-7所示。
圖5-7時間校準電路
用74HC30和蜂鳴器連接組成報時電路。見附圖5-8。
圖5-8小時報時電路
圖5-9是用兩個六十進制和壹個十進制連接成壹個可以攜帶時、分、秒的電路總圖。
圖5-9時、分、秒進位連接圖
總接線組件布置圖見附圖6-1。
芯片連接圖見附圖7-1。
八。摘要
設計過程中遇到的問題及其解決方法。
在檢測面包板狀況的過程中，應該連接的地方沒有連接。後來發現萬用表筆尖與面包板內側沒有垂直接觸。
在測試CD4511的驅動電路過程中，發現數碼管無法正常顯示。發現主要是接觸不良，包括導線接觸不良和芯片接觸不良。在實驗過程中，數碼管的幾段二極管時隱時現。數碼管用5V電源測試，壹端接地，另壹端接觸每壹段二極管。如果發現二極管能正常顯示，那麽用萬用表歐姆檔檢測每根導線是否接觸良好。在檢測過程中，發現幾根線有時能連上，有時連不上。重新連接接觸不良的電線後，發現可以正常顯示。其次，由於芯片接觸不良的問題，用萬用表歐姆檔檢測到幾個應該連接的引腳沒有連接，但是檢測到的導線狀況良好。解決方法是拔出CD4511的芯片，根據面包板孔的情況重新調整其引腳，然後將芯片均勻插入面包板。之後發現可以正常顯示。在這個實驗中，我們還發現了壹個壞的LED數碼管和兩個壞的CD 4511，更換後可以正常顯示。
在連接晶振的過程中，晶振無法啟動。排除導線與芯片接觸不良問題後，再次查看電路圖，發現12腳沒有接地。
在連接十六進制的過程中，發現電路只能跳4和5，但後來發現是連接與非門的管腳錯誤造成的，修正後可以正常顯示。
在連接校正電路的過程中，可以正常校正時間和分鐘，但秒受到影響。特別是時間是壹分鐘的時候，秒從40跳到59，再跳回40，分秒之間沒有進位。電路在攜帶時、分、秒的過程中能夠正常顯示，因此可以消除芯片與布線接觸不良的問題。經檢查，校正電路的接線沒有錯誤。之後用萬用表的DC電壓範圍給10秒的QA、QB、QC、QD引腳充電，發現QA引腳有電壓，QA引腳無電壓，然後檢測秒到分、分的進位端，發現秒到分的進位沒有拉出來。
在制作報時電路的過程中，發現蜂鳴器在57分59秒開始報時。後來通過檢測電路發現，74HC30芯片是作為16引腳的芯片連接的，所以接線放錯了，重新連接後可以正常報時。
連接分頻電路時，斷開時針的QD和時針的1引腳，然後將時針的1引腳連接到晶振的3引腳，時針的3引腳連接到秒針的1引腳。連接的電路圖無法正常工作。當小時位從0跳到9時，小時位只能顯示壹個0，本電路采用3腳分頻。所以可以空出壹個12二進制連接74HC390的邏輯電路進行分頻。因此，十位數的CD4511的12腳和6腳接地，7腳接74HC390的5腳，74HC390的3腳和4腳斷開，然後4腳接9腳，其中
2.設計經驗
在這個數字鐘的設計過程中，我更加熟悉了芯片的結構，掌握了各個芯片的工作原理和具體用法。
在十六進制、十進制、六進制進位和十進制的連接中，要求熟悉邏輯電路和芯片的引腳的作用，以便在電路出現故障時，能準確地發現錯誤，及時糾正。
設計電路時，物理圖往往是仿真後連接的，但有時仿真和電路連接並不完全壹致。比如在仿真的連接原理圖中，往往沒有高電平的16或14引腳和低電平的7或8引腳，所以在實際電路連接中往往容易遺漏。再比如74HC390芯片，它本身就是十進制計數器，必須接在模擬電路中。
設計電路連接圖出現錯誤的主要原因是布線與芯片接觸不良和布線錯誤。
3.對設計的建議
這個數字鐘設計重點是模擬和布線。雖然能連接電路圖並正常顯示，但對電路本身的原理不是很熟悉。總的來說，通過這個設計性實驗，進壹步增強了實驗的動手能力。