【文章內(nèi)容簡介】 錯誤原因，觀察仿真顯示的高低電平，發(fā)現(xiàn)D觸發(fā)器的輸入沒有任何變化，但輸出卻會自行變化，我們知道，因為D觸發(fā)器的下一位輸出狀態(tài)是取決于上一位輸入的，所以對于這一現(xiàn)象的發(fā)生完全不能理解，另外，74191計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換也存在問題，當(dāng)輸出狀態(tài)達到0111時，下一狀態(tài)就會變成0000，即高位一直無法出現(xiàn)1狀態(tài)。在請教過老師之后，老師建議我們在仿真電路中添加示波器觀察波形，于是我們在H11（74191計數(shù)器的Q1）、H12（74191計數(shù)器的Q2）、H13（74191計數(shù)器的Q3）和LD四處防止了示波器探針，并再次執(zhí)行仿真，這一次我們通過觀察波形發(fā)現(xiàn)了問題所在。當(dāng)0111轉(zhuǎn)換為1000狀態(tài)時，Q3從0變成1，Q0、QQ2則應(yīng)“同時”從1變成0，電路中出現(xiàn)了競爭冒險現(xiàn)象，而原本的進位信號是Q3=1，Q0=1，在狀態(tài)改變的過程中出現(xiàn)了7直接進位的情況，而我們之前觀察到的的觸發(fā)器輸入沒有變化，輸出卻發(fā)生了變化的現(xiàn)象也找到了原因，是因為我們開始觀察電平高低變化的方法無法顯示出電路波形的跳變，即當(dāng)信號快速變化又快速跳回時，肉眼是看不到電平有所變化的，而我們采用示波器就可以很明顯地看到這一現(xiàn)象了。分析出電路問題原因后，我們也很快地找到了解決問題的方法，將原本的進位信號Q3=1，Q0=1改為Q3=1，Q2=0，Q1=0，Q0=1，這樣只有四位到達穩(wěn)定狀態(tài)后，才會產(chǎn)生進位信號，再次仿真就發(fā)現(xiàn)功能已經(jīng)可以正確實現(xiàn)了。之后的仿真都比較順利，在獲得了正確的仿真結(jié)果后，我們心里也變得有底，覺得電路板焊接完成后應(yīng)該也不會出現(xiàn)大的問題，但真正安裝完成電路板進行調(diào)試時還是出現(xiàn)了一些問題。調(diào)試的第一天上午，我們的電路板的功能基本還正確，但下午回來后再進行調(diào)試一段時間后，卻發(fā)現(xiàn)數(shù)字鐘的分突然不顯示了，并且芯片U22發(fā)燙非常嚴(yán)重，后來我們找老師更換了一塊芯片，發(fā)現(xiàn)數(shù)字鐘工作一段時間之后芯片還是會微微發(fā)熱，懷疑是電路哪里存在短路問題，但是測量芯片接地和連接VCC的管腳，發(fā)現(xiàn)電壓是正常的，直觀來看電路板的器件焊接也沒有明顯問題，所以一直也沒有找到芯片發(fā)熱的具體原因，好在之后的調(diào)試我們會時常留意U22的溫度，沒有再出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)燙的問題。另外數(shù)字鐘還有一個問題，就是整點報時功能不準(zhǔn)確，到達1點時會報時12聲，2點會報時1聲，3點會報時2聲等等，以此類推。我們分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種整點不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，原因應(yīng)該是邏輯控制電路的與非門延時時間不夠，也產(chǎn)生了競爭冒險現(xiàn)象，查詢資料和講義后我們覺得可以直接接入一個小電容，延長延時獲得正確的報時數(shù)，在接入電容之后，這一問題得到了解決。在板子的裝調(diào)過程中，我們發(fā)現(xiàn)了之前電路的設(shè)計上存在一些細節(jié)問題，很多實際電路中可能存在的細節(jié)在先前的設(shè)計中沒有考慮到。比如部分電容的封裝選擇不合適，導(dǎo)致焊接時接入不便，也影響了電路的美觀，還有校時電路的濾波電容距離主體較遠，對于抖動的消除作用很不明顯，另外，定時電路的撥碼開關(guān)排布也很不方便操作，我們定時電路撥碼開關(guān)的排布十位個位順序和表示某位數(shù)字的二進制高低位是相反的，導(dǎo)致調(diào)節(jié)定時時刻不方便等，這讓我更加深刻地意識到，電路板的設(shè)計是一個不斷調(diào)整不斷完善的過程，需要考慮到各種實際情況，才能設(shè)計出美觀實用的電路板。另外，我們在調(diào)試過程中不斷的發(fā)現(xiàn)問題、尋找原因、探索解決方法，進一步完善電路板的功能，這一過程需要足夠的耐心和嚴(yán)謹(jǐn)，有時解決一個問題需要嘗試多種方法，尋找最佳方案，才能最終獲得一個功能比較健全的電路板，獲得一個自己滿意的結(jié)果。陳肖葦：這次實驗主要擔(dān)任的工作是原理圖主體部分以及兩個擴展部分的繪制，PCB的全部設(shè)計以及修改過程，PCB的安裝與焊接以及電路板的調(diào)試幾個過程，下面我講分塊講一下我在幾個方面的心得體會：PCB版圖的設(shè)計與修改 為了節(jié)約時間考慮，所以在原理圖繪制完成之后，PCB版圖就和原理圖的仿真同步進行了，但是由于一些細節(jié)上的原因，導(dǎo)致提前進行版圖設(shè)計并沒有很好的提高時間利用率。PCB版圖的繪制主要包括了元器件的導(dǎo)入與檢查，排版，手動布線與自動布線，手動布線更改，以及原理圖更改邏輯設(shè)計之后的大改和經(jīng)過老師檢查之后的大改幾部分組成。首先第一步就是進行元器件的導(dǎo)入，但是導(dǎo)入之后，經(jīng)過元器件的對比檢查之后，發(fā)現(xiàn)一些元器件的封裝不對，或者是一些元器件甚至沒有選擇封裝，于是經(jīng)過了更改之后，繼續(xù)進行下面的工作。接下來，進行的是元器件的排版工作。首先最容易想到的就是將數(shù)碼管顯示器即數(shù)字鐘的顯示部分放到板子的最上方，這樣可以一眼就看到整個電路的工作性質(zhì)；其次就是想到了要將手動校時和鬧鐘開關(guān)等按鍵以及開關(guān)放在板子的最下面，方便進行操作；至于其它的部分，主要就是為了美觀進行了一個相對整齊的排布，同時也留出了一定的空間，為以后的布線留下余地。當(dāng)然，中間這一步并沒有按照功能排布，僅僅是按照美觀排布，為版子的功能實現(xiàn)埋下了隱患（雖然這個隱患經(jīng)過老師指導(dǎo)后進行了大改，已經(jīng)基本排除，但是修改的過程也是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，以后盡可能要做到一步到位）；其次，經(jīng)過這一次的實踐，發(fā)現(xiàn)當(dāng)初元器件之間留下的空間對于這么大的一個工程來說還是相當(dāng)有限的，以后對于空間要有更合理的把握。圖1：main_saved2(排好版)接下來，就是進行布線了。因為上一次的電子工程訓(xùn)練，我全部都是手動布的線，所以這一次是第一次嘗試自動布線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自動布線速度這么快，看起來結(jié)果也很可靠，所以我還有一點驚喜，因為上一次布線所耗費的時間實在是太久了，下面就是布線之后的版圖。圖2：main_saved3(第一次自動布線)然而這樣的自動排版的最大的問題就是電源和地線過細，而且又不能直接批量修改，因為在內(nèi)部的地方，直接修改會導(dǎo)致電路互聯(lián)，引起短路。所以，我參考了一下別人設(shè)計的版圖，于是設(shè)計成了將電源和地在外圈周圍布線，然后通過橫向的布線將電源和地導(dǎo)入到所需位置，經(jīng)修改后的電路板如下：圖3：電源和地布完上面這塊板子算是我們第一版的最終版了，這是基于我們設(shè)計是正確的前提。幾乎就在我布完線的同時，曉杰她們的仿真結(jié)果出來了，小時的翻轉(zhuǎn)是不正確的，所以我們在討論了之后，對小時控制電中的D觸發(fā)器的輸入邏輯進行了修改，然后加入了兩個芯片，分別是74LS04的非門和74LS20的與非門。因為電路板內(nèi)部沒有空隙，所以考慮將兩片芯片放在了右下角單獨開出的一片小區(qū)域里。如下圖：圖4：邏輯錯誤修改 修改完邏輯錯誤之后就產(chǎn)生了我們電路的第二版的最終版，然后就拿去給老師檢查我們的板子有沒有什么問題。經(jīng)過檢查之后，老師給我們指出了兩個比較重要的設(shè)計失誤，一個就是電源的四個濾波電容離電源太遠，效果不好，二是晶振和14次分頻器距離太遠。于是回去之后我就將這兩部分電路單獨拿了出來，放在了右上方，改正了電路設(shè)計沒有按功能排在一起的失誤。修改后的部分如下圖：圖5：修改后的電源電路圖6：修改后的晶振電路 經(jīng)過以上三大步的修改，在對一些小的地方自動布線沒有解決的錯誤進行修改之后，產(chǎn)生了我們上交的電路的最終版，如下圖7：最終上交版在這份最終上交版中，經(jīng)過老師的檢查，還是發(fā)現(xiàn)了四處錯誤，分別是兩根連線沒有連上，以及兩個過孔沒有打通。這既是我當(dāng)時檢查不夠仔細導(dǎo)致的問題，同時也是我不會使用DRC的原因，在電路板發(fā)下來之后，經(jīng)過向老師請教，知道了如何用軟件檢查布線的結(jié)果，即DRC(design rule check 設(shè)計規(guī)則檢查)，極大的減少了以后出現(xiàn)這種細節(jié)性錯誤的可能性，也算是一種進步吧。這塊PCB板總共花了我一天的時間進行排版和布線，然后花了整整三天的時間，更改銅線的粗細，修改電源和晶振電路，然后還修改了四十多處沒連上或者過孔沒打通的錯誤，不得不說PCB的設(shè)計是一個集技術(shù)與耐心于一體的工作。四天的時間里讓我對PCB的設(shè)計產(chǎn)生了更深刻的認(rèn)識，包括電源和地的布線方式，模塊化設(shè)計的方法以及DRC確認(rèn)設(shè)計等等，同時也切身的體會到了自己經(jīng)驗的不足，也有了以后努力的方向。調(diào)試過程中的經(jīng)驗談?wù){(diào)試的具體過程已經(jīng)附在上文的安裝與調(diào)試環(huán)節(jié)了，所以在此就不再贅述了，這里簡單講一下在調(diào)試過程中所發(fā)現(xiàn)的一些設(shè)計上的注意事項以及小組成員溝通之間的注意事項。在這次的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的主要的設(shè)計錯誤和不合理的地方有網(wǎng)絡(luò)名在組員的原理圖更改之后沒有更新，鬧鐘的數(shù)值比較器比較的開關(guān)和計數(shù)器的二進制順序相反，沒有設(shè)計自啟動，以及整點報時功能存在競爭冒險現(xiàn)象，以及按鈕開關(guān)存在較大不確定性等問題。其中，網(wǎng)絡(luò)名的問題屬于組內(nèi)成員溝通問題，因為坐在一起，我們此次的交流基本上就是將原理圖直接發(fā)給對方，然后口頭告訴對方所更改的地方，然后對方再將所修改的地方直接復(fù)制過去。這種交流方式的優(yōu)點當(dāng)然就是交流效率非常高，但是缺點就是如果一次性有太多修改的時候，尤其是只是更改網(wǎng)絡(luò)名，而沒有更改其他設(shè)計的時候，容易被忽視。建議以后如果需要一個小組一起努力完成一個項目的話，每次都應(yīng)該將自己修改過的地方寫成文檔，讓其他成員按照文檔修改，而且這樣以后在調(diào)試的時候也有可以參考的文獻。而對于數(shù)值比較器的問題，設(shè)計的時候是按3210的數(shù)序進行高低比較的，但是撥碼開關(guān)上的順序是1234（錯位的以為因為不影響正常的大腦譯碼，所以不考慮，即對人腦來說不論是3210，還是4321只要是連續(xù)的四位數(shù)，結(jié)果都是一樣的），因此出現(xiàn)的問題就是邏輯上的高低和物理上的高低相反，因此對于單個撥碼開關(guān)使用的時候，最高位在右邊，要從右向左讀數(shù)，增加了使用難度，而讓用戶違反常規(guī)思維使用，讓用戶適應(yīng)產(chǎn)品的做法，是一款產(chǎn)品設(shè)計的非常大的缺陷，這也是以后在設(shè)計電子產(chǎn)品的時候要考慮的重要問題——在功能以及價格相同的時候，用戶體驗往往決定了產(chǎn)品的出路。圖8：撥碼開關(guān)的設(shè)計問題至于沒有設(shè)計自啟動，也是一個很嚴(yán)重的問題，雖說剛通電的時候，數(shù)字中可以處在任何有用的狀態(tài)，但有時候進去就是10：62，這樣還要通過校時30多秒才能進入正常的循環(huán)，這也是一個弊端。鑒于修改自啟動問題需要對整個電路的邏輯進行修改，工作量很大，而且對電路整體功能影響不大，所以這一問題我們小組暫未修改，且經(jīng)過所有其他調(diào)整之后，一般開機后會處于10：00（不穩(wěn)定），已經(jīng)不需要很長的校時調(diào)整。至于整點報時不準(zhǔn)確的問題，開始的時候我們以為是計數(shù)器少數(shù)了一個，或者是和電臺報時重疊。但我仔細考慮了一下，認(rèn)為事實并不是這樣，因為怎么想也不覺得每次計數(shù)器都會少數(shù)，原因肯定在輸入數(shù)據(jù)部分。結(jié)果接下來就發(fā)現(xiàn)了1點的時候報時是響12下，于是，我立馬確定了錯誤是跟我想的一樣，存在于輸入部分，即輸入部分存在競爭冒險——時鐘脈沖到達時，對應(yīng)的譯碼器因為眾多門電路的延時還沒有將新的狀態(tài)傳遞過來，減法計數(shù)器的數(shù)據(jù)輸入端還是上一個狀態(tài)，然后當(dāng)時鐘到達時，置入了上一個狀態(tài)，所以才存在報時的錯位現(xiàn)象。修改的關(guān)鍵就是延遲時鐘信號的到達，修改方案有加兩級反相器或者加上一個電容進行延時，因在調(diào)試的時候加入反相器過于麻煩，選擇了第二個方案，即加上一個電容進行延時。經(jīng)過修改之后，整點報時功能正常，符合設(shè)計要求。圖9：整點報時的數(shù)據(jù)輸入端最多經(jīng)過了三段延時最后，不得不說這么大的一個項目真的是對自己的一個鍛煉，不僅僅開始的時候要進行邏輯設(shè)計和改錯，要耗費那么長的時間進行一個PCB的設(shè)計和修改，要把一塊漏洞百出的電路調(diào)試到正常狀態(tài)，無論哪一步都很燒腦子，但是無論哪一步收獲都很大。我還要感謝我的兩個可愛的組員，沒有她們協(xié)助和付出，憑我一個人，很難在這么短的時間內(nèi)完成這么一個產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的全過程。還要感謝王老師的指導(dǎo)，指出了我們電路設(shè)計的不合理的地方，并告訴了我們修改方式，并且因為之前我不會DRC，在板子加工之前還幫我們修正了四處設(shè)計錯誤，使我們調(diào)試過程中的工作量極大的降低。附錄：原始調(diào)試記錄調(diào)試日期：2016/7/17 早上來到，安裝好芯片和撥碼開關(guān)之后，我們就安上了電源，開始了調(diào)試過程。l UH2引腳錯誤（沒錯，是兩個等效的網(wǎng)絡(luò)）l 開關(guān)與計數(shù)器大小順序，對應(yīng)撥碼開關(guān)右側(cè)為高位（對應(yīng)問題）l H1H2對應(yīng)順序等l 開關(guān)沒有防抖動，長按可正常調(diào)時（大部分），短按不確定 l 6，9不好看l 電臺報時和整點報時重疊 l 沒有設(shè)計自啟動l 網(wǎng)絡(luò)名不對（LD與LD1，外加飛線）下午調(diào)試：1． 長按的不確定性2． 分鐘和小時按鍵互相影響 3． 版子震動會改變狀態(tài)4． 分鐘不顯示——390發(fā)燙——按鍵失靈——整點報時一直響——換掉芯片，恢復(fù)正常。5． 整點報時少一聲（或許是重疊）調(diào)試日期：2016/7/18 接著昨天的進行調(diào)試，認(rèn)為需要修改的主要存在以下三個方面 l U22即74LS390存在發(fā)熱現(xiàn)象l 整點報時存在錯位現(xiàn)象（加電容延時）l 按鈕開關(guān)存在抖動現(xiàn)象，長按正常，短按不確定（懷疑是版子震動問題，換成撥碼開關(guān)并固定住版子，功能正常）設(shè)計的不合理：撥碼開關(guān)方向，按鈕開關(guān)，鬧鐘開關(guān)因未出現(xiàn)亂碼問題，所以開關(guān)上沒有出現(xiàn)對應(yīng)功能的提示，這也是一個很大的遺憾。AD布線：小鍵盤上的星號；或者shift+ctrl+滾輪 ，后手動布線 ——方便修改——分不同層，同時繞圈，區(qū)分縱橫——同一功能的元件盡量放在一起，尤其是電源，晶振等地方的電容，不然就沒用惹。：design——DRC——右下角message——下方窗口小組分工：李曉杰：答辯展示，鬧鐘電路原理圖繪制，電路行為仿真，原理圖修改，電路調(diào)試 張晨靖：答辯PPT制作，電路行為仿真，原理圖修改，電路調(diào)試 陳肖葦：答辯展示，原理圖主體部分及整點報時和仿電臺報時部分繪制，PCB排版布線，PCB版修改，PCB版焊接，電路調(diào)試第二篇：數(shù)字電子鐘課程設(shè)計目錄一． 引言???????????????????????2二． 課程設(shè)計目的???????????????????2三． 設(shè)計所需要的器材?????????????????2四． 課程設(shè)計原理???????????????????2五． 課程設(shè)計各個部分模塊的介紹????????????2???????????????????????????????????????????????????????????????? ????????????????????．譯碼器????????????????????????????3