機(jī)械課程設(shè)計優(yōu)秀心得體會
一、設(shè)計目的
數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。
數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。
因此，我們此次設(shè)計與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會制作數(shù)字鐘。而且通過數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法。且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時敘電路。通過它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。
二、設(shè)計要求
（1）設(shè)計指標(biāo)
①時間以12小時為一個周期；
②顯示時、分、秒；
③具有校時功能，可以分別對時及分進(jìn)行單獨(dú)校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間；
④計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒進(jìn)行蜂鳴報時；
⑤為了保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時間基準(zhǔn)信號。
（2）設(shè)計要求
①畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；
②元器件及參數(shù)選擇；
③電路仿真與調(diào)試；
④pcb文件生成與打印輸出。
（3）制作要求自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。
（4）編寫設(shè)計報告寫出設(shè)計與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會。
三、原理框圖
1．?dāng)?shù)字鐘的構(gòu)成
數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1hz）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1hz時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。
（a）數(shù)字鐘組成框圖
2．晶體振蕩器電路
晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768hz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用ttl門電路構(gòu)成；另一類是通過cmos非門構(gòu)成的電路，本次設(shè)計采用了后一種。如圖（b）所示，由cmos非門u1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，u2實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻r1為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容c1、c2與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。
（b）cmos晶體振蕩器（仿真電路）
3．時間記數(shù)電路
一般采用10進(jìn)制計數(shù)器如74hc290、74hc390等來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。本次設(shè)計中選擇74hc390。由其內(nèi)部邏輯框圖可知，其為雙2—5—10異步計數(shù)器，并每一計數(shù)器均有一個異步清零端（高電平有效）。
秒個位計數(shù)單元為10進(jìn)制計數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將qa與cpb（下降沿有效）相連即可。cpa（下降沒效）與1hz秒輸入信號相連，q3可作為向上的進(jìn)位信號與十位計數(shù)單元的cpa相連。
秒十位計數(shù)單元為6進(jìn)制計數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計數(shù)器的電路連接方法如圖2。4所示，其中q2可作為向上的進(jìn)位信號與分個位的計數(shù)單元的cpa相連。
十進(jìn)制—六進(jìn)制轉(zhuǎn)換電路
分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的q3作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的cpa相連，分十位計數(shù)單元的q2作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的cpa相連。
時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應(yīng)為12進(jìn)制計數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進(jìn)行12進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用1片74hc390實現(xiàn)12進(jìn)制計數(shù)功能的電路如圖（d）所示。
（d）十二進(jìn)制電路
另外，圖（d）所示電路中，尚余－2進(jìn)制計數(shù)單元，正好可作為分頻器2hz輸出信號轉(zhuǎn)化為1hz信號之用。
4．譯碼驅(qū)動及顯示單元電路
選擇cd4511作為顯示譯碼電路；選擇led數(shù)碼管作為顯示單元電路。由cd4511把輸進(jìn)來的二進(jìn)制信號翻譯成十進(jìn)制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來。這里的led數(shù)碼管是采用共陰的方法連接的。
計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計并以8421bcd碼的形式輸送到cd4511芯片，再由4511芯片把bcd碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。
5．校時電路
數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。即為用coms與或非門實現(xiàn)的時或分校時電路，in1端與低位的進(jìn)位信號相連；in2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1hz或2hz（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時個位計時輸入端相連。當(dāng)開關(guān)打向下時，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門，故校時電路處于正常計時狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)打向上時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。
實際使用時，因為電路開關(guān)存在抖動問題，所以一般會接一個rs觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消抖動電路，所以整個較時電路就如圖（f）。
（f）帶有消抖電路的校正電路
6．整點報時電路
電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。
當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數(shù)器十位的qc和qa、個位的qd和qa及秒計數(shù)器十位的qc和qa相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。
報時電路可選74hc30來構(gòu)成。74hc30為8輸入與非門。
四、元器件
1．四連面包板1塊（編號a45）
2．鑷子1把
3．剪刀1把
4．共陰八段數(shù)碼管6個
5．網(wǎng)絡(luò)線2米/人
6．cd4511集成塊6塊
7．cd4060集成塊1塊
8．74hc390集成塊3塊
9．74hc51集成塊1塊
10．74hc00集成塊4塊
11．74hc30集成塊1塊
12．10mω電阻5個
13．500ω電阻14個
14．30p電容2個
15．32。768k時鐘晶體1個
16．蜂鳴器10個（每班）
1）芯片連接圖
1）74hc00d2）cd4511
3）74hc390d4）74hc51d
2．面包板的介紹
面包板一塊總共由五部分組成，一豎四橫，面包板本身就是一種免焊電板。
面包板的樣式是：
面包板的注意事項：
1．面包板旁一般附有香蕉插座，用來輸入電壓、信號及接地。
2．上圖中連著的黑線表示插孔是相通的.。
3．拉線時，盡量將線緊貼面包板，把線成直角，避免交叉，也不要跨越元件。
4．面包板使用久后，有時插孔間連接銅線會發(fā)生脫落現(xiàn)象，此時要將此排插孔做記號。并不再使用。
五、各功能塊電路圖
數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，可以由許多中小規(guī)模集成電路組成，所以可以分成許多獨(dú)立的電路。
（一）六進(jìn)制電路
由74hc390、7400、數(shù)碼管與4511組成，電路如圖一。
（二）十進(jìn)制電路
由74hc390、7400、數(shù)碼管與4511組成，電路如圖二。
（三）六十進(jìn)制電路
由兩個數(shù)碼管、兩4511、一個74hc390與一個7400芯片組成，電路如圖三。
（四）雙六十進(jìn)制電路
由2個六十進(jìn)制連接而成，把分個位的輸入信號與秒十位的qc相連，使其產(chǎn)生進(jìn)位，電路圖如圖四。
（五）時間計數(shù)電路
由1個十二進(jìn)制電路、2個六十進(jìn)制電路組成，因上面已有一個雙六十電路，只要把它與十二進(jìn)制電路相連即可，詳細(xì)電路見圖五。
（六）校正電路
由74ch51d、74hc00d與電阻組成，校正電路有分校正和時校正兩部分，電路如圖六。
（七）晶體振蕩電路
由晶體與2個30pf電容、1個4060、一個10兆的電阻組成，芯片3腳輸出2hz的方波信號，電路如圖七。
（八）整點報時電路
由74hc30d和蜂鳴器組成，當(dāng)時間在59：50到59：59時，蜂鳴報時，電路如圖八。
六、總接線元件布局簡圖
整個數(shù)字鐘由時間計數(shù)電路、晶體振蕩電路、校正電路、整點報時電路組成。
其中以校正電路代替時間計數(shù)電路中的時、分、秒之間的進(jìn)位，當(dāng)校時電路處于正常輸入信號時，時間計數(shù)電路正常計時，但當(dāng)分校正時，其不會產(chǎn)生向時進(jìn)位，而分與時的校位是分開的，而校正電路也是一個獨(dú)立的電路。
電路的信號輸入由晶振電路產(chǎn)生，并輸入各電路。
簡圖如圖九。
七、芯片連接總圖
因仿真與實際元件上的差異，所以在原有的簡圖的基礎(chǔ)上，又按實際布局畫了這張按實際芯片布局的接線圖，如圖十。
八、總結(jié)
1．實驗過程中遇到的問題及解決方法
①面包板測試
測試面包板各觸點是否接通。
②七段顯示器與七段譯碼器的測量
把顯示器與cd4511相連，第一次接時，數(shù)碼管完全沒有顯示數(shù)字，檢查后發(fā)現(xiàn)是數(shù)碼管未接地而造成的，接地后發(fā)現(xiàn)還是無法正確顯示數(shù)字，用萬用表檢測后，發(fā)現(xiàn)是因芯片引腳有些接觸不良而造成的，所以確認(rèn)芯片是否接觸良好是非常重要的一件事。
③時間計數(shù)電路的連接與測試
六進(jìn)制、十進(jìn)制都沒有什么大的問題，只是芯片引腳的老問題，只要重新插過芯片就可以解決了。但在六十進(jìn)制時，按圖接線后發(fā)現(xiàn)，顯示器上的數(shù)字總是100進(jìn)制的，而不是六十進(jìn)制，檢測后發(fā)現(xiàn)無論是線路的連通還是芯片的接觸都沒有問題。最后，在重對連線時發(fā)現(xiàn)是線路接錯引腳造成的，改過之后，顯示就正常了。
④校正電路
因上面程因引腳接錯而造成錯誤，所以校正電路是完全按照仿真圖所連的，在測試時，開始進(jìn)行時校時時，沒有出現(xiàn)問題，但當(dāng)進(jìn)行到分校時時，發(fā)現(xiàn)計數(shù)電路的秒電路開始亂跳出錯。因此，電路一定是有地方出錯了，在反復(fù)對照后，發(fā)現(xiàn)是因為在接入校正電路時忘了把秒十位和分個位之間的連線拿掉而造成的，因此，在接線時一定要注意把不要的多余的線拿掉。
2．設(shè)計體會
通過這次對數(shù)字鐘的設(shè)計與制作，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字鐘的原理與設(shè)計理念，要設(shè)計一個電路總要先用仿真仿真成功之后才實際接線的。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實際中因為芯片本身的特性而能夠成功。所以，在設(shè)計時應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計方法。
通過這次學(xué)習(xí)，讓我對各種電路都有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應(yīng)該自己動手實際操作才會有深刻理解。
3．對設(shè)計的建議
我希望老師在我們動手制作之前應(yīng)先告訴我們一些關(guān)于所做電路的資料、原理，以及如何檢測電路的方法，還有關(guān)于檢測芯片的方法。這樣會有助于我們進(jìn)一步的進(jìn)入狀況，完成設(shè)計。
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