数字电子钟制作

计算机软件学院

数字电子钟制作、调试报告

（2011/2012 学年 第二学期）

专业名称： 计算机应用

课程名称： 数字电路应用

指导教师：

班 级：

姓 名：

学 号：

成 绩：

一、设计任务书

1. 任务

数字电子钟的制作和调试

2. 主要技术指标

（1）能进行时、分、秒显示

（2）能够设置时、分、秒

（3）能整点报时

3. 特别说明

在给定的PCB 板上完成电子钟制作、调试

二、总体方案设计

1. 任务分析

1.1 显示电路任务分析：

完成显示电路的制作和调试，并在制作和调试过程中让读者掌握显示电路相关知识，学会数字电路设计、安装、调试的一般方法。

⑴学习发光二极管、LED 数码显示器等常用显示器件及其控制方式。

⑵学习BCD-七段锁存译码驱动器4511。

⑶比较各种显示方式，从中选择既能满足数字电子钟的显示的要求又方便教学的显示方式。

⑷根据确定的显示方式选择合适的控制元件。

⑸按照选择的显示器件确定控制方案，并选择合适的控制元件。 ⑹搭试电路调试显示电路，主要目的是选择合适的限流电阻，以实现在保证亮度的情况下，使显示器件功耗最小、发热最小。 ⑺制定显示电路安装方案。主要是元器件安装顺序、特殊元器件安装方案和安装注意事项。由于显示电路实际上是按照已设计好

的电路图进行印制电路板设计的，并且部分电路已采用标准印制

电路板设计方法完成了设计，因此应按照设计好的元器件布置图

设计安装方案。

⑻按照设计好的安装方案完成显示电路安装。

⑼制定显示电路调试方案。主要是调试前的准备工作、通电前的

印制电路板检查、测试以及通电后的输入信号施加方法和输出信

号的观测。

1.2 信号电路任务分析：

完成信号电路的制作和调试，并在制作和调试过程中掌握信号电路相关知识。

⑴了解开关信号、单脉冲信号、连续脉冲信号三种常用的信号产生电路。

⑵学习14级二进制计数、分频、振荡器4060和由7474构成的分频电路。

⑶以石英晶体为核心设计连续脉冲信号产生电路。

⑷选择石英晶体的频率，确保石英晶体产生的频率信号经过分频能产生计时、校时、报时所需的频率信号。

⑸搭试电路调试信号电路，主要目的是选择合适的电阻、电容，以确保连续脉冲产生电路能有稳定的频率信号输出。

⑹制定信号电路的安装方案。主要是元器件布局、元器件安装顺序、特殊元器件安装和安装注意事项。

⑺按照设计好的安装方案完成信号电路安装。

⑻制定信号电路调试方案。主要是调试前的准备工作、通电前的印制电路板检查、测试以及通电后输出信号的检测方法。

⑼按照设计好的调试方案完成信号电路调试。

计时电路任务分析：

完成计时电路的制作和调试，并在制作和调试过程中掌握计时电路相关知识。

⑴ 学习双BCD 码计数器4518和

⑵学习用同步或异步方式把多片集成计数器级联起来，构成更大进制的计数器。

⑶以4518为核心设计计时电路。

⑷制定计时电路安装方案。主要是元器件布局、元器件安装顺序、特殊元器件安装和安装注意事项。

⑸

⑹

⑺

⑻

⑼

⑽按照设计好的安装方案完成计时电路安装。

⑾制订计时电路调试方案。主要是调试前的准备工作、通电前的印制电路板检查、测试，以及通电后计数信号的施加、计数输出信号的检测方法。

⑿按照设计好的调试方案完成计时电路调试。

⒀如调试中发现问题，则应根据问题的现象仔细分析电气原理图，最终实现故障定位并维修好。

1.3 校时电路任务分析：

完成校时电路的制作和调试，并在制作和调试过程中掌握校时电路相关知识。

⑴学习数据选择器74151.

⑵学习优先编码器74147.

⑶学习几种常用频率信号选择电路的控制产生电路。

⑷分析校时电路的设计方法。

⑸以74151为核心设计校时电路。

⑹用仿真软件 Proteus完成校时电路的绘制。

⑺用仿真软件 Proteus对校时电路进行仿真调试并修改电路。 ⑻完成校时电路最终设计方案的图样绘制。

⑼制订校时电路安装方案。主要是调试前的准备工作、通电前

的印制电路板检查、测试，以及通电后输入信号的施加和输出信号的检测。

⑽按照设计好的调试方案完成校时电路调试。

⑾如调试中发现问题，则应根据问题的现象仔细分析电气原理

图，最终事项故障定位并维修。

1.4 报时电路任务分析：

完成报时电路的制作和调试，并在制作和调试过程中掌握报时电路相关知识。

⑴学习常用发声元器件蜂鸣器。

⑵学习集成全加器7483.

⑶学习集成比较器7485.

⑷分析整点报时的两种实现方法。

⑸按照整点报时的两种实现方法设计报时电路。

⑹用仿真软件Proteus 完成报时电路的绘制。

⑺用仿真软件Proteus 对报时电路进行仿真调试并修改电路。

⑻完成报时电路最终设计方案的图样绘制。

⑼制订报时电路安装方案。主要是元器件布局、元器件安装顺序、特殊元器件安装和安装注意事项等。

⑽按照设计好的安装方案完成报时电路安装。

⑾制订报时电路调试方案。主要是调试前的准备工作、通电前的印制电路板检查、测试，以及通电后各局部电路的测试方法。

⑿按照设计好的调试方案完成报时电路调试。

⒀如调试中发现问题，则应根据问题的现象仔细分析电气原理图，最终实现故障定位并维修好。

2. 总体方案

三、各模块电路设计

1. 各模块电路主要功能

显示电路的任务是接收计时电路输出的小时、分、秒信号，并将接收的小时、分、秒信号通过合适的显示方式显示出来。 信号电路的任务是为计时电路提供秒基准信号；为校时电路提供校时频率信号；为报时电路提供报时所需的高、低音音频信号及报时音时间间隔控制频率信号。

计时电路的任务是秒计数器输入端接收秒基准信号和校秒、校分、校小时信号，以8421BCD 码的形式向显示电路提供信号（显示电路用BCD 译码器4511进行译码），并为报时电路提供时间信号。

校时电路的任务是接收信号电路产生的秒基准信号和校小时、校分、校秒信号，并通过操作校时按钮选择这些信号的输出时机。

报时电路的任务是从计时电路获取时间信息，从信号电路获取音频信号、报时音时间间隔控制频率信号，生成报时音频，经驱动后从发生原件输出。

2. 各模块原理图

2.1显示电路原理图

2.2信号电路原理图

2.3 计时电路原理图

2.4 校时电路原理图

2.5报时电路原理图

3.1 BCD-七段锁存译码驱动器4511:

BCD-七段锁存译码驱动器4511集BCD-七段笔画译码、信号锁存、

信号驱动于一身，只要在其输入端输入8421-BCD 码就可输出

8421BCD 码所表示的数字显示在LED 数码显示器上所需要的控制

信号，并且能提供保证LED 数码显示器亮度所需的电流。

3.2 14级振荡、计数、分频器4060：

4060是一个集振荡、计数、分频于一身的集成电路。通过极少的

外部元件可构成振荡电路，也可对外部信号进行计数，并可对振荡

电路产生的频率信号或外部频率进行分频。

3.3 双D 触发器7474：

7474集成触发器是一个上升沿触发，带置位、复位输入端( S 为

置位端，R 为复位端) 的双D 触发器（指具有两个功能完全相同、完

全独立的D 触发器）。

3.4 双BCD 码计数器4518：

4518有两个完全独立的加计数器组成，具有BCD 码计数、数据3. 主要元器件选择依据

保持、数据清零和两种触发方式等功能。

3.5 TTL 二输入端四“与”门7408：

7408内部集成了四个二输入“与”门电路。

3.6 数据选择器74151：

74151是八选一数据选择器，可实现从八个数据输入中选择任意

一个从一个输出端输出。

3.7 优先编码器74147：

74147是一个10-4编码器，其输出为8421BCD 码的反码，且输入

具有优先级，常用于键盘编码。

四、仿真设计、调试

利用仿真软件进行电路设计、调试。

数字电子钟各模块的制作、调试按显示电路、计时电路、校时电路和报时电路的顺序进行。使用外部电源供电，报时电路采用规范的印制电路板设计，并采用集中防止输入信号接入点。

计时电路中的小时计时器设计为二十四进制的，分和秒采用六十进制的。 校时电路设计为校时信号统一从计时电路的秒输入端输入，这样可确保相对独立。基本思路是：校时时首先终止正常的计时，然后将频率较高的方波信号加到秒计数器输入端，校时结束后，再转入正常计时状态。

为确保数字电子钟走时准确，信号电路应用石英晶体振荡器的产生基准频

率。

整点报时设计为没到整点时发出相同的报警声（九高一低，每秒响一下，整点结束），这样电路相对简单。

用外电源供电是数字电子钟正常运行。

五、整机安装调试

1. 安装方法设计

1.1显示电路安装：

显示电路需要安装6个LED 显示器、42个限流电阻、6个4511集成块、6个去耦电容并完成部分连线。 ⑴安装顺序

显示电路的安装应按照限流电阻、管座、去耦电容、连线、插集成块的顺序进行。 ⑵限流电阻安装

①检查待焊接的42个限流电阻阻值是否全部为1kn 、1/8W金属膜

电阻。

②按照印制电路板上电阻的安装位置加工电阻引脚，如发现电阻

的引脚附有灰尘、杂志、氧化层等情况，则还应进行浸锡处理。

③准备一张稍硬的纸，折叠成宽度略小于一个电阻的两个焊盘之

间距离，厚度约2mm ，长度能覆盖42个电阻的安装位置，并把折叠好的纸固定在42个电阻的焊盘之间。

④把加工好引脚的电阻依次插在焊盘中压紧，也可把印制电路板

背面露出的引脚适当折弯以帮助固定。

⑤依次焊接各引脚。 ⑶去耦电容的安装

去耦电容容量、体形均较小，无极性，一般为瓷片电容，要求高的场合也有用独石电容的。焊接方法与电阻相似，但焊接时间尽可能短，以免因发热造成电容表面被融化而所坏。 ⑷集成管座安装

① 准备好六个16脚双列直插式管座，用于连接4511。一个40

脚双列直插式管座，两个10脚单列直插式管座，用于连接LED 数码显示器。

② 把管座按缺口向左的规则插入集成块对应的安装位置，把对

角的两个引脚折弯以帮助固定。

③ 先把所有管座的对角两个引脚焊接好，确定所有管座都紧贴

印制电路板。

⑸连线

六个一位LED 数码显示电路中的四个已在印制电路板上完成全

部连线，因此，只需进行剩下LED 数码显示电路的连线。

① 按照横平竖直的要求准备好长度合适的硬导线，红色导线作

电源连接线，黑色导线作接地线，其他导线作信号线。 ② 剥去导线两端的护套，露出3mm 左右的线头，并进行浸锡

处理。

③ 把加工好的导线正确地插入对应的焊盘中。 ④ 依次焊接每一个焊点。 ⑤ 剪去多余的引线。

⑹集成块安装

把六个4511和六个LED 数码显示器插入相应管座，缺口在左边。 ⑺电源接入电路安装

电源接入电路需安装一个插座、一个电解电容、一个二极管、一

个电阻、一个发光二极管。

①安装顺序：电源接入电路按电阻、二极管、插座、发光二极管、

电解电容的顺序进行安装。

②安装方式：电阻、电容、二极管采用卧式安装，其他元件采用立

式安装。

③安装注意事项：所有元器件的标识应便于观察；电源插座紧贴印

制电路板安装，焊接时间应尽可能短，以免电源插座塑料部分变形造成插座的损坏；其他元器件与印制电路板保持适当距离；电解电容、二极管、发光二极管的安装一定要注意极性正确。

1.2 信号电路安装

2. 调试方法设计

六、制作、调试中出现的主要问题及解

决方法

1. 典型故障1：

故障现象：无论4511的输入端A 、B 、C 、D 输入什么信号，LED 数码显示器始终显示数字8。

可能的原因：4511的3脚误接低电平。4511的3脚是LT, 从真值表可知：当LT=0时，无论其他输入为什么值，输出全为1，此时被控制的LED 数码显示器所有笔画全亮，显示数字8。 解决方法：将4511的3脚接高电平。

2. 典型故障2：

故障现象：无论4511的输入端A 、B 、C 、D 输入什么电平，LED 数码显示器始终没有显示。

可能的原因：4511的4脚误接了低电平。4511的4脚是BI ，从真值表可知：当BI=0，LT=1时，无论其他输入为什么值，输出全为0，此时被控制的LED 数码显示器所有笔画都不亮，没有显示。 解决方法; 将4511的4脚接高电平。

3. 典型故障3：

故障现象：不能正常显示数字。

可能的原因：4511的QA~QG没有与数码管的a~g端正确相连。 解决方法：将4511的QA~QG与数码管的a~g端正确相连。 4.

典型故障4：

故障现象：计数器个位显示数据为0、8、4、2、6、1、9.

可能的原因：计数器个位的输出Q3~Q0与显示电路输入D3~D0连接为Q0-Q3、Q1-D2、Q2-D1、Q3-D0。 解决方法：正确连接。

5.

典型故障5：

故障现象：某一计数器只显示奇数或只显示偶数。

可能的原因：显示电路D0没有获得可靠的输入。当D0为1输入时，只显示奇数；当D0为0时，只显示偶数。

6. 典型故障6：

故障现象：计数器不计数

可能的原因：CLK 没有可靠接地；MR 输入信号不对（检查与门的输入与输出连接线）。 7. 典型故障7：

故障现象：显示的数据一会儿正常、一会儿不正常。 可能的原因：供电不正常，或是电源或是地线没有接好。 解决方法：从新进行电路检查。 8. 典型故障8：

故障现象：计数器计数不稳定，时快时慢。

可能的原因：74147、74151的电源、地引脚没有接好，或者74147的四输入端没有可靠接地。 9. 典型故障：

故障现象：74151没有输出。

可能的原因：74151的E 输入端没有可靠接地，或者74151的输出与地线、电源线或且他输出引脚短接，也可能是74151的C 输入端没有可靠接地。 10. 典型故障10：

故障现象：正常计时时蜂鸣器能发声，但发声时间不对。 可能的原因：时间接入信号有误。 11. 典型故障11：

故障现象：每分钟都报时。

可能的原因：分信号输入端悬空或接1。 类似的故障：59 min后发出连续报时声音。 可能的原因：秒信号输入端悬空或接1。

12. 典型故障12 ：

故障现象：只有低音没有高音。

可能的原因：高音音频信号没有可靠接入，或者S3、S0没有可靠接入。

类似的故障：只有高音没有低音。

可能的原因：低音音频信号没有可靠接入，或者S3、S0没有可靠接入。

13. 典型故障13：

故障原因：报时声是不断的连续鸣叫。 可能的原因：1H z的频率信号没有可靠接入。

七、使用说明 电子钟使用说明：

1、首先确保电子钟印制电路板连线以正确的连接。

2、调试每一部分时确定每一部分的功能以及了解每一部分要完成的任务。

3、将电子钟外接电源。

4、在印制电路板上完成显示电路、信号电路、校时电路和报时电路时，要用外部电源来供电，确保每一部分完成后再把各个部分相连所以在使用时只需要把总电源与外部电源相连就可以了，使整个电子钟运行起来。 5、如果你想尽快听到报时声你可以调动校时电路的开关以至于可以校时、校分、以及校秒。

八、数字电子钟的图纸 1. 整机原理图

2. 元器件布置图

3. 器件汇总表

九、改进意见

1. 希望元器件不要一下全发下来，焊接什么部分就发与此有关的器件，这样有人会把元器件焊错位置。 2. 希望焊接室里的电烙铁都是坏的，希望及时维修，因为到最后都没法焊接了。

3. 印印制电路板没有什么可改进的，已经很好了。