数字钟实验报告

数字钟实验报告

课题名称：数字钟的设计与制作 组员：杨志红 洪 桃 徐卫政 李建军 杨文鹏 薛廉平 肖志鸿 班级：电气信息类Ⅰ086 实验时间：09年第二学期 实验地点：实验楼A302 指导老师：赵安 方安安 叶小丽

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

目 录

一、实验目的---------------------------------------------------------------------------------------------------1 二、实验任务--------------------------------------------------------------------------------------------------1 三、数字电子钟的电路设计--------------------------------------------------------------------------1 1 设计原理与思路------------------------------------------------------------------------------------1 2 显示电路的设计-------------------------------------------------------------------------------------2 3 计数电路的设计与方案--------------------------------------------------------------------------4 4 频率发生电路的设计------------------------------------------------------------------------------9 5 校时电路的设计--------------------------------------------------------------------------------------12 6 电源适配器的设计-----------------------------------------------------------------------------------13 四、电路原理图和PCB图-------------------------------------------------------------------------------14 五、元器清单---------------------------------------------------------------------------------------------------16 六、电路制版及电路焊接-------------------------------------------------------------------------------16 七、实物调试---------------------------------------------------------------------------------------------------18 八、实验小结---------------------------------------------------------------------------------------------------19 十、小组成员分工安排----------------------------------------------------------------------------------21

- 2 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

数字钟的设计与制作

一、实验目的

1 在了解数字钟的原理的前提下，运用刚刚学过的数电知识设计并制作数

字钟，而且通过数字钟的制作进一步了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。

2 由于数字电子钟包括组合逻辑电路和时序电路，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，从而实现理论与实践相结合，并学会使用protel软件画原理图和制PCB版，增强实验设计能力和动手操作能力。

3 通过本次试验是同学们对电子线路知识的整合和电子线路设计能力的训

练，并为后继课程的学习和毕业设计打下一定的基础。

二、实验任务

设计制作一个数字电子钟 设计要求：

1 时间计数电路采用24进制，从00开始到23后再回到00； 2 各用2位数码管显示时、分；

3 具有校时、校分功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标

准时间。

三、电子钟的电路设计

下面将详细介绍整个数字电子钟的电路系统设计过程。其中包括数字子钟的设计原理，设计方案的确定，电路的设计与调试几个计部分。 1 设计原理与思路

数字电子钟是一个对标准频率（1Hz）进行计数的计数电路。它由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器电路组成。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”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

- 1 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

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.

根据设计要求首先建立了一个数字钟电路系统的组成框图，设计思路框图如图1所示

时显示器 分显示器 秒显示器 时译码器 分译码器 秒译码器 校时电路 时计时器 分计时器 秒计时器 频率发生 分频器

图1 数字钟设计思路图

由图可知电路主要由显示电路、计数电路、振荡电路以及校时电路四部分组成。下面将对各部分电路进行设计。 2 显示电路的设计 （1）实验电路

电路如图2所示

图2 显示电路

（2）电路的工作原理

译码是编码的相反过程，译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输出信号以表示编码时所赋予原意的电路。常用的集成译码器有二进制译码器、二—十制译码器和BCD—7段译码器、显示模块用来显示计时模块输出结果。

- 2 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

（3）对电路中的主要元件及功能介绍

1 译码器SN7448N

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SN7448N，用SN7448N把输入的8421BCD码ABCD译成七段输出a-g，再由七段数码管显示相应的数。SN7448N的管脚图如图3在管脚图中，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。

BI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 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。

图3 译码器

2 显示器Dpy Blue-CC

在此电路图中所用的显示器是共阴极，阴极必须接地。Dpy Blue-CC的管脚功能图如图4

图4 显示器

- 3 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

在实际当中在不影响使用的情况下为了使制作更方便跟经济我们选择用发光二极管代替秒的显示器。

3 CT74LS390双十进制计数芯片功能说明

双二-五-十进制加法计数器CT74LS390，其引脚图如图1 1 每个集成块中由2组计数器，每

组计数器由两个计数器组成，共有4个计数器。

2 每组计数器内有1个一位二进制计数器和1个五进制计数器，它们可以单独计数，但清零时同

图1 CT74LS390引脚图

时清零。A，B为时钟脉冲的输入，下降沿触发。QA，QB、QC、QD为计数输出。

3 如1位二进制计数器的输出QA接上五进制计数器的时钟脉冲的输入B，

则构成8421BCD码十进制的计数器。A为时钟脉冲的输入，QA、QB、QC、QD为输出，QD是最高位；五进制计数器的输出QD接上二进制计数器时钟脉冲输入A，则构成5421BCD码十进制的计数器，B为时钟脉冲的输入，QB、QC、QD、QA为输出，QA是最高位。 4 清零RD为异步清零，高电平有效。 3 计数电路的设计与方案

计数器是一种计算输入脉冲的时序逻辑网络，被计数的输入信号就是时序网络的时钟脉冲，它不仅可以计数而且还可以用来完成其他特定的逻辑功能，如测量、定时控制、数字运算等等。

数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和二十四进制计数电路实现的。数字钟的计数电路的设计可以用反馈清零法。当计数器正常计数时，反馈门不起作用，只有当进位脉冲到来时，反馈信号将计数电路清零，实现相应模的循环计数。以六十进制为例，当计数器从00，01，02，„„，59计数时，反馈门不起作用，只有当第60个秒脉冲到来时，反馈信号随即将计数电路清零，实现模为60的循环计数。

- 4 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

下面将详细介绍计时电路和我们组设计的两种方案，及不同方案的分析与比较。

秒和分的个位都是模10计数,其真值表如表1:

表1:模10计数真值表

Q3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 Q2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 Q1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 Q0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Co 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

秒和分的十位为模6计数,真值表2:

表2:模6计数真值表

Q3 0 0 0 0 0 0 Q2 0 0 0 0 1 1 Q1 0 0 1 1 0 0 Q0 0 1 0 1 0 1 Co 0 0 0 0 0 1

- 5 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

时的十位为模3计数器，真值表如表3所示

表3：模3计数真值表

Q3 0 0 0 Q2 0 0 0 Q1 0 0 1 Q0 0 1 0 Co 0 0 1

计时部分，我们组共设计了两种方案，两种方案如下：

- 6 -

图5 方案一计时电路

方案一:

实验电路图如下图5所示

整个电路就可以实现计时功能。

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

现秒和分的计数。时的十位是模3计数，把时的十位计数器的Q2和个位的Q3接

进制计数器,Co接到十位就可以实现异步计数功能。而分和秒的十位的数字为5

到一起进行与非后，再接到时的个位和十位的制数端就能实现时模24的功能，

（0101）时，将QA、QB进行与非接到制数端可以对十位进行清零制数就可以实

方案一中的秒和分为60进制计数器,采用的芯片都是74LS160,它刚好为10

- 7 -

方案二:

我们所陈述的理由：

电路如图6所示

分的计时原理同方案一。

计数电路方案的确定

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

图6 方案二计时电路

电路中，74LS390为十位计数器， 清零端MR为高电平有效，正常工作时

为低电平，分和秒的个位中的Q3接到十位中的时钟沿可以实现异步计时。时部

对于上述两种方案，经过小组讨论之后，我们决定使用第二种方案。以下是

- 8 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

1 第一种方案的缺点是接线比较麻烦，管脚多，而且一个74LS160对应一个74LS160封装，所以用到的芯片比较多。第一种方案的优点是74LS160芯片是我们比较熟悉的芯片，课堂上老师讲过，实验我们也做过，所以比较熟悉

2 第二种方案的优点是74LS390管脚少，而且两个74LS390芯片对应一个封装， 所以在PCB布线的时候比较方便和简单，飞线也可以减少一些，比较美观。缺点是这种芯片我们没有接触过。

综合上述两种原因，我们决定使用第二种方案，主要考虑到74LS390的优点。我们可以通过网上学习那种芯片来弥补我们对74LS390的不熟悉，以便在以后的布线中更加方便和接线美观。而且由于74LS390管脚少，这样以后可以减少打孔的数量。

综上，我们一致确定使用第二种方案计时电路。 4 频率发生电路的设计

我们组采用的频率发生器为用555定时器构成的多谐振荡电路，下面为555定时器的逻辑图和功能表。

图7 555定时器逻辑图

555定时器电由两个比较器，基本RS触发器、集电极开路的放电三极管和缓冲器四部分组成。

- 9 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

下面为555定时器的功能表

表4 555定时器功能

输入 RD 0 1 1 1 1 U11 * <(2/3)Vcc <(2/3)Vcc >(2/3)Vcc >(2/3)Vcc U12 <(1/3)Vcc >(1/3)Vcc <(1/3)Vcc >(1/3)Vcc U0 0 1 不变 1 0 输出 T 导通 截止 不变 截止 导通 由于一开始元器清单上提供的电阻是470Ω、100KΩ、200Ω，我们采用的电阻为100KΩ，C=10PF，所以根据公式T=0.7（R1+2R2）C可以算出频率大概为1000Hz。再对1000Hz的频率用74LS390进行分频就可以产生1Hz的脉冲。

实验原理图如下图8所示

图8 1Hz脉冲发生电路原理

由于后来班上提供的元器件中有电位器，有了电位器后，我们就不要对产生的频率进行分频处理，这样可以省三个74LS390芯片，而且我们可以对所产生的频率进行调节，这样方便调时。所以我们后来又改了振荡电路的原理图。

- 10 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

改后的振荡电路原理图9如下：

图9 改后的1Hz脉冲发生电路原理

- 11 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

5 校时电路的设计

校时电路要实现对分和时进行调节，方便数字钟工作.

其原理图10如下所示:

图10 校时电路

- 12 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

下面为校时电路的真值表5：

输入：开关S1、S2，1Hz脉冲H,分进位或秒进位为CO 输出：调时或调分的输出为F,秒清零的输出为CR

表5 校时电路真值

S1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 S2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 H 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 CO 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 F 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 CR 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 分析：当开关S1、S2闭合时，S1=0，S2=0；当开关S1、S2时，S1=1，S2=1，如下表6所示：

. 表6 校时电路功能

S1 1 0 1 0

S2 1 1 0 0 功能 计数 调时 调分 秒清零 6 电源适配器的设计

电源适配器的功能时为整个电路提供电源，设计图11如下：

- 13 -

四、实验原理图和PCB图

图11 电源适配器

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

则，我们得出了方案二原理图。下面为两个方案的原理图：

综上：我们首先得出了方案一原理图，后来为了遵循尽量减少元器件的原

图12 方案一原理图

- 14 -

终我们的PCB图有14根飞线。

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

图13 方案二原理图

所以飞线有点多,为了尽量减少飞线,我们一部分手工布线,一部分自动布线,最

为了布线方便和尽量减少飞线，我们选择了方案二的原理图，即图13，其

中秒的显示有数码管代替，这样可以进一步减少元器件。原理图确定好后，再将

原理图通过protel生成pcb图，由于是单层布线,而且采用的十自动布线的方法,

- 15 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

下面是我们的PCB图（图14）：

图14 PCB图

- 16 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

五 元件清单

根据PCB图，我们可以得出这次实验所需要的元器件，下面是我们的元器

清单：

表7 元器清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 名称 数码管 电阻 电阻 集成块 集成块 集成块 集成块 单面覆铜板 热转印纸 三氯化铁 砂纸 焊锡 松香 电容 电解电容 电位器 单刀双掷开关 芯片插座 芯片插座 芯片插座 9V电源插座 DC5V电源适配器 二极管 细针插座 单股铜芯线 电烙铁 电烙铁架 斜口钳、镊子、螺丝刀 型号 14.2mm共阴高亮 0.25W470欧姆 0.25W10K欧姆 74LS248 74LS390 74LS08 NE555 15cmX20cm 360目 CC103 220uF/25V 10K DIP16 DIP14 DIP8 IN4007 2P 0.5mm 35w内热 数量 4 29 2 4 3 1 1 1 1 4 1 1 2 7 1 1 1 1 1 若干 若干 1 1 若干 六、电路制版及电路焊接

1 电路板的制作

原理图出来后根据它我们采用半自动布线法制做出了PCB图。到实验室打印时发现有断线，结果发现是焊盘除了问题。全部改正过来之后，交给老师打印出来。然后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

- 17 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

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4到5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。大约一个小时之后就腐蚀完了，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。

将电路板放到打孔机上进行打孔，为了防止打偏，我们是一个人看一个人打，这样还可以防止漏打，错打跟多打。 2 电路焊接

按照原理图，将领取的器件焊接到电路板上，由于上一次做收音机有了一定的经验焊接时还算顺利，只不过板子比较小线路比较多而且给的焊烙铁是梯形的，很容易将两个洞焊在一起，所以还是花了很多时间来清除多余的焊锡。

七、实物调试

1 一次调试

拿到实物之后很开心的插上电源，结果发现没用。很郁闷的我们确信原理图是没有问题的只有对着电路板的接线开始查，查了很久结果发现了一处虚焊。将虚焊的部分焊实之后，当我们再次插上电源时发现电路工作了，兴奋之余还调试了校时部分发现没有问题，时和分的计数部分也没有问题，存在问题，我们有陷入了另一种无奈。我们的不能到23：59就跳到00：00，而是继续计时，

2 二次调试

对照着原理图和PCB图，我们将电路板上的接线一根根进行检查，检查线路是否有断开的现象，是否有虚焊的现象存在，最后将问题锁定不能复位的问题上。然后通过与其他小组的讨论来解决它我们检查了一天还是没有检查出来到底那里出问题了，我们的原理图没有错，可能是线没有接好或者哪个地方没有焊接好，由于现在期末考试复习，没有时间进行检查，所以我们选择放弃，有点可惜，但是有得必有失，我们得好好准备期末考试。下面是我们的实物图：

- 18 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

图15 实物正面

图16 实物反面

八、实验小结

1 这次实验花了我们很多时间,中间也经历了很多,我们也学到了很多课本上无法学到的知识。通过本次制作数字钟，我们明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.就比方说焊电路板是一种细活，需要技术的同时更需要耐心跟仔细，一旦有虚焊就会导致整个电路出现问题而且这种问题是很难检查出来的。这次设计由于采用的是数字电路来实现的,所以电路较复杂,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.不仅增强了我们的相互合作能力，而且加深了我们对知识的理解能力跟实际运用知识的能力。

- 19 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

2 通过这次设计,我们还掌握了制PCB的一系列步骤,在前几周的时间里,我们通过相互的讨论，查找资料，我们绘制出了两份原理图，并最终确定了用74LS390来做计数电路部分的设计芯片，整个电路图画好了,又画好了PCB板图,并交指导老师检查,确定无误后将图打印出来。

3 由于是第一次从设计到做出实物全过程通过小组合作来完成，而且画电路原理图和PCB图都是要用Protel软件来完成，而这个软件基本上是要靠自学的，所以整个完成过程花了很长的时间，当然从中我们也学会了很多东西，比方说最基本的合作跟自学的乐趣。虽然我们布线时没有做到很全面的考虑，加上电路比较复杂，但是总体来说还是比较符合要求的，而且它的功能基本上都能实现。尤其是在不太了解的电路设计部分和发现我们的成果出现问题时，组长带领几位同学花了很长的时间，甚至是通宵。在这次的合作当种然我们学会了什么叫做责任。

4 通过这次设计，我们又掌握了些元器件的用途以及它们的参数、性能。这次设计提高了我们理论和实践相结合的能力，增加了把理论用于实践的兴趣，同时也提高了我们分析问题和解决问题的能力。没有最好，只有更好。我们相信通过这一次的设计之后，我们以后会更加努力，用严谨的科学态度去面对一切。

- 20 -

数 字 钟 实 验 报 告 论 文

九、小组成员分工安排

这次实验是在所有小组成员的共同努力下完成的，虽然我们组的实力（软件方面）比其他组差点，但我们时常会在一起讨论方案的取舍问题，合作比什么都重要，我们组所有的人或多少参与到实验的设计当中了，下面是我们小组的分工表：

表8 小组分工表

序号 1 姓名 学号 分工任务 分数 杨志红（组长） 5601108035 和组员一起设计原理图、PCB转印和打孔、焊接、电路检测和调试以及参与完成实验报告 A 2 洪桃（副组长） 6100208250 查找资料、焊接、设计原理图，主要完成实验报告 6100208279 PCB版的腐蚀和调试电路，主要是参与原理图的设计和PCB制版 A 3 徐卫政 A 4 李建军 6100208257 参与原理图的设计，电路检测和调试，主要是PCB制版和布线 A 5 6 7 杨文鹏 薛廉平 肖志鸿 6100208281 6100208280 6100208276

查找相关元器件的资料 查找相关元器件的资料 查找相关元器件的资料 B B B

- 21 -