【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?yàn)镈觸發(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(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換也存在問題，當(dāng)輸出狀態(tài)達(dá)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(jì)數(shù)器的Q1）、H12（74191計(jì)數(shù)器的Q2）、H13（74191計(jì)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(xiǎn)現(xiàn)象，而原本的進(jìn)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(jìn)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?yàn)槲覀冮_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(jìn)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(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，才會產(chǎn)生進(jìn)位信號，再次仿真就發(fā)現(xiàn)功能已經(jīng)可以正確實(shí)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)報(bào)時功能不準(zhǔn)確，到達(dá)1點(diǎn)時會報(bào)時12聲，2點(diǎn)會報(bào)時1聲，3點(diǎn)會報(bào)時2聲等等，以此類推。我們分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種整點(diǎn)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(xiǎn)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(bào)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(jì)上存在一些細(xì)節(jié)問題，很多實(shí)際電路中可能存在的細(xì)節(jié)在先前的設(shè)計(jì)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(yuǎn)，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(jìn)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(jì)是一個不斷調(diào)整不斷完善的過程，需要考慮到各種實(shí)際情況，才能設(shè)計(jì)出美觀實(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)主要擔(dān)任的工作是原理圖主體部分以及兩個擴(kuò)展部分的繪制，PCB的全部設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行了，但是由于一些細(xì)節(jié)上的原因，導(dǎo)致提前進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)行下面的工作。接下來，進(jìn)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(jìn)行操作；至于其它的部分，主要就是為了美觀進(jìn)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(shí)現(xiàn)埋下了隱患（雖然這個隱患經(jīng)過老師指導(dǎo)后進(jìn)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(shí)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(jìn)行布線了。因?yàn)樯弦淮蔚碾娮庸こ逃?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(diǎn)驚喜，因?yàn)樯弦淮尾季€所耗費(fèi)的時間實(shí)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(xì)，而且又不能直接批量修改，因?yàn)樵趦?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(jì)的版圖，于是設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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?yàn)殡娐钒鍍?nèi)部沒有空隙，所以考慮將兩片芯片放在了右下角單獨(dú)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(jì)失誤，一個就是電源的四個濾波電容離電源太遠(yuǎn)，效果不好，二是晶振和14次分頻器距離太遠(yuǎn)。于是回去之后我就將這兩部分電路單獨(dú)拿了出來，放在了右上方，改正了電路設(shè)計(jì)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(jìn)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(xì)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(jì)規(guī)則檢查)，極大的減少了以后出現(xiàn)這種細(xì)節(jié)性錯誤的可能性，也算是一種進(jìn)步吧。這塊PCB板總共花了我一天的時間進(jìn)行排版和布線，然后花了整整三天的時間，更改銅線的粗細(xì)，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(jì)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(jì)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(jì)的方法以及DRC確認(rèn)設(shè)計(jì)等等，同時也切身的體會到了自己經(jīng)驗(yàn)的不足，也有了以后努力的方向。調(diào)試過程中的經(jīng)驗(yàn)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(jì)上的注意事項(xiàng)以及小組成員溝通之間的注意事項(xiàng)。在這次的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的主要的設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器的二進(jìn)制順序相反，沒有設(shè)計(jì)自啟動，以及整點(diǎn)報(bào)時功能存在競爭冒險(xiǎn)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?yàn)樽谝黄?，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(diǎn)當(dāng)然就是交流效率非常高，但是缺點(diǎn)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(jì)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(xiàng)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(xiàn)。而對于數(shù)值比較器的問題，設(shè)計(jì)的時候是按3210的數(shù)序進(jìn)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?yàn)椴挥绊懻５拇竽X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(jì)的非常大的缺陷，這也是以后在設(shè)計(jì)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(yàn)往往決定了產(chǎn)品的出路。圖8：撥碼開關(guān)的設(shè)計(jì)問題至于沒有設(shè)計(jì)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(jìn)去就是10：62，這樣還要通過校時30多秒才能進(jìn)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(jìn)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(jī)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(diǎn)報(bào)時不準(zhǔn)確的問題，開始的時候我們以為是計(jì)數(shù)器少數(shù)了一個，或者是和電臺報(bào)時重疊。但我仔細(xì)考慮了一下，認(rèn)為事實(shí)并不是這樣，因?yàn)樵趺聪胍膊挥X得每次計(jì)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(diǎn)的時候報(bào)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(xiǎn)——時鐘脈沖到達(dá)時，對應(yīng)的譯碼器因?yàn)楸姸嚅T電路的延時還沒有將新的狀態(tài)傳遞過來，減法計(jì)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(dá)時，置入了上一個狀態(tài)，所以才存在報(bào)時的錯位現(xiàn)象。修改的關(guān)鍵就是延遲時鐘信號的到達(dá)，修改方案有加兩級反相器或者加上一個電容進(jìn)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(jìn)行延時。經(jīng)過修改之后，整點(diǎn)報(bào)時功能正常，符合設(shè)計(jì)要求。圖9：整點(diǎn)報(bào)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(xiàng)目真的是對自己的一個鍛煉，不僅僅開始的時候要進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和改錯，要耗費(fèi)那么長的時間進(jìn)行一個PCB的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的不合理的地方，并告訴了我們修改方式，并且因?yàn)橹拔也粫﨑RC，在板子加工之前還幫我們修正了四處設(shè)計(jì)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(jì)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(bào)時和整點(diǎn)報(bào)時重疊 l 沒有設(shè)計(jì)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(diǎn)報(bào)時一直響——換掉芯片，恢復(fù)正常。5． 整點(diǎn)報(bào)時少一聲（或許是重疊）調(diào)試日期：2016/7/18 接著昨天的進(jìn)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(diǎn)報(bào)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(jì)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(diǎn)報(bào)時和仿電臺報(bào)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(jì)目錄一． 引言???????????????????????2二． 課程設(shè)計(jì)目的???????????????????2三． 設(shè)計(jì)所需要的器材?????????????????2四． 課程設(shè)計(jì)原理???????????????????2五． 課程設(shè)計(jì)各個部分模塊的介紹????????????2???????????????????????????????????????????????????????????????? ????????????????????．譯碼器????????????????????????????3