設(shè)計(jì)要求

時(shí)間以24秒為一個(gè)周期，具有自動(dòng)清零功能。

前言

24進(jìn)制電子數(shù)字鐘是實(shí)現(xiàn)具有24進(jìn)制清零功能的電子鐘，它主要由脈沖、10進(jìn)制加法器74LS160、譯碼器74LS48、共陰極LED數(shù)碼管等四個(gè)模塊構(gòu)成。通過(guò)找課外書(shū),上網(wǎng)查找有關(guān)該課題方面的知識(shí),將課題提交給指導(dǎo)老師,同指導(dǎo)老師討論后課題可行。自學(xué)Multisim9和Protel軟件的操作,并進(jìn)行了防真實(shí)驗(yàn),在11號(hào)到15到學(xué)習(xí)制作印刷板并把領(lǐng)來(lái)的元器件裝上電路板,15號(hào)以后調(diào)試及寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告,在這過(guò)程中主要要掌握計(jì)數(shù)、譯碼和顯示原理的學(xué)習(xí)及焊接技術(shù)。

1.方案論證與對(duì)比

1.1 方案一

一、如圖1所示：首先由實(shí)驗(yàn)室提供震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，由74LS160采用同步清零法組成二十四進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器，使用74LS48為驅(qū)動(dòng)器，共陰極七段數(shù)碼管作為顯示器。

1.2 方案二

二、如圖2所示：首先由實(shí)驗(yàn)室提供震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，由74LS160采用異步清零法組成二十四進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器，使用74LS48為驅(qū)動(dòng)器，共陰極七段數(shù)碼管作為顯示器。

1.3 兩種方案的對(duì)比

相同點(diǎn)：兩方案都正確，而且他們的基本的設(shè)計(jì)思想相同。

不同點(diǎn)：同步計(jì)數(shù)器中各個(gè)觸發(fā)器都受同一個(gè)時(shí)鐘脈沖控制，當(dāng)輸入計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，要更新?tīng)顟B(tài)的觸發(fā)器同時(shí)翻轉(zhuǎn)。異步計(jì)數(shù)器中各個(gè)觸發(fā)器沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖，有的觸發(fā)器直接受輸入計(jì)數(shù)脈沖控制，有的觸發(fā)器則是把其他的觸發(fā)器輸出用作時(shí)鐘脈沖，當(dāng)輸入計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，要更新?tīng)顟B(tài)的觸發(fā)器，有的先翻轉(zhuǎn)，有的后翻轉(zhuǎn)。再者我們對(duì)異步清零電路更加了解。綜合以上考慮我們選擇第二種方案。

2、各功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)數(shù)器電路

集成計(jì)數(shù)器一般都設(shè)置有清零輸入端和置數(shù)輸入端，而且無(wú)論是清零還是置數(shù)都有同步和異步之分。有的集成計(jì)數(shù)器采用同步方式，即當(dāng)CP觸發(fā)沿到來(lái)時(shí)才能完成清零或置數(shù)任務(wù)；有的集成計(jì)數(shù)器則采用異步方式，即通過(guò)觸發(fā)器的異步輸入端來(lái)直接實(shí)現(xiàn)清零或置數(shù)，與CP信號(hào)無(wú)關(guān)。本設(shè)計(jì)采用具有2片十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74LS160（圖2-1-1）、一片與非門(mén)74LS00（圖2-1-2）和一片非門(mén)74LS04（圖2-1-3）。

由外加送來(lái)的進(jìn)位脈沖送入個(gè)位計(jì)數(shù)器，電路在進(jìn)位脈沖的作用下按二進(jìn)制自然序依次遞增1，當(dāng)計(jì)數(shù)到24，這顯示器個(gè)位輸出0011（也就是3），顯示器十位輸出0010（也就是2），顯示器十位計(jì)數(shù)器只有QC端有輸出，顯示器個(gè)位計(jì)數(shù)器只有QB端有輸出，將QC、QB端接一個(gè)二輸入與非門(mén)，與非門(mén)輸出一路先送入十位計(jì)數(shù)器的清零端然后取反送入或非門(mén)的另一個(gè)輸入端，輸出接顯示器個(gè)位計(jì)數(shù)器的清零端，其每10秒清零并向顯示器十位計(jì)數(shù)器送進(jìn)位脈沖，當(dāng)十位輸出為二，顯示器個(gè)位輸出為3時(shí)，將整個(gè)電路清零，完成24秒的顯示。其計(jì)數(shù)器的原理圖（圖2-1-4）。

圖2-1-3 74LS04引腳圖

2.2 譯碼驅(qū)動(dòng)電路

譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài),并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。常用的7段譯碼驅(qū)動(dòng)器屬TTL型的有74LS47、74LS48等，CMOS型的有CD4055液晶顯示驅(qū)動(dòng)器等。74LS47為低電平有效，用于驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極的LED顯示器，因?yàn)?4LS47為集電極開(kāi)路（OC）輸出結(jié)構(gòu)，工作時(shí)必須外接集電極電阻。74LS48為高電平有效，用于驅(qū)動(dòng)共陰極的LED顯示器，其內(nèi)部電路的輸出級(jí)有集電極電阻，使用時(shí)可直接接顯示器。本設(shè)計(jì)選擇74LS48（圖2-2-1）作為譯碼驅(qū)動(dòng)器。

74LS48七段譯碼驅(qū)動(dòng)器功能表如下（圖2-2-2）：

2.3 共陰極七段數(shù)碼管顯示器

顯示器件的種類(lèi)很多,在數(shù)字電路中最常見(jiàn)的顯示器是半導(dǎo)體顯示器(又稱(chēng)為發(fā)光二極管顯示器,LED)和液晶顯示器(LCD),本設(shè)計(jì)采用7段LED數(shù)碼顯示器.7段LED數(shù)碼顯示器俗稱(chēng)數(shù)碼管,其工作原理是將要顯示的十進(jìn)制數(shù)碼分成7段,每段為一個(gè)發(fā)光二極管,利用不同發(fā)光段組合來(lái)顯示不同的數(shù)字. LED的死區(qū)電壓較高，工作電壓大約1.5~3V，驅(qū)動(dòng)電流為幾十毫安。74LS48譯碼驅(qū)動(dòng)器輸出是高電平有效，所以，配接的數(shù)碼管必須采用共陰極接法。下圖是共陰極式與共陽(yáng)極式LED數(shù)碼管的接線(xiàn)圖（圖2-3-1），使用時(shí)，公共陰極接地，7個(gè)陽(yáng)極a到g由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來(lái)驅(qū)動(dòng)

圖2-3-1 共陰極式與共陽(yáng)極式LED數(shù)碼管的接線(xiàn)圖

3、調(diào)試與操作說(shuō)明

3.1 電路仿真效果圖

3.2 Protel電路印刷板原理圖及印刷板制版電路圖

圖3-2-1 電路印刷板原理圖

3.3 實(shí)際電路系統(tǒng)的制作及測(cè)試

在Protel制版中，實(shí)驗(yàn)室條件不允許我們制作雙面版，所以在制作單面版的時(shí)候由于芯塊過(guò)多電腦無(wú)法完整布線(xiàn)，有許多線(xiàn)我們只能在焊接中飛線(xiàn)。

實(shí)際制作簡(jiǎn)述:畫(huà)出上圖的PCB圖后，同過(guò)打印機(jī)打出銅膜走線(xiàn)圖，打印圖紙出來(lái)后,將圖紙拿給老師看,經(jīng)老師檢查合格，老師發(fā)給我們布滿(mǎn)銅膜的板和一張油紙,將油紙放入打印機(jī)重新打印出銅膜走線(xiàn)圖,將打印好的圖剪下來(lái)粘到板上,把它送到燒板機(jī)上通過(guò)加熱把圖紋印到板上,接下來(lái)就是把板放進(jìn)氯化鐵溶液進(jìn)行對(duì)板的腐蝕,第一次腐蝕板時(shí),因自動(dòng)腐蝕機(jī)內(nèi)溫度未達(dá)到需要溫度而使的對(duì)板的腐蝕失敗。

第二次我們注意了這個(gè)問(wèn)題,待自動(dòng)腐蝕機(jī)內(nèi)溫度達(dá)到50度后, 把板放進(jìn)氯化鐵溶液進(jìn)行對(duì)板的腐蝕,大約50秒后,布滿(mǎn)銅的板只剩下有圖紋的地方有銅,其余的地方的銅均被腐蝕掉了,這時(shí)就可以將板取出到鉆孔機(jī)上鉆孔，待將所有的孔鉆完后,此時(shí)一張 Protel印刷電路板就制作完成了,此時(shí)可以將元器件按照PCB板的布置裝到印刷板上去了,后進(jìn)行焊接和飛線(xiàn)，便可以完成電路板制造了。

在焊接中要注意的地方：掌握好焊接的溫度和時(shí)間。在焊接時(shí)，要有足夠的熱量和溫度。如溫度過(guò)低，焊錫流動(dòng)性差，很容易凝固，形成虛焊；如溫度過(guò)高，將使焊錫流淌，焊點(diǎn)不易存錫，焊劑分解速度加快，使金屬表面加速氧化，并導(dǎo)致印制電路板上的焊盤(pán)脫落。尤其在使用天然松香作助焊劑時(shí)，錫焊溫度過(guò)高，很易氧化脫皮而產(chǎn)生炭化，造成虛焊。

將焊接好的電路進(jìn)行調(diào)試。將電路接到+5伏電源上，觀(guān)察數(shù)碼管顯示是否正常。如果顯示正常，計(jì)數(shù)正確，是從00計(jì)數(shù)到23說(shuō)明電路原理和安裝焊接正確，設(shè)計(jì)、調(diào)試成功。如果不是上面所說(shuō)情況，說(shuō)明電路存在問(wèn)題，需要找出問(wèn)題所在，仔細(xì)檢查電路是否設(shè)計(jì)正確、是否存在虛焊、是否焊接錯(cuò)誤等，找出錯(cuò)誤繼續(xù)調(diào)試，直到調(diào)試成功為止。

3.4 電路板的測(cè)試情況、參數(shù)分析與實(shí)際效果

制作完成后，連接+5V電源和地線(xiàn)，加入頻率為1Hz的脈沖，顯示電路出現(xiàn)故障沒(méi)有反應(yīng)。

故障分析：

一：在電路版腐蝕的過(guò)程中，部分線(xiàn)路被腐蝕掉造成線(xiàn)路斷路；

二：由于要飛的線(xiàn)過(guò)多，在焊接過(guò)程可能造成了虛焊；

三：接線(xiàn)和芯片的接觸不良以及接線(xiàn)的錯(cuò)誤所引起的故障。

4、心得與體會(huì)

通過(guò)這次對(duì)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，讓我們了解了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字鐘的原理與設(shè)計(jì)理念。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程中,更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法.

在連接二十四進(jìn)制的接法中,要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能,那么在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了.

通過(guò)這次對(duì)數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)作，讓我了解了電路設(shè)計(jì)的基本步驟，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字鐘的原理與設(shè)計(jì)理念，要設(shè)計(jì)一個(gè)電路先進(jìn)行軟件模擬仿真再進(jìn)行實(shí)際的電路制作。但是最后的成品卻不一定與仿真時(shí)完全一樣，因?yàn)?，再?shí)際接線(xiàn)中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無(wú)法成功的電路接法，在實(shí)際中因?yàn)樾酒旧淼奶匦远軌虺晒Α?br />
所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)這次學(xué)習(xí)，讓我們對(duì)各種電路都有了大概的了解，所以說(shuō)，坐而言不如立而行，對(duì)于這些電路還是應(yīng)該自己動(dòng)手操作才會(huì)有深刻理會(huì)，才會(huì)有收獲。

對(duì)我們電子信息專(zhuān)業(yè)的本科生來(lái)說(shuō)，實(shí)際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而這種實(shí)際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這也是一次預(yù)演和準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，讓我們找出自身狀況與實(shí)際需要的差距，并在以后的學(xué)習(xí)期間及時(shí)補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，為求職與正式工作做好充分的知識(shí)、能力準(zhǔn)備，從而縮短從校園走向社會(huì)的心理轉(zhuǎn)型期。

課程設(shè)計(jì)促進(jìn)了我系人才培養(yǎng)計(jì)劃的完善和課程設(shè)置的調(diào)整。近年來(lái)，我系為適應(yīng)學(xué)生的實(shí)踐需要陸續(xù)增設(shè)與調(diào)整了一系列課程，受到同學(xué)的歡迎，其中這次的設(shè)計(jì)很受同學(xué)們的喜歡。

課程設(shè)計(jì)達(dá)到了專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的預(yù)期目的。在三個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)之后，我們普遍感到不僅實(shí)際動(dòng)手能力有所提高，更重要的是通過(guò)對(duì)電路板制作流程的了解，進(jìn)一步激發(fā)了我們對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的興趣，并能夠結(jié)合實(shí)際存在的問(wèn)題在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。

5、元器件及儀器設(shè)備明細(xì)

表1 電路圖與器材清單表

6、參考文獻(xiàn)

[1] 李中發(fā)主編.數(shù)字電子技術(shù).北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.7.97—192.

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[4]電子發(fā)燒友網(wǎng)站：24進(jìn)制計(jì)數(shù)原理.hljzzgx.com/.2009.6.5.

[5]彭介華主編.電子技術(shù)課程指導(dǎo).北京：高等教育出版社，2008.4.2—32

7、致謝

本次課程設(shè)計(jì)主要由我們?nèi)斯餐瓿?，其間當(dāng)然老師也同樣是付出了大量的時(shí)間和精力來(lái)幫助我們。同時(shí)我們也要衷心地感謝我們所有的老師，以及幫助我們的同學(xué)們，要是沒(méi)你們的幫助我們是不能這么好的完成這次的課程設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：24進(jìn)制數(shù)字電子鐘時(shí)計(jì)器、譯碼顯示電路

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