序号	名称	型号规格	单价(元)	数量	总价(元)
1	电阻器	22Ω	0.02	1	0.02
2	电阻器	220Ω	0.02	47	0.94
3	电阻器	11MΩ	0.02	1	0.02
4	瓷片电容器	20pF	0.10	2	0.20
5	瓷片电容器	10nF	0.01	2	0.02
6	电解电容器	47uF/10V	0.30	1	0.30
7	晶体振荡器	32.768kHz	0.5	1	0.50
8	稳压集成芯片	7805	1.00	1	1.00
9	数码管	2位共阴带DP小数点	2.50	3	7.50
10	14分频器	CD4060	1.50	1	1.50
11	十进制计数器/7段译码器/驱动器	CD4026	2.00	6	12.00
12	四 2 输入或门	CD4071	0.60	1	0.60
13	六非门	74LS04	0.60	1	0.60
14	二4输入与门	74LS21	0.60	4	2.40
15	双D触发器	74LS74	0.60	1	0.60
16	同步加法计数器	74LS161	0.60	1	0.60
17	微动开关	4针	0.20	2	0.40
18	自锁开关	6针	0.30	1	0.30
19	杜邦头（针）	间距2.54mm	0.01	21	0.21
20	杜邦头（1针插）	间距2.54mm	0.01	4	0.04
21	杜邦头（3针插）	间距2.54mm	0.01	1	0.01
22	杜邦头（短路块）	间距2.54mm	0.01	1	0.01
23	电池	9.0V	2.50	1	2.50
24	USB连接头	公头	0.50	1	0.50
合计金额					32.77
备注	元器件资料见附录A

四．实训任务

用小、中规模集成电路设计并制作一个数字电子钟。

 

五．数字电子钟原理框图

http://s5/mw690/6b241b8dgcfb3043b96d4&690

 

六．数字钟电路原理图（见附录B）

 

七．原理分析

1.晶体器震荡电路

晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32.768kHz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。

本电路采用32.768kHz石英晶体振荡器，11MΩ的反馈电阻，和20pF的负载电容构成。

负载电容的对32.768kHz的信号有微调作用。

    由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻选为11MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。

2.分频电路

    分频电路由具有14分频的CD4060的集成芯片和双D触发器74LS74构成。

    CD4060为32.768kHz的秒冲信号进行14次二分频，在Q13端输出2 Hz信号。

    74LS74为2 Hz的信号再进行1次二分频，获得精准的1 Hz脉冲信号。   

 

3.时间计数器

    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与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，时个位和时十位计数器为24进制计数器。

 

 

输入								输出
CLK	a	b	c	d	e	f	g	UCS	显示字形
↑,↓	1	1	1	1	1	1	0	1	0
↑,↓	0	1	1	0	0	0	0	1	1
↑,↓	1	1	0	1	1	0	1	0	2
↑,↓	1	1	1	1	0	0	1	1	3
↑,↓	0	1	1	0	0	1	1	1	4
↑,↓	1	0	1	1	0	1	1	1	5
↑,↓	1	0	1	1	1	1	1	1	6
↑,↓	1	1	1	0	0	0	0	1	7
↑,↓	1	1	1	1	1	1	1	1	8
↑,↓	1	1	1	1	0	1	1	1	9

 

 

由以上表格得:

    60进制数码管显示：

6的特征码为abcdefg=1011111，在0-6范围内，排除了多余的特征码得到新特征码为

efg（秒.十位）=111得到了60进制数码显示。

当Y_m=efg=111时，通过74LS21四输入与门输出一个瞬时脉冲到秒十位控制芯片CD4026的MR端和分个位控制芯片CD4026的CLK端上，分别进行清零和进位。

同理可知，时控制芯片CD4026由分进位而得。

    60进制清零与进位逻辑表达式为Y=efg

 

    24进制数码管显示：

    由表得当显示字形“2”时，UCS为低电平。采用排除法得到，4的特征码为aef=001

所以综合“时个位”和“时十位”的特征码，得Y=UCS*aef=0001时，通过非门74LS04和与门74LS21连接后。得到一个瞬时脉冲，输入时个位和十位的芯片CD4026的MR端上，进行清零。

 

4.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。

    时间计数器和译码驱动电路，由具有十进制计数器/7段译码器/驱动器功能的CD4026构成，节省成本，集成度高。

 

5.数码管

    本设计由3个二位共阴红色LED带DP的数码管组成。

    秒部分的DP为1Hz的脉冲信号作指示。

    分部分的DP为分校对的时候作指示（由CD4060分频后提供4Hz的脉冲指示信号）

    时部分的DP为时校对的时候作指示（由CD4060分频后提供4Hz的脉冲指示信号）

 

6.校时（分）控制电路

       由计数器74LS161和74LS21组成条件判断的电路。

74LS161和与门74LS21、非门74LS04做成的三进制计数器输出状态

有3个：“00”，“01”，“10”。用SW1微动开关作为CP脉冲

由CD4026 的功能表可得到数码管输出状态的真值表

 

 

       74LS21分别接收Q₁ Q₀后状态如下

 

由以上表格可得：

正常状态时，时钟正常运行，秒位置的数码管按照脉冲正常显示。无论怎么点击SW2，不会对电子钟钟造成影响。

点击一次微动开关SW1，分校正的DP指示灯按照4Hz的频率闪烁，秒位置的数码管暂停。点击SW2，可以对分位置显示的数字进行校正。

再次点击一次微动开关SW1，时校正的DP指示灯按照4Hz的频率闪烁，秒位置的数码管暂停。点击SW2，可以对时位置显示的数字进行校正。

再次点击一次微动开关SW1，正常状态，秒位置继续显示工作。

 

八．绘制仿真电路图

按照设计的数据，用proteus7.8绘制出附录B的电路原理图。经过测试调整无报错后，绘制布线图（万用电路板专用），多次检查无误后，进行焊接准备。

 

九．焊接电路与初步测调

    按照布线图（万用电路板专用），在万用电路板上标志上坐标，对照布线图的元件位置，放置元件后焊接。

    1.焊接电源部分和晶体振荡器部分，焊接完毕后，用数字万用表检测每个接线位置是否接触良好，或者短路，无错误后，通电测试。用数字万用表测量CD4060输出端有无脉冲信号，测量Q13端脉冲信号是否有2Hz。再测量74LS74输出端是否有1Hz脉冲信号。

    2.焊接数码管座，连接线用0.2mm的漆包线，去除漆包线上的保护漆后，放置限流电阻，按图接线，剪去多余管脚。数字万用表检测，进行更正。无误后安装数码管，测试数码管与管座接触良好，再次测量。无错后进行下一步。

    3.焊接6个CD4026集成芯片，并连接上数码管，数字万用表检测，无误后，通电测试。

用74LS74输出的1Hz脉冲输入到每一个CD4026的CLK端，观察数码管是否从0-9正常跳转。

无错误后，进行反馈清零电路的焊接。

    4．焊接74LS04，74LS21，CD4071，并按图与CD4026连接。焊接完毕，数字万用表检测，无误后，通电测试。分别给秒个位CD4026芯片，分个位CD4026芯片，时个位CD4026芯片输入1Hz脉冲，检查是否能完成60进制和24进制的功能。

    5．焊接校时校分部分（74LS161，74LS21，微动开关和电阻）。焊接完毕，数字万用表检测，无误后，通电测试。测量74LS161初始输出是否为低电平，每点击一下SW1微动开关，和点击微动开关SW2，测量输出电平是否符合校时（分）控制电路的表格。

       6．以上电路都无错误后，校时（分）控制电路与清零反馈和显示电路连接，数字万用表检测，无误后，通电测试。观察秒数码管动态显示，使用校时（分）控制，测试是否与校时（分）控制电路的表相符。最后检查整体接线是否有接触不良和容易短路的部分。完成焊接和初步测调。

 十．二次测调

本次调试主要调节TTL电路和CMOS电路兼容性

1，TTL电平：

输出高电平大于2.4V,输出低电平小于0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平大于或等于2.0V，输入低电平小于或等于0.8V，噪声容限是0.4V。

2，CMOS电平：

“1”逻辑电平电压接近于电源电压，“0”逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。

3，电平转换电路：

因为TTL和CMOS的高低电平的值不一样（TTL 5v-------CMOS 3.3v），所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，对于中小型规模，降低电压输入并稳压。

测调过程：

输入5V稳定电压，测试每个芯片的电源输入是否正常。测试每块芯片管脚的输出电平的值是否符合实际需要。

调节输入限流电阻，测量芯片输入电压的值，观察数码管亮度和显示，取最适合的电压值。

为了适应各种电源电压值，采用7805稳压芯片对电路进行稳压。采用杜邦短路块，对电脑USB或PS/2和9V电压进行选择。当使用9V电池供电，电流通过7805芯片，当使用电脑USB或PS/2供电，则直接导通输入到电路，不经过稳压芯片。

    本电路输入电压适应范围4-10V，超过10V，7805稳压芯片负载电压过大，因为发热量过高，容易烧毁。使用LM317可调稳压电路，可以使电路输入电压适应范围更宽。

十一. 故障排除分析：

1.焊接完成计数、译码和显示部分后进行测试，发现数码管某些段不发光，断电测量后，发现是某些数码管脚氧化，与管座接触不良。用小刀和砂纸打磨处理后，重新放置，排除故障。

2.通电测试后，发现分个位对分十位无进位，测量检查后，发现分个位进位端CO，与分十位CLK端无连接线，成断路状态，焊接后排除故障。

3.焊接完成清零反馈部分后，通电测试，发现分部分没有形成60进制，数码管亮度不足，测量检查后，电压不足，不足以供给下一级进行反馈清零。更换电池或者使用稳压电源供电后，排除故障。

4.焊接校时（分） 部分后，通电测试，秒部分暂停，测量74LS161输出电位，发现初始输出电平为高电平，检查D0-D3接地情况正常。取出芯片，用放置在面包板上后，连线测试，发现芯片故障，预置状态不正确。更换芯片后，排除故障。

5.校时（分）指示灯暗淡且不闪烁，测量检查后发现，电路某些节点没连接，补焊接后，排除故障。

6.最后通电测试，正常使用，点击微动开关，可正常校时（分）。提高输入电压到达9V，发现显示正常，但是无清零反馈。降低电压到4V后，排除故障，原因是COMS和TTL电路兼容性不足。于是经过7805稳压后， 加上22欧姆分压限流电阻，测量带负载使用时，供给到各个芯片电压为3.5V-4V。可延长各个芯片和数码管寿命。

 

十二. 实训心得：

 

在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。

在设计过程中，空想不一定能想出设计的方案，因为数据多，所以，动动烂笔头，可以更加快速地解决问题。例如计算校时（分）电路时，只是空想，把问题复杂化了，所以花费了不少的时间。因为CD4026芯片与单纯的计数器不同。输出后直接驱动数码管，所以在反馈清零部分，需要从译码驱动的表中找到规律，并进行详细的计算，排除多余的数据，获取最简单的反馈清零方式。

校时（分）电路，不希望秒部分对校时（分）电路有干扰，所以就需要添加秒暂停电路。

在连接六进制、十进制、六十进制的进位及二十四进制的接法中，要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时,用数字万用表便能准确地找到问题原因所在，尽快解决。

焊接万用电路板，需要耐心和细心，前提是布线的图纸完全正确。焊接时，必须注意使用松香和焊锡，焊锡要适中，过大或过小，都有可能影响周围的焊盘或焊点。万用电路板的焊盘非常单薄，而且耐热时间不长，所以焊接是必须迅速，保证焊点光滑，导电性良好，尽可能不要第二次焊接。焊接完每一部分后，必须用万用表检测线路是否正常。

焊接集成芯片时，使用芯片座，不能放置芯片，特别是CMOS电路，必须带上静电手环或者在电烙铁不带电的情况下，余温焊接，防止芯片由于静电击穿。使用芯片座，保证可以随时更换芯片进行调试。检查芯片接电源和接地端，防止遗漏后电路不能正常运行。在设计电路中，必须先仿真，再布线，最后连接实物图。

成品测试时，必须使用稳定的电压源，而且是从低电压值开始，逐渐提高电压，调节到适合的范围。在不影响成品使用的前提下，考虑如果延长各种元器件寿命和降低功率，遵循环保节能的理念。

做出的成品，需要用1-2天通电测试，保证成品的稳定性。

本次实习，让我更加了解了数字电子的组成和熟悉各种运算规律，拓展了思维，打破的思维定势，提高了动手能力和设计能力，并完善了属于自己的电子钟。