數(shù)字電子電路課程設(shè)計報告(終稿)

1、 題目名稱：數(shù)字鐘的設(shè)計與制作 姓 名： 鄧鄒超 班 級： 電信121 學(xué) 號： 201233285123 日 期： 2014年12月18日 數(shù)字電子電路課程設(shè)計任務(wù)書 一、課程設(shè)計任務(wù)（即要求）：課程設(shè)計題目：數(shù)字鐘的設(shè)計與制作（一）設(shè)計指標(biāo)：1顯示時、分、秒。采用24小時制。2制作、調(diào)試出一個具有直流電源、簡易信號源及用來計“時”“分”“秒”的數(shù)字鐘系統(tǒng)。并按照直流電源、簡易信號源、及“秒”、“分”進(jìn)位和“時”循環(huán)進(jìn)位是否正常給予不同記分。3.具有校時功能，可以對小時和分單獨校時，對分校時的時候，停止分向小時進(jìn)位。校時時鐘源可以手動輸入或借用電路中的時鐘。（二）具體要求：1制作、調(diào)試數(shù)字鐘

2、實物 ；要求焊接、調(diào)試出一個具有直流電源、簡易信號源及用來計“時”“分”“秒”的數(shù)字鐘系統(tǒng)。2按設(shè)計任務(wù)書的要求的格式，撰寫或打印課程設(shè)計報告書。3設(shè)計總結(jié)和答辯。（三）實驗儀器、工具：1 共陽（共陰）七段數(shù)碼管/計數(shù)器/譯碼驅(qū)動集成電路。2 導(dǎo)線/電阻/電容/石英晶體/變壓器等。3示波器、萬用表。（四）設(shè)計報告要求：格式要求：（見附錄）內(nèi)容要求：1. 畫出設(shè)計的原理框圖，并要求說明該框圖的工作過程及每個模塊的功能。 2. 畫出各功能模塊的電路圖，加以原理說明（如10進(jìn)制到6進(jìn)制轉(zhuǎn)換的原理，個位到十位的進(jìn)位信號選擇和變換等）。3.描述設(shè)計制作的數(shù)字鐘及其運行結(jié)果。說明測試中出現(xiàn)的故障及其排除方

3、法4.總結(jié)：設(shè)計過程中遇到的問題及解決辦法；課程設(shè)計中的心得體會；對課程設(shè)計內(nèi)容、方式、要求等各方面的建議。5.附錄1：畫出總布局接線圖（集成塊按實際布局位置畫，關(guān)鍵的連接單獨應(yīng)畫出，計數(shù)器到譯碼器的數(shù)據(jù)線、譯碼器到數(shù)碼管的數(shù)據(jù)線可以簡化畫法，但集成塊的引腳須按實際位置畫，并注明名稱。）（或附上實物照片）6. 附錄2：元器件清單。（五）課程設(shè)計參考資料1.彭介華主編：數(shù)字電子電路課程設(shè)計指導(dǎo)，高等教育出版社，2002年出版。2鄭步生. Multisim2001電路設(shè)計及仿真入門與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.20023高吉祥主編數(shù)字電子電路基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計北京：電子工業(yè)出版社，20024揚志亮. P

4、rotel99SE電路原理圖設(shè)計技術(shù) .西北工業(yè)大學(xué)出版社. 200256二、設(shè)計計算1. 總體方案設(shè)計圖1電路設(shè)計總體框圖在動手焊接硬件電路前我們對總體電路進(jìn)行了設(shè)計，并在Multisim中進(jìn)行仿真并獲得成功。我們的電路由6個共陰數(shù)碼管、6個CD4511顯示譯碼器、6個161芯片、兩個74LS00與非門芯片、一個74LS04非門芯片組成。工作原理是這樣的：首先在最低位的161芯片的時鐘引腳輸入脈沖信號，于是最低位的161芯片開始計數(shù)，與此同時161的輸出和CD4511的數(shù)據(jù)輸入口相連接，并驅(qū)動共陰數(shù)碼管顯示具體數(shù)值。等到計數(shù)滿10的時候它的Q4和Q2引腳會同時變高，于是在以Q4和Q2為輸入端

5、的與非門的輸出產(chǎn)生一個下降沿，這個下降沿將輸入到異步清零端，迅速將計數(shù)狀態(tài)置為0， 這在數(shù)碼管上的表現(xiàn)就是從9跳變到0.這樣就實現(xiàn)了秒的各位的計數(shù)。其它5個數(shù)碼管的工作方式都和第一個相同，區(qū)別在于進(jìn)位時的數(shù)值不同，秒的個位和分的個位都是在10的時候產(chǎn)生進(jìn)位信號秒的十位和分的十位都是在6的時候產(chǎn) 生進(jìn)位信號，這樣在秒到分、分到時就實現(xiàn)了60進(jìn)制。需要特別之處的就是時的十位的清零。時的個位依舊是計數(shù)到10的時候向前進(jìn)位并進(jìn)行本位清零，但是它還要增加一個清零的條件，因為時鐘是24進(jìn)制的所以當(dāng)時的十位等于2并且時的個位等于4的時候也要進(jìn)行本位清零。同時這個清零條件也是時的十位清零的唯一條件，這樣一來時

6、就能實現(xiàn)24進(jìn)制了。功能實現(xiàn)：將外部的信號激勵源接入最低位的時鐘輸入端，我們可以看到數(shù)字鐘的前五位都是零，最低位開始走，滿10后向前進(jìn)一位。加大輸入信號的頻率，時鐘速度變快。最后可以看到當(dāng)時鐘走到23時59分59秒的時候，下一刻就全部清零，從頭開始。2單元電路設(shè)計：各個元器件的原理和功能說明：2.1 BCD碼鎖存7段顯示譯碼器（1）芯片功能CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動器，用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器。具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動共陰LED數(shù)碼管。（2）引腳圖和

7、真值表圖2 CD4511引腳圖 圖3 CD4511芯片真值表（3）使用方法其中a b c d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應(yīng)加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。ag是 7 段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。 下圖是 CD4511和 CD4518配合而成一位計數(shù)顯示電路，若要多位計數(shù)，只需將計

8、數(shù)器級聯(lián)，每級輸出接一只 CD4511 和 LED 數(shù)碼管即可。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時可使用300的限流電阻。2. 同步加法計數(shù)器74LS161（1）芯片功能74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器，他可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能（2）引腳圖和真值表圖4 74LS161引腳圖圖5 74LS161真值表（3）使用方法從74LS161功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異

9、步復(fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO=Q0Q1Q2Q3CET。合理應(yīng)用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。3.74LS00（1）芯片功能74LS00 為四組 2 輸入端與非門（正邏輯），實現(xiàn)對輸入信號的與運算。（2）引腳圖和真值表圖6 74LS00芯片引腳圖圖7 74LS0

10、0芯片真值表4.74LS04(1) 芯片功能74LS04 為六組反相器,對輸入的信號實現(xiàn)取反運算。（2）引腳圖和真值表圖9 74LS04芯片真值表圖8 74LS04芯片引腳圖5.數(shù)碼管 圖10 數(shù)碼管實物圖圖11 數(shù)碼管引腳圖3總體電路（1）數(shù)碼管： 圖12 6個共陰極數(shù)碼管 六個數(shù)碼管都是共陰極連接，每個含有A、B、C、D、E、F、G分別對應(yīng)數(shù)碼管中七個不同位置的發(fā)光二極管。當(dāng)A、B、C、D、E、F、G端輸入高電平可以點亮對應(yīng)的發(fā)光二極管。（2）七段碼譯碼器 圖13 CD4511線路圖CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動器，用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的

11、BCD 碼七段碼譯碼器。BI：輸出消隱控制端 ；EL：數(shù)據(jù)鎖定控制端；LT：燈測試端；當(dāng)LT=BI=高電平，EL=低電平時，數(shù)據(jù)輸入端DA、DB、DC、DD讀取并傳輸數(shù)據(jù)到七段式數(shù)碼管。（3）4位二進(jìn)制同步計數(shù)器 圖14 74LS161線路 74LS161為可預(yù)置的4位二進(jìn)制同步計數(shù)器，74LS161的清除端是異步的。當(dāng)清除端CLEAR為低電平時，不管時鐘端CLOCK狀態(tài)如何，即可完成清除功能。74LS161的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器LOAD為低電平時，在CLOCK上升沿作用下，輸出端QAQD與數(shù)據(jù)輸入端AD相一致。對于74LS161，當(dāng)CLOCK由低至高跳變或跳變前，如果計數(shù)控制端ENP、

12、ENT為高電平，則LOAD應(yīng)避免由低至高電平的跳變，而74LS161無此種限制。74LS161的計數(shù)是同步的，靠CLOCK同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當(dāng)ENP、ENT均為高電平時，在CLOCK上升沿作用下QAQD同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。對于74LS161，只有當(dāng)CLOCk為高電平時，ENP、ENT才允許由高至低電平的跳變，而74LS161的ENP、ENT跳變與CLOCK無關(guān)。74LS161有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計數(shù)溢出時，進(jìn)位輸出端（RCO）輸出一個高電平脈沖，其寬度為QA的高電平部分。（4）時鐘信號的產(chǎn)生采用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生需要的頻率，用以測試仿真的效果。圖15 Mu

13、ltisim中函數(shù)發(fā)生器 （5）線路連接注意事項i. 不能短路，防止虛焊，焊為小錐形狀，所有芯片都要接電源和地ii. 因為用的是CD4511 所以 CD4511 5角接低電平 3,4腳接高電平iii. 數(shù)碼管的3和8和5接低電平，3和8接低的原因是因為是共陰極（發(fā)現(xiàn)3和8焊一個角也可以，因為他們是連在一起的），而5接低電平原因是因為不讓數(shù)碼管的小數(shù)點亮，因為是整數(shù)進(jìn)位，沒有小數(shù)iv. 右邊四個與非門是一個74LS00 ，左邊兩個與非門是一個74LS00v. 六個非門用一個74ALS04vi. 最左邊放電源（地） 最右邊放地（電源），最有引出一條地線和一條電源線，另外還要引出一條線接實驗箱子上。

14、vii. 圖的最下面兩個 74LS74和CD4060B不接，在數(shù)字電路課程設(shè)計電路板上.viii. 布線要合理 否則最后板子焊接失敗。所以先排布好，再焊接。ix. 電阻在連接的時候最后選在一條通路上，這樣就可以減少很多焊點。其中很重要的一點是510的（很多個這樣電阻）電阻應(yīng)該和譯碼器連在同一個銅片上（豎）。這樣就可以少很多焊接點。x. 防止芯片燒掉，把所有的插座焊接好最后插芯片，不要插好后焊接(防止燒壞)。三 制作調(diào)試在制作之前：數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的鐘表。與機(jī)械鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，具有更長的使用壽命，已得到廣泛的使用。數(shù)字鐘的設(shè)計方法有許多種，例如我們將要

15、做的中小規(guī)模集成電路組成的電子鐘，也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘，還可以利用單片機(jī)來實現(xiàn)電子鐘等等。焊接之前尤為重要的是設(shè)計，和隊友討論了一個小時以及參考老師給的資料確認(rèn)了最后設(shè)計方案，我們打算放棄很難進(jìn)行焊接的統(tǒng)一的板子，而改用相對好拖焊的普通洞洞板。清點完元器件種類和個數(shù)，然后進(jìn)行一個簡單的元器件布局之后，焊接開始!在制作調(diào)試的過程中，遇到的問題有：圖16 設(shè)計時的稿圖1.剛開始的時候為了達(dá)到板子的美觀性和布線的簡約花了大量的時間在設(shè)計布局和芯片的管腳之間的連線中，下圖為局部布線的設(shè)計圖。2.在設(shè)計的時候由于采取了盡可能用來拖焊而少飛線的原則，導(dǎo)致了在

16、焊接時一旦出錯比較難改，甚至出現(xiàn)焊盤脫落的情況。3.在焊接結(jié)束之后，經(jīng)萬用表檢查無誤后，插上芯片進(jìn)行測試，這里要特別注意在插芯片的時候要小心仔細(xì)，不能插反或者再插不進(jìn)去的時候使勁按壓，導(dǎo)致芯片管腳折斷、彎曲的情況出現(xiàn)。全部焊好之后的背面圖如下圖所示。圖17 實物的背面連線圖4.在第一次測試的過程中，發(fā)現(xiàn)剛上電后6個數(shù)碼管全部顯示為零，符合理論的結(jié)果，于是向最低位的時鐘信號口加上激勵脈沖，發(fā)現(xiàn)最后一個數(shù)碼管有一段無法發(fā)光。解決方法：首先先看是否是焊接的問題，于是翻過去去看最后一個數(shù)碼管的電路（這里犯了一個錯誤，反過來的時候應(yīng)該檢查第一個數(shù)碼管的線路，由于是通宵焊接的這時候的腦子沒有轉(zhuǎn)過彎來），發(fā)

17、現(xiàn)最后一個數(shù)碼管的電路沒有問題，于是用烙鐵給每條電路過了一次錫，完事后反過來繼續(xù)檢測，發(fā)現(xiàn)非但最后一個數(shù)碼管沒修好，第一個數(shù)碼管也壞掉了（但是還沒有認(rèn)識到之前自己犯的那個錯誤）；于是我斷電后把這塊芯片和那外一個顯示正常的芯片進(jìn)行對換，再測試，發(fā)現(xiàn)問題依舊存在，這樣就排除是芯片壞掉的可能，然后用萬用表測試CD4511輸出引腳，發(fā)現(xiàn)那個不亮的引腳輸出是為1，但是數(shù)碼管不亮，同樣的第一個壞掉的數(shù)碼管也照樣是這樣的問題！這樣就確定是數(shù)碼管的問題，經(jīng)過反思發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不亮可能是因為在焊接的時候是直接焊數(shù)碼管的引腳的沒有用排座來當(dāng)?shù)鬃?，這么一下就要換掉數(shù)碼管，這個可是一個非常龐大的工程，在換的過程中一共脫落

18、了3個焊盤，整個加裝排座的過程共耗時2個小時，真是非常的艱辛，再加上一夜沒睡，所以當(dāng)最后全部顯示正常之后，激動萬分！5.在給數(shù)碼管加裝排座之后，進(jìn)行測試之前的哪些問題都解決了，可是新的問題又出現(xiàn)了，倒數(shù)第一個數(shù)碼管應(yīng)該由于頻率太快而顯示8這個字碼的，可是現(xiàn)在只顯示0，于是我把激勵信號的頻率變低，發(fā)現(xiàn)這個數(shù)碼管只顯示0和1兩個數(shù)碼值，經(jīng)過分析，推測可能是進(jìn)制位出錯，于是到后面檢查接線情況，果然發(fā)現(xiàn)有一根飛線斷了，飛線連接不穩(wěn)定導(dǎo)致短路便是使用飛線的一大弊端！改正這個錯誤之后，上電，測試，非常完美！數(shù)量描述RefDes封裝類型廢棄42RESISTOR, 500R1, R2, R3等-6SEVEN_

19、SEG_COM_KU16, U17, U18, U19, U20, U21Generic-1POWER_SOURCES, VDDGNDGeneric-1POWER_SOURCES, VCCVCCGeneric-274LS, 74LS00NU1, U2IPC-2221A/2222NO14174LS, 74LS04NU3IPC-2221A/2222NO14674LS, 74LS161NU4, U5, U6, U7, U8, U9IPC-2221A/2222NO167CMOS_5V, 4511BD_5VU10, U11, U12, U13, U14, U15, U25IPC-2221A/2222SO

20、T-74圖18 Multisim列出的元器件清單元器件清單和實物效果 圖19 實際效果圖四總結(jié)這次調(diào)試這個數(shù)字鐘，我們選了用一個通宵來焊接和調(diào)試，特別有比賽的感覺，在焊接的過程中，由于芯片的數(shù)量很多所以設(shè)計布局很重要，因為考慮到用學(xué)校發(fā)的板子焊接會發(fā)生跳線很多的情況，因此選用了自己手頭的洞洞板來焊接，不過在焊的過程中發(fā)現(xiàn)洞洞板也有它自己的弊端：在改正焊接錯誤的時候相當(dāng)麻煩，可能會導(dǎo)致焊盤的脫落，而且拖焊比較費時間。整個焊接大概用了8個小時，但在測試的時候并沒有這么一帆風(fēng)順。調(diào)試環(huán)節(jié)是一個作品設(shè)計中至關(guān)重要的一部分。調(diào)試是一個很復(fù)雜又繁瑣的過程，這就要求有耐心并分析現(xiàn)象。調(diào)試順利讓人愉悅，調(diào)試不順利則讓人發(fā)狂。特別是當(dāng)你飛線多的讓你看不清焊點的時候，基本上原理圖得在腦子里再多走幾遍。我們小組就在調(diào)試中有著各種起