数字时钟实训报告

课程实训报告

课程名称：

实训题目：

专 业：

《数字设备设计与生产实训》

24/12小时制数字时钟

通信技术

班 级：

学 号：

15级 1503534 1503535

刘旭飞

电子信息工程学院

职 称：

讲师

学生姓名： 叶之梦

陈杰

指导教师：

部 门：

起止日期： 2016年 12月23 日 至 2016 年 12月31 日

教务处 制

重庆工商职业学院课程实训报告编写规范

每位学生做完实训后均应提交课程实训报告（不少于2000字）或实训作品。格式和内容要求如下： 1. 页面设置：纸型为A4，纵向，左边距为2.5厘米，上、下、右的边距均为2厘米。 2. 正文：

(1)内容要求：（仅作参考，可自行拟定内容）

△实训目的 △实训内容 △需求分析 △概要设计 △详细设计 △调试分析 △用户使用说明 △测试结果

△实训建议、意见、体会 △附录或参考资料 (2)格式要求：

每章标题以三号黑体居中打印；章下空二行为节，以四号黑体左起打印，节下空一行为小节，以小四号黑体左起打印。换行后以小四号宋体打印正文。正文内的标题号用1. 、（1）、a 等依次标出。

重庆工商职业学院课程实训成绩评定

前言：

近年来随着数字技术的迅速发展，各种中、大规模集成电路在数字系统、

控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉和掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法，除通过实验教学培养数字电路的基本实验方法、分析问题和故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方法等基本电路的基本实验技能外，还必须培养大学生工程设计和组织实验能力。本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用和掌握，使学生在实验原理的指导下，初步具备基本电路的分析和设计能力，并掌握其应用方法；自行拟定实验步骤，检查和排除故障 、分析和处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力，包括选择设计方案，进行电路设计、安装、调试等环节，运用所学知识灵活运用，进行工程创新设计、提高实验技能的实践。数字电子钟是一种计时装置，它具有时、分、秒计时功能和显示时间功能。数字电子钟由于采用了石英技术，走时精度高、稳定性好，不需要经常调校，使用携带方便。因此，在定时控制及时间程序控制等方面都得到广泛的应用。本次设计我查阅了大量的文献资料，学到了很多关于数字电路方面的知识，并且更加巩固和掌握了课堂上所学的课本知识，使自己对数字电子技术有了更进一步的认识和了解。

1．熟悉中规模集成电路D 锁存器、与非门的使用方法； 2．熟悉智力竞赛抢答器的工作原理和简单数字系统的设计方法； 3．了解简单数字系统的实验、调试方法和简单故障排除方法。 4. 结合专题独立开展电路的设计与制作，动手又动脑，培养学生提高分析和解决实际电路，具体制作中的各种问题。

二、设计要求

1. 要求完成设计任务书：

2. 设计题目《24/12小时数字时钟》；

3. 设计要求：A ：时钟功能-具有显示时、分、秒的功能； B：能正确对“时”“分”“秒”显示进行精确调整

C ：走时精度要高于普通机械时钟并有校时功能；

D：采用220V/50Hz交流电流、直流稳压电源5V 。

E ：24小时制数字时钟完成后，能依据现有电路改制 成12

小时显示；

1． 电路方框图设计 2． 电路单元分析与设计 3． 总体设计

4． 电子产品的制作、调试 5． 完成实训报告

四、系统结构

4.21设计构思

首先应有一个能自动产生稳定的标准时间脉冲信号的信号源。还需要有一个使高频脉冲信号变成适合于计时的低频脉冲信号的分频器电路，即频率为1HZ 的“秒脉冲”信号。经过分频器输出的秒脉冲信号到计数器中进行计数。由于计时的规律是：60秒=1分，60分=1小时，24小时=1天，这就需要分别设计60进制，24进制，各计数器输出的信号经译码器/驱动器送到数字显示器对应的笔划段，使得 “时”、“分”、“秒”得以数字显示。

图一 数字时钟方框图

4.2系统各方框图的作用

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（152）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24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。

五、单元电路的分析与设计

5.1 石英晶体振荡器 5.1.1：原理图

5.1.2：电路作用

振荡器主要用来产生时间标准信号。因为数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。所以要产生稳定的时标信号，一般是采用石英晶体振荡器。从数字钟的精度考虑，晶振频率愈高，钟表的计时准确度就愈高。但这会使振荡器的耗电量增大，分频器的级数也要增多。所以在确定频率时应当考虑这两方面的因素。选用成型数字钟中使用的石英晶体频率f0=32768KHZ。因其易购买、体积小、成本低。采用RC 振荡器，该振荡器是由石英晶体、电阻、电容组成

5.1.3：组成部件

1）石英晶体

5.1.4：连接电路

5.1.5 CD4060芯片

CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位和非门组成

的振荡器组成，外接振荡电路可以做时钟源。振荡器的结构可以是RC 或晶振电路，CR 为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主从触发器。在CP1(和CP0) 的下降沿计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。 CD4060引脚图

:

CD4060内部结构图

5.2：分频器

5.2.1． 作用

能将高频脉冲变换为低频脉冲，它可由触发器以及计数器来完成。由于一个触发器就是一个二分频，N 个触发器就是 2n个分频器。如果用计数器作分频器，就要按进制数进行分频。例如十进制计数器就是十分频器，M 进制计数器就为M 分频器。

本项目需要使用石英晶体振荡器其频率为32768HZ ，要想用该振荡器得到一个频率为1HZ 的秒脉冲信号，就需要用分频器进行分频，分频器的个数为 215 = 32768HZ，N =15 即有15个分频器。这样就将一个频率为23768HZ 的振荡信号降低为1HZ 的计时信号，这样就满足了计时规律的需求：60秒=1分钟，60分=1小时，24小时=1天。

5.2.2 引脚接线图

5.3计数器

5.3.1 电路原理

有了“秒”信号，则可根据60秒为1分，60分为1小时，24小时为1天的进制，分别选定“秒”、“分”、“时”的计数器。在“秒”计数器中，因为是60进制，即有60个“秒”信号，才能输出一个“分”进位信号。若用十进制数表示需要两位十进制的数（个位和十位），这样，“秒”个位应是十进制，“秒”十位应是六进制，符合人们计数的习惯。将来便于应用8421码译码显示电路，“秒”计数器中通常用两个十进制计数器的集成片组成，然后再采用反馈归零的方法使“秒”十位变成六进制，以使个位、十位合起来实现60进制。“分”计数器和“秒”计数器组成完全相同，只是“时”计数器，也用两块十进制集成片，再采取反馈归零的方法实现二十四进制就行了。

5.3.2 电路图

秒 计数电路

分 计数电路

时 计数电路

5.3.3CD4518管脚图和功能表

5.4译码显示电路

5.4.1 作用

在数字系统中常常需要将测量或处理的结果直接显示成十进制数字。为此，首先将以BCD 码表示的结果送到译码器电路进行译码，用它的输出去驱动显示器件。

5.4.2 电路图

5.4.3 接线图

译码器

CD4511是BCD 锁存/7段译码器 /驱动器，常用的显示译码器件。

显示器件：

5.5 校时电路

5.5.1原理

当数字钟的指示同实际时间不相符时，必须予以校准，校时电路的基

本原理就是将“秒”信号直接引进“时”计数器，同时将“分”的计数器置0，让“时”计数器快速计数，在“时”的指示调到需要的数字后，再切断“秒” 信号，校“分”电路也是按此方法让“秒”信号输入“分”计数器，同时让“秒”计数器置0。快速改变“分”的批示，并到等于需要的数字为止。校“秒”电路略有不同，选用的周期为0.5秒的脉冲信号，使“秒”计数比正常计“秒”快一倍，以便对准“秒”的数字。

S3闭合 秒计时，断开秒停止计时，以此来进行微调

六、总体电路的确定

根据设计要求和各单元电路的设计，24小时数字时钟的总体电路如图所示。

仿真电路

PCB 电路图

七、时钟的PCB 铜板制作、安装、调试

1．根据数字时钟的总体原理图先设计好印刷电路板。

根据数字时钟的总体原理图，我们把振荡器电路、分频器电路、计数器电路、译码器显示电路、校时电路使用制图软件Protel2004分别布局，进行连线，检查正确后生成双层覆铜的PCB 版图，然后使用工艺设备制作而出！

2．检查元器件的质量。

（1）、固定电阻器的检测。

将万用表两表笔(不分正负) 分别与电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值。为了提高测量精度，应根据被测电阻标称值的大小来选择量程。由于欧姆挡刻度的非线性关系，它的中间一段分度较为精细，因此应使指针指示值尽可能落到刻度的中段位置，即全刻度起始的20％～80％弧度范围内，以使测量更准确。根据电阻误差等级不同。读数与标称阻值之间分别允许有±5％、±10％或±20％的误差。如不相符，超出误差范围，则说明该电阻值变值了。

注意：测试时，特别是在测几十k Ω以上阻值的电阻时，手不要触及表笔和电阻的导电部分；被检测的电阻从电路中焊下来，至少要焊开一个头，以免电路中的其他元件对测试产生影响，造成测量误差；色环电阻的阻值虽然能以色环标志来确定，但在使用时最好还是用万用表测试一下其实际阻值。 （2）．检查发光二极管的检测

性能好坏的判断用万用表R×10k档，测量发光二极管的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值（黑表笔接正极时）约为10~20kΩ，反向电阻值为250k Ω~∞（无穷大）。较高灵敏度的发光二极管，在测量正向电阻值时，管内会发微光。若用万用表R×1k档测量发光二极管的正、反向电阻值，则会发现其正、反向电阻值均接近∞（无穷大），这是因为发光二极管的正向压降大于1.6V （高于万用表R×1k档内电池的电压值1.5V ）的缘故。用万用表的R×10k档对一只220μF/25V电解电容器充电（黑表笔接电容器正极，红表笔接电容器负极），再将充电后的电容器正极接发光二极管正极、电容器负极接发光二极管负极，若发光二极管有很亮的闪光，则说明该发光二极管完好。
也可用3V 直流电源，在电源的正极串接1只33Ω电阻后接发光二极管的正极，将电源的负极接发光二极管的负极（见图4-74），正常的发光二极管应发光。或将1节1.5V

电池串接在万用表的黑表笔（将万用表置于R×10或R×100档，黑表笔接电池负极，等于与表内的1.5V 电池串联），将电池的正极接发光二极管的正极，红表笔接发光二极管的负极，正常的发光二极管应发光。

（3）.CD4XXX 系列的性能检测

与标准元器件进行比较

选择一些好的元器件，用来当做标准件。同时给标准件和待测件相同的脉冲，用74ls85比较器来对输出的信号进行比较，一样则待测件为好的元器件。

3．电路板组装焊接时，注意集成块组件的引脚，色环电阻值是否正确，二极管的质量、发光管的正负极等。

（１）．LED 使用注意事项：

a) 应使用直流电源供电

b) 须做好防静电措施

c) 要注意温度的升高会使LED 内阻变小当外界环境温度升高后，LED 光源内阻会减小，

若使用稳压电源供电会造成LED 工作电流升高，当超过其额定工作电流后，会影响LED

产品的使用寿命，严重的将使LED 光源“烧坏”，因此最好选用恒流源供电，以保证

LED 的工作电流不受外界温度的影响。

d) LED 的电流不能超过LED 的IF 电流. 过流的工作会使LED 寿命很快下降，如果超出过

来，就会马上把LED 烧坏。

e) LED 在弯角或折角时请不要离胶体太近，应与胶体保持2mm 以上的距离，否则会使LED

胶体里面支架与金线分离，弯角在同一处的折叠次数不能超过三次，拐角弯成90°，

再回到原位置为1次。

f) 焊接溫度在260℃左右，时间控制在5S 以內，焊接点离胶体底部在2.5mm 以上，电烙

铁一定要接地，绝对不充许带电焊接LED 。

（2）．CD4XXX 系芯片使用的注意事项:

1. 正常工作，实验中一般采用稳定性好、内阻小的直流稳压电源。使用时，应特别注意电源与地线不能错接，否则会因过大电流而造成器件损坏。

2．多余输入端最好不要悬空，虽然悬空相当于高电平，并不能影响与门（与 非门）的逻辑功能，但悬空时易受干扰，为此，与门、与非门多余输入端可直接接到Vcc 上，或通过一个公用电阻（几千欧）连到Vcc 上。若前级驱动能力强，则可将多余输入端与使用端并接；不用的或门、或非门输入端直接接地，与或非门不用的与门输入端至少有一个要直接接地，带有扩展端的门电路，其扩展端不允许直接接电源。若输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态，当R≤680Ω时，输入端相当于逻辑“0”；当R≥4．7K Ω时，输入端相当于逻辑“1”。对于不同系列的器件，要求的阻值不同。

3．输出端不允许直接接电源或接地，有时为了使后级电路获得较高的输出电 平，允许输出端通过电阻R 接至Vcc ，一般取R ＝3~5.1 K Ω；不允许直接并联使用（集电极开路门和三态门除外）。

4．应考虑电路的负载能力（即扇出系数），要留有余地，以免影响电路的正 常工作。扇出系数可通过查阅器件手册或计算获得。

5．在高频工作时，应通过缩短引线、屏蔽干扰源等措施，抑制电流的尖峰干扰。

（3）．电容安装注意事项

(a)拆卸电路中的电容前应先放电（可通过灯泡来放电，不能直接短路放电）。电容器放电后，端子间仍有可能产生电压（再闪击电压），此时，可通过1 k(l,的电阻器进行放电。

(b)安装时请勿使电容器主体变形。

(c)安装前确认电容器的额定值（静电容量、电压）及电容器的极性后，再进行焊接。

(d)电容器安装、焊接时应使标志易于观察。电解电容器和有机薄膜可变电容器焊接时不要使之过热。反之，会破坏电解电容器的密封，或使有机薄膜电容器的薄膜烫坏。

(e)有些用卷绕法制成的电容器，把外层金属极片的引出线标注出来，在外壳上印有圆环，使用时应将这个引出线接地或接低电位，以起到更好的屏蔽作用。

(f)用电烙铁焊接电容时，要注意它的焊接条件（预热、焊接温度时间、端子浸渍时间等）。 (g)焊接时，电烙铁应与电容器塑胶管保持适当的距离，且焊接动作要快，以防止过热造成塑料管破裂，导致电解液外漏。

(h)将电容器焊接到印制电路板上之后，不可将电容器主体倾斜、放倒或扭曲，更不可将电容器当做把手来移动印制电路板。

(i)安装新电容器时，把新电容器的引脚剪短点，并拉直，先焊一个脚，在电路板焊接电容器背面的地方上稍多加点焊锡，用电容器的一个引脚顶住焊孔，背面的焊锡熔化到焊脚孔后，顶住的那个脚就可以进去了，另外一个脚也用同样方法让它进入焊孔。装上电容器后剪掉过长的引脚，接着一手按住电容器，使它能够与电路紧密接触，一手拿着电烙铁，对电容器两个引脚进行补焊，同时轻轻摇动电容器的两个引脚，使焊锡能充分渗入到引脚的双面板内

4．电路安装完成后的调试：电路工作正常，能正确进行24小时时钟功能运行，时、分可进行校时调节无外在影响。

九、拓展创新

将24小时时值改为12小时制

24小时制与12小时制主体电路相差不大，只在关系小时输出的时位计数器将24进制改为12进制。

时位计数器的24进制是以一个双BCD 同步加计数器CD4518为中心，当时位从23（BCD 输出：0010，0011）加至24（0010，0100）时，计数器输出端Q2B （2）、Q3A （4）同时输出高电平，就会分出电流通过连接这两个电路的与门电路（cd4081）输入同步加计数器（CD4518）的清除置零端，计数器输出又将从0开始，因电流过快，23到24再到显示00只有不到0.1秒的时间，肉眼无法看清，其实24是显示了的。

24改12进制，其实就是将24清零改为12清零。只需将原本通过与门电路连接清零端的Q2B （2）、Q3A （4）改为Q1B(1)、Q2A （2）即可，当时位电路显示12时，立刻经过与门电路至清零端，数码管马上出现00显示。

九、心得体会

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。也让我看到了自己知识掌握的程度，发现基础比较薄弱，但通过这次课程设计加深了对这发面的了解，对相关元器件的使用有了更深一步的了解。

在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通， 但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元器件印象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的实践是检验真理的唯一标准。所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。

这次课程设计能够顺利的完成，很大部分应该是需要耐心和细心，还有团体的团结。这次课程设计收获了很多。