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Question

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Answer 1

　　电子工艺实习报告

　　2009.06.25
　　一、设计题目: 数字时钟
　　数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。从数字钟原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。因此，我们此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟。而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法
　　二、内容摘要:
　　1．画出总体设计框图，以说明数字钟由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向和频率变化。并以文字对原理作辅助说明。
　　2．设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。
　　3．选择合适的元器件，在面包上接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。
　　4．在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和布线，进行合理布局，进行整个数字钟电路的接线调试。
　　三、设计报告内容要求:
　　1．目的。
　　2． 设计指标
　　① 时间以12小时为一个周期；
　　② 显示时、分、秒；
　　③ 具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；
　　④ 计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；
　　⑤ 为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。
　　3．画出设计的原理框图，并要求说明该框图的工作过程及每个模块的功能。
　　4．元器件清单。
　　5．设计制作的进程，考虑时钟及控制信号的关系、测试、验证的顺序，写出自己的工作进程。
　　6．画出各功能模块的电路图，加上原理说明（如2、5进制到10进制转换，10进制到6进制转换的原理，个位到十位的进位信号选择和变换等）。
　　7．画出总布局接线图（集成块按实际布局位置画，关键的连接单独应画出，计数器到译码器的数据线、译码器到数码管的数据线可以简化画法，但集成块的引脚须按实际位置画，并注明名称。）
　　8．描述设计制作的数字钟的运行结果和操作。
　　9．总结。
　　10．设计过程中遇到的问题及解决办法
　　11．课程设计过程体会
　　对课程设计内容、方式、要求等各方面的建议。
　　四、比较和选定设计系统方案 ，画出方框图
　　方案一∶基本门电路搭建——用基本门电路来实现数字钟，电路结构复杂，故障系数大，不易调试
　　方案二∶单片机编程——用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式，所以电路结构简单、调试也相对方便。与第一种方案比较优点是非常明显的。我们选择了第二种方案
　　五、电路设计、参数计算、元器件选择
　　数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟
　　如图所示为数字钟的一般构成框图。（（（（画咱那电路图）））））
　　4511构成译码驱动电路
　　4060构成脉冲发生及分频电路
　　74390 构成十进制计数器 74390构成六进制计数器
　　74390构成六十进制计数器
　　校时电路（分校时时，不会进位到小时）
　　⑴晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
　　⑵分频器电路分频器电路：将32768Hz的高频方波信号经32768()次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。。
　　⑶时间计数器电路：时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,时个位和时十位计数器为12进制计数器。
　　⑷译码驱动电路：译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
　　⑸数码管：数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计提供的为LED数码管。
　　六、画出完整电路图，并说明电路工作原理
　　1)晶体振荡器电路
　　晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定。
　　一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类,一类是用TTL门电路构成;另一类是通过CMOS与非门构成的电路,如图1。2所示,从图上可以看出其结构非常简单。该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路,如数字钟,电子计算机,数字通信电路等。
　　CMOS与非门U1与晶体,电容和电阻构成晶体振荡器电路,U2实现整形功能,将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻为与非门提供偏置,使电路工作于放大区域,即与非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容C1,C2与晶体构成一个谐振型网络,完成对振荡频率的控制功能,同时提供了一个180度相移,从而和与非门构成一个正反馈网络,实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性,从而保证了输出频率的稳定和准确。
　　2)分频器电路
　　通常,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到1Hz的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行分频。
　　通常实现分频器的电路是计数器电路,一般采用多级2进制计数器来实现。例如,将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768(),即实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。常用的2进制计数器有74HC393等。
　　3)时间计数单元
　　时间计数单元有时计数,分计数和秒计数等几个部分。
　　时计数单元以24进制计数器,其输出为两位8421BCD码形式;分计数和秒计数单元为60进制计数器,其输出也为8421BCD码。
　　一般采用10进制计数器如74HC290,74HC390等来实现时间计数单元的计数功能。欲实现24进制和60进制计数还需进行计数模值转换。
　　4)译码驱动及显示单元
　　计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出,为了将计数器输出的8421BCD码显示出来,需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流,一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。
　　常用的7段译码显示驱动器有CD4511。
　　5)校时电源电路
　　当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常,校正时间的方法是:首先截断正常的计数通路,然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态即可。
　　七、组装调试内容
　　1、使用的主要仪器仪表
　　2测试电路的方法和技巧
　　用示波器检测集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器的输出信号波形和频率，555振荡器输出频率应为1000HZ。
　　将频率为1000Hz的信号送入分频器，并用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合设计要求。
　　将1秒信号分别送入"时"、"分"、"秒"计数器，用显示器检查计数器的工作情况，看计数器是否按设计的进制计数。
　　3、测试数据波形并与计算结果比较分析
　　4、调试中的故障原因及纠正
　　① 面包板测试
　　测试面包板各触点是否接通。
　　② 七段显示器与七段译码器的测量
　　把显示器与CD4511相连，第一次接时，数码管完全没有显示数字，检查后发现是数码管未接地而造成的，接地后发现还是无法正确显示数字，用万用表检测后，发现是因芯片引脚有些接触不良而造成的，所以确认芯片是否接触良好是非常重要的一件事。
　　③ 时间计数电路的连接与测试
　　六进制、十进制都没有什么大的问题，只是芯片引脚的老问题，只要重新插过芯片就可以解决了。但在六十进制时，按图接线后发现，显示器上的数字总是100进制的，而不是六十进制，检测后发现无论是线路的连通还是芯片的接触都没有问题。最后，在重新连线时发现是线路引脚接错造成的，改过之后，显示就正常了。
　　④ 校正电路
　　因上面程因引脚接错而造成错误，所以校正电路是完全按照仿真图所连的，在测试时，开始进行时校时时，没有出现问题，但当进行到分校时时，发现计数电路的秒电路开始乱跳出错。因此，电路一定是有地方出错了，在反复对照后，发现是因为在接入校正电路时忘了把秒十位和分个位之间的连线拿掉而造成的，因此，在接线时一定要注意把不要的多余的线拿掉
　　八、总结设计电路和方案的优缺点、实用价值、改进意见
　　1、容易出现故障为接触不良。
　　a)集成块引脚方向预先弯好对准面包板的金属孔，再小心插入。
　　b)导线的剥线长度与面包板的厚度相适应（比板的厚度稍短）。
　　c)导线的裸线部分不要露在板的上面，以防短路。
　　d)导线要插入金属孔中央。
　　2、按照原理图接线时首先确保可靠的电源和接地。
　　3、注意芯片的控制引脚必须正确接好。
　　4、检查故障时除测试输入、输出信号外，要注意电源、接地和控制引脚。
　　5、要注意芯片引脚上的信号与面包板上插座上信号是否一致（集成块引脚与面包板常接触不良）。
　　6、为了便于测试，可将2Hz信号直接输入到各级计数器。
　　7、接校时电路时可接模拟信号输入（如1Hz和2Hz）测试输出信号的切换正确后，再将秒进位和分进位信号接到校时电路，再接校时电路输出到分计数器和时计数器。
　　8、从较时电路接入信号时，必须将原进位信号拔掉。
　　九、使用元器件规格
　　5V电源。
　　面包板1块。
　　示波器。
　　万用表。
　　镊子1把。
　　剪刀1把。
　　网络线2米/人。
　　共阴极八段数码管6个。
　　CD4511集成块6块。
　　CD4060集成块1块。
　　74HC390集成块3块。
　　74HC51集成块1块。
　　74HC00集成块5块。
　　74HC30集成块1块。
　　10MΩ电阻5个。
　　500Ω电阻14个。
　　30p电容2个。
　　32。768k时钟晶体1个
　　十、参考文献
　　（（（课本最下面的脚注写了好多文献，自己抄）））
　　十一、收获体会
　　时光荏苒，光阴易逝，转眼间一周的时间过去了，回首这一周，我们的成果是令人满意的，这次实验设计也画上了一个圆满的句号。这次课程设计的主题是数字电子钟，在设计中需要用到振荡电路等通过设计使我更进一步加深了对电的认识和理解。在设计中，首先是先老师讲解原理，然后开始设计，在设计的过程中还学到不少东西的，由于有些芯片我们在数字电子技术基础里没有学过的，我们在查找资料的过程中就学到很多东西，有些芯片本来我们不懂的，但是经过查资料、老师讲解使我们对有些不是懂的芯片有了一定的了解。
　　通过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真成功之后才实际接线的。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。通过这次设计，在很高程度上弥补了我们的理论知识的不足，通过设计进一步巩固了我们的理论知识，让我们学的更扎实，对数电的认识更加形象。
　　总之，这次实习带给我很大的收获，再一次感谢学校给我们一个展现自己设计才能的机会，这对我们以后的工作和学习都有很好的作用。