数字钟实验报告

数字钟实验报告

班级：电气信息I类112班

实验时间：

实验地点：

指导老师：

目录

一、实验目的--------------------------------------------------------------------------------------------------------------3

二、实验任务及要求-----------------------------------------------------------------------------------------------------3

三、实验设计内容--------------------------------------------------------------------------------------------------------3

(一)、设计原理及思路---------------------------------------------------------------------------------------------3

（二）、数字钟电路的设计----------------------------------------------------------------------------------------4

(1)电路组成------------------------------------------------------------------------------------------------------4

(2)方案分析------------------------------------------------------------------------------------------------------10

(3)元器件清单---------------------------------------------------------------------------------------------------11

四、电路制版与焊接------------------------------------------------------------------------------------------------------11

五、电路调试---------------------------------------------------------------------------------------------------------------12

六、实验总结及心得体会------------------------------------------------------------------------------------------------13

七、组员分工安排---------------------------------------------------------------------------------------------------------19

一、实验目的：

1．学习了解数码管，译码器，及一些中规模器件的逻辑功能和使用方法。2．学习和掌握数字钟的设计方法及工作原理。熟悉集成电路的引脚安排，掌握各芯片的逻辑功能及使用方法了解面包板结构及其接线方法。

3．了解PCB板的制作流程及提高自己的动手能力。

4．学习使用protel软件进行电子电路的原理图设计、印制电路板设计。

5．初步学习手工焊接的方法以及电路的调试等。使学生在学完了《数字电路》课程的基本理论，基本知识后，能够综合运用所学理论知识、拓宽知识面，系统地进行电子电路的工程实践训练，学会检查电路的故障与排除故障的一般方法锻炼动手能力，培养工程师的基本技能，提高分析问题和解决问题的能力。

二、实验任务及要求

1．设计一个二十四小时制的数字钟，时、分、秒分别由二十四进制、六十进制、六十进制计数器来完成计时功能。

2．能够准确校时，可以分别对时、分进行单独校时，使其到达标准时间。3．能够准确计时，以数字形式显示时、分，发光二极管显示秒。

4.根据经济原则选择元器件及参数；

5..小组进行电路焊接、调试、测试电路性能，撰写整理设计说明书。

三、实验设计内容

1、设计原理及思路

3．1数字钟的构成

数字钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、较时电路、报时电路等部分组成，这些都是数字电路中应用最广的基本电路

3．2原理分析

数字钟实际上是一个对标准频率（1Hz）进行计数的计数电路。振荡器产生的时钟信号经过分频器形成秒脉冲信号，秒脉冲信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。秒计数器电路计满60后触发分计数器电路，分计数器电路计满60后触发时计数器电路，当计满24小时后又开始下一轮的循环计数。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可以对分和时进行校时。

图1 基本框图

从上图可知，数字钟由以上各部分电路组成。

振荡器产生的1Hz的脉冲作为数字钟的标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器个位进位，分计数器计满60后向小时计数器个位进位并且小时计数器按照二十四进制计数。计数器的输出经译码器送显示器。校时电路可分别对时、分进行单独校时，以达到标准时间。

由框图可知电路主要由振荡电路、计数电路、显示电路以及校时电路四大部分组成。下面将对各部分电路进行设计:

2、数字钟电路的设计

数字钟电路主要由振荡电路、计数电路、显示电路以及校时电路四大部分组成。下面将对各部分电路进行设计。

以下是本实验所设计的方案：

1、电路组成：

（1）振荡电路

振荡电路振荡电路由555定时器和电阻，电容串并联构成。图示电路即可产生1HZ的标准秒脉冲，用于电路的计时的脉冲电路原理图如图11所示：

图11 555定时器的脉冲电路

在采用此方案之前，是用555定时器产生1KHZ的脉冲信号，然后再用三个160计数器依次分频得到1HZ的计数脉冲，虽然用555加接电容和电阻会因没有十分合适的电阻阻值而不是十分的精确，但我们在实验室里接成电路后发现没有很大的区别。这样子不仅少了些元器件更加的经济，而且电路更简单，在后面画PCB 图时会省去很大的的麻烦，后来在实验的过程中也确实证明了这一点。

（2）计数电路

计数电路分别有二十四进制和六十进制的计数器电路组成，对标准脉冲进行计数，用74ls160实现计数，时分电路图如图3、图4所示：

时的计数电路实行二十四进制，当到达24小时时，进行清零后又开始新的计数来循环。计数电路通过输入端进行与非后的输出来实现。当秒的计数到达59时，再来一个脉冲时，上升沿触发，进到分的个位，同时秒实行置数。当分的计数到达59，同时秒的计数到达59，再来一个脉冲后，分将进位到时的个位，同时秒与分实现置数，当时计数到23时，秒、分计数到59、59 时，再来一个脉冲将实现整体置数，显示管显示为00 00 00。

图3 二十四进制计数器

分秒的计时电路；

通过输入1HZ的脉冲到秒计数器，当第一片计数器到达9时，再下一个脉冲来时到达上升沿时进行进位，秒的十位开始计数，依次循环，当秒的十位到达5、个

位到达9时，接着下一个脉冲来时，将进行秒到分的进位，分实行六十进制后，再进位到时

图4 六十进制计数器

2 计数器工作原理：

（3）显示电路

显示器电路由七段显示译码器和电阻构成，用于将时分秒以十进制数码显示出来。译码器是编码的逆过程，能够将输入的每个二进制代码赋予的含义“翻译”过来，给出相应的输出信号，译码器的电路图如图4所示：本次实验所用的为共阴数码管。

其电路如图5所示，当给其中某些段落加有一定驱动电压或电流时，这些段会发光，把输入的二-十进制代码转换成十进制码，显示出相应的十进制数码。

图5 译码显示电路图

对电路中的主要元件及功能介绍

a.译码器74LS48

译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的工作是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信号等。译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。在电路中用的译码器是共阴极译码器74LS48用74LS48输入的8421BCD 码ABCD译成七段输出a-g，再由七段数码管显示相应的数。管脚LT、RBI、BI/RBO 都是低电平是起作用，作用分别为：

LT为灯测检查，用LT可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。

BI是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。

RBI是灭零输入，可以按照需要将显示的零予以熄灭。BI/RBO是共用输出端，RBO称为灭零输出端，可以配合灭零输出端RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提高视图的清晰度。

b.显示器

在此电路图中所用的显示器是共阴极形式，阴极必须接地线。Dpy Blue-CC

的管脚功能图如图7所示：

图7 数码管

（4）电源适配器电路

本次试验配备了一个电源适配器，用适配器直接接220V电源，另一端接数字钟即可用，所以本试验没有电源适配器电路。

（5）校时电路

由于设置时所导致的时间误差，通常使数字钟上锁显示都是时间与标准时间不一致，这时就需要用校时电路对时和分进行单独校时，将时间调到标准时间。校时电路通过一个开关与外电路连接。外电路是用一个琴键开关连接电源和地线，中间用了一个保护电阻。当开关打到校时电路时，电路是低电平，每按一次琴键开关就产生一个高电平，即产生一个上升沿脉冲，令计数器加1，从而达到校时功能。其电路如图如下。

图 9 校时电路原理图

如上图，开关S2接上端时正常计数，接下端是进入校时电路。当琴键开关没按下时，输入S2的是低电平，当琴键开关按下时，输入S2的是高电平，从而达到每按一下琴键开关即输出一个脉冲的效果，达到校时的功能。

结合上述的电路，可得出完整的电路：

整体电路的PCB图

2、方案分析：

该方案采用555定时器产生1Hz的脉冲信号作为信号输入，时钟计数部分用六片74LS160进行设计，分别实现时的二十四进制和分、秒的六十进制。校时电路部分采用两个双刀双掷开关来控制，当开关打到琴键开关端时，计数器停止计数，电路进行校时，每按一次记一个数，直到校时完成，将开关打到进位脉冲端，计数器进行正常计数。显示电路用六片共阴数码管构成，分别用来显示时、分、秒。设计该方案的脉冲部分是通过了解当555定时器连接不同阻值的电阻和电容可以产生不通频率的脉冲，在实验时通过脉冲电路可以方便的得到所需的脉冲。在计数部分，由于已经学到了计数分频的知识，理解懂得74LS160的工作原理，因此采用74LS160来实现计数，原理比较容易理解。该方案的显示电路采用了六片共阴的数码管以及搭配的六片74LSO48的译码器。在设计时也比较的简

单，要注意数码管的接线问题，总体来说，该方案的可行性较高，只要在脉冲和

计数那块正确基本原理可以实现时钟计时的功能。

3、元器件清单

四、电路制板与焊接

1.制板

根据原理图通过自己手动布线生成了PCB图。然后拿到实验室去印制。领取给定的电路板并用皮刷刷干净，晾干。将打印纸上有Nacl的一面铺在电路板上在转印机里面转印，注意转印过程中要用手指轻轻压住电路板防止纸滑脱电路板，影响转印效果，此过程要进行6到7遍，一般来说当你压电路板的手指感到有点烫手了就差不多了。

转印完了之后用记号笔将电路板上不清楚的线补上，确定电路板上的线路没有问题之后用三氯化铁腐蚀，老师所给的三氯化铁溶液是已经配制好了的，只要加一些热水是其溶液莫过电路板就可以了。然后在用另一个盆子加些热水放在装有电路板的盆子下面加快腐蚀速度，并用手轻摇装有电路板的盆子。

腐蚀完了，在用水冲洗，用手洗去电路板表面未被冲净的残留物并用吸水纸擦干。接下来就是将电路板放到打孔机上进行打孔。

2. 焊接

电路板打孔后，下一步就是焊接器件了。焊接时，先焊接小的器件，例如电阻、电容，再者把管脚再焊上电路板，最后焊接开关、飞线。另外，要注意焊接时，锡不能粘一起，不小心粘一起的可用松香溶掉，重新焊接。焊完后，仔细检查焊脚，确保没有虚焊。

五、电路调试

在本设计中，为了设计的顺利进行，我们在实验箱上进行了部分调试，因为电路太复杂，在实验箱上不可能整体电路进行调试。其他电路在仿真软件上进行了仿真后可以实现功能，调试完后就去打印、转印PCB制版了进行焊接等操作了。

1．计数电路部分

在焊接完成后，对计数电路进行了调试，一开始发光二极管不亮，后来进过检查发现了那个IN4007接反了，于是调了一下正负极后，灯亮了，而且计数电路可以正常计数，每个部分都执行了相应的计数，进位也没有问题。

2．校时电路部分

在整个电路的设计中，需要用到两个校时电路，两个校时电路的功能相同，调试的结果是：当开关断开时，分计数电路，小时计数电路正常计数，当开关闭

合时，校时电路进行校时。只是有时松开按键时，较时数会有点误变化，经过仔细分析，确定是由于在松按键时产生了抖动，如果接上R-S触发器就能够消抖。此次由于没有用R-S触发器进行消抖，发现每次校时偏差抖好大，因此校时电路这部分只能算是成功了一半。

六、实验总结及心得体会

这次数字钟综合设计实验前前后后弄了差不多一个月，在初次听说要做这个实验时。我是很高兴的，因为这是一个绝好的机会让我们做到理论联系实际。刚刚学过了数电这门课程，还没完全弄懂某些元器件的原理和用途，这次实验让我们从实践中加深了对所学知识的理解。

我们立刻组好队伍，选定队长，明确了个人在实验中的具体任务，做到责任到人，这样就保证整个团队的办事效率，不会出现你推我推，没人干事的局面。在初次设计原理图时，就遇到了些困难，但是问题不大，经过我们的相互讨论，集思广益后，很轻松的画出了原理图。为了保证正确，我们采纳了老师的建议，到实验室进行接线实验，发现不是很准确，就去问老师，减去了些不必要的线，对电路原理图进行了修改，把160分频换成了555直接产生1HZ的脉冲。

接下来就进行原理图的电子绘制了，用protel软件画原理图是一件陌生的事，在简单的听取老师讲解之后，还是不清楚，就在网上下载视频学习，这是一个比较漫长的过程。边学边用，不会了就去问同学和老师。由于有时间的限定，经常弄到晚上一两点，但是想到学习本来就是一件艰苦的事，大家一起弄一个东西时有感觉很值得。那个时候真是十分的投入。这时我才感觉这是一件艰难的事，当初的兴奋劲减了不少。

问题最大的是PCB的绘制，刚开始时我们把各个参数设定好，采用自动布线再把那些不能连的脚用飞线连接，就以为可以了。交给老师看才发现这样子不行，这无疑是一个巨大任务，手动连线，。画了四五个图，问了老师好多遍，每次总有些改进和收获。在这个过程中，板子的大少又改了，又要重画，那是大多数时间都投入进去了。我们一直都认为飞线是个最大的问题，所以采取从焊盘中间穿过。后来发现我们错了，最重要的是数字钟能正常工作，好看不看好看是次要的。这个过程花的时间最多用了好几个礼拜。艰难但最后弄出来了，

最后是印板子，钻孔，焊原件。没有印好，只有用笔瞄了，真心体会到难了。焊接时要主要布线和焊点的合理分布，我们尽量做到美观。实际焊接过程中，要保证焊笔不要碰到已经焊好的线，否则焊好的线很容易脱落。每焊接完一部分电路，就立即进行调试。插拔集成芯片时用力要均匀，避免芯片管脚在插拔中变弯、折断。但我们在操作时，时常焊在一起，只有用小刀划开，五个人轮流干活，痛并快乐着。

在整个实验过程中，我们也学到很多的东西。加强了团队合作精神，磨练了我们的意志力。我们各人之间好好的配合，分工合作，设计过程没有一团乱麻。更为可贵的是，我们彼此鼓励，同舟共济地处理每个问题。加强我们对电子器件的了解。我们又学会了新的软件，此次课程设计恰恰提供了一个好机会，让我们从实践中加深了对所学知识的理解，提高了我们的动手能力，

总的来说这次课程设计一切都安排得很合理，但就是将近期末了，有些同学做到最后就不耐烦了，我们组里大家相互鼓励，都很努力坚持下来了，虽然最后没能计时，但是这个过程我们真正的参与了。

七、组员分工安排

姓名：刘盛清

学号：6100211050

电一 112 班