【正文】 ??????????4??????????????????????4六．設(shè)計總結(jié)??????????????????????4七．心得體會??????????????????????4八．各部分電路圖???????????????????5—8九．總電路圖?????????????????????.9一．引言當今時代，電子技術(shù)迅猛發(fā)展，各種各樣的電子產(chǎn)品也相繼出現(xiàn)，數(shù)字電子鐘也應運而生。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)對應功能的提示，這也是一個很大的遺憾。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。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。經(jīng)過修改之后，整點報時功能正常，符合設(shè)計要求。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。至于整點報時不準確的問題，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。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。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。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制過去。調(diào)試過程中的經(jīng)驗談調(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。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。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。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。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。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。因為上一次的電子工程訓練，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。當然，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)過老師指導后進行了大改，已經(jīng)基本排除，但是修改的過程也是相當?shù)膹碗s，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有限的，以后對于空間要有更合理的把握。接下來，進行的是元器件的排版工作。PCB版圖的繪制主要包括了元器件的導入與檢查，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。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謹，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。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。另外數(shù)字鐘還有一個問題，就是整點報時功能不準確，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。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。當0111轉(zhuǎn)換為1000狀態(tài)時，Q3從0變成1，Q0、2則應“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。我們分析錯誤原因，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protues中畫好原理圖后，我們開始進行電路仿真。在進行電路仿真的過程中，由于是第一次使用protues ISIS軟件，我一開始還不太熟悉軟件的操作方法和功能。張晨靖：通過這次實驗，我學習了中規(guī)模集成電路如何設(shè)計制作數(shù)字電路系統(tǒng)，了解了數(shù)字鐘的基本功能和擴展功能的設(shè)計實現(xiàn)方法，學會使用protuesISIS軟件進行電路的仿真以及仿真出錯后怎樣快速尋找問題原因并進行修調(diào)，同時進一步熟練了AD軟件的使用和電路板的安裝調(diào)試。另外，我覺得我們在設(shè)計原理圖和繪制PCB板時對后續(xù)問題的預見和為調(diào)試過程做準備的意識有待增強，我們可以提前增加多余的引腳方便我們接示波器等設(shè)備對波形進行測量。我們也對開關(guān)防抖動電路加深了理解，開關(guān)防抖動是通過一個RC電路來減輕開關(guān)抖動產(chǎn)生的時間很短的脈沖尖刺等造成電路的變化，可以通過R、C來改變時間常數(shù)達到防抖動。在實際電路調(diào)試中，我們也遇到了競爭冒險的問題，通過增加電容延時的方法來解決問題。調(diào)試過程加深了我對各個芯片作用的理解，也積累了調(diào)試和修改電路的經(jīng)驗。軟件的仿真與實際還是存在差別的，并且每個軟件的長處和優(yōu)點都不一樣，我們要根據(jù)電路功能選擇合適的軟件進行仿真。后來發(fā)現(xiàn)將7400改為74LS00后就不會存在這個問題。在后續(xù)仿真中，我們不加入振蕩電路，而通過給予激勵電源來提供輸入信號。在用Proteus仿真振蕩、分頻電路中，發(fā)現(xiàn)晶振不能起振，在網(wǎng)上查詢發(fā)現(xiàn)這個問題很普遍，Proteus仿真振蕩電路是一個短板，我們可以直接設(shè)置CD4060的振蕩頻率為32768Hz來實現(xiàn)振蕩電路的觀察，但是此時仿真會提示CPU負載達到99~100%使仿真時間與實際時間相差非常大，時間變化得非常慢，并且在示波器上無法顯示波形。在電路仿真過程中，我們學習了Proteus軟件的使用。我們在設(shè)計鬧鐘電路的控制開關(guān)時經(jīng)過多次修改，與數(shù)值比較器相連設(shè)置時間的撥碼開關(guān)電路在此處仿真會出現(xiàn)問題，最終我們確定用兩個撥碼開關(guān)一個接電源一個接地實現(xiàn)控制作用。在設(shè)計鬧鐘電路時，運用了撥碼開關(guān)撥二進制數(shù)來實現(xiàn)鬧鐘時間的設(shè)定，又用數(shù)值比較器來確定數(shù)字鐘到達了設(shè)定時間。另外，整點報小時數(shù)電路中通過D觸發(fā)器來實現(xiàn)減法計數(shù)器和置數(shù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也值得學習。在確定實驗項目后，首先對給出的電路原理進行理解掌握。仿廣播電臺報時模塊能夠正常工作。在LD1的輸出端與計數(shù)器74LS191的置數(shù)管腳之間并聯(lián)一個104電容，注意焊接時使電容管腳與其他管腳不相接，以免發(fā)生短路情況。并且在12→1過程中，小時數(shù)報了12聲。之后再改變校時按鈕后，聽報小時數(shù)是正常的。因為該電路是在小時數(shù)變化時工作，所以我們只需要通過校時開關(guān)改變小時數(shù)，而不需要將數(shù)字鐘調(diào)至整點來測試電路。找到該模塊的電路，與原理圖對照的過程中發(fā)現(xiàn)有一網(wǎng)絡(luò)名寫錯，在最后版本的原理圖中沒有改正過來。⑥調(diào)節(jié)仿廣播臺報時功能打開該電路模塊的控制開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)喇叭一直發(fā)出一秒一響的聲音。實現(xiàn)來四聲低音一聲高音的仿廣播電臺報時功能。因此調(diào)試時應小心不能同時撥開兩個開關(guān)。由于設(shè)計電路的原因，控制開關(guān)有兩個撥碼開關(guān)接入狀態(tài)，左數(shù)第一個與電源相接，第二個與地相接，當?shù)诙€開關(guān)未接通（0）時不論第一個撥碼開關(guān)接通與否輸入都為高電平（1），鬧鐘電路工作；當狀態(tài)為01時，鬧鐘電路控制開關(guān)處于打開狀態(tài)，相當于鬧鐘電路不工作。說明鬧鐘電路正常工作。檢查原理圖和電路板，發(fā)現(xiàn)每個撥碼開關(guān)的高位到低位是從右向左的，重新調(diào)整撥碼開關(guān)的撥碼后，喇叭持續(xù)發(fā)出1kHz的聲音。首先確定電路板上從左到右四個開關(guān)順序按照小時的十位、個位，分鐘的十位、個位排列，之后按照當前時間設(shè)置撥碼開關(guān)的數(shù)值。④調(diào)節(jié)鬧鐘功能。猜測可能背后接電容和示波器測波形時可能有短路等情況發(fā)生導致74LS390燒壞。拆下74LS390后用萬用表測試插座上各個管腳的電壓，發(fā)現(xiàn)電壓并沒有異常情況，接地腳與電源地直接的電壓為0V左右。在調(diào)節(jié)校時、校分時曾經(jīng)在板子后方接一個電容，并接過示波器，這個過程中分鐘數(shù)碼管曾突然不顯示，按校時、校分按鈕并不能使其恢復正常。換成撥碼開關(guān)后，打開撥碼開關(guān)后小時、分鐘能夠正常計數(shù)。但是改變電容后按鍵短按校時校分情況并沒有明顯改變。開關(guān)防抖動與上拉電阻與并聯(lián)電容組成的RC電路有關(guān)，所以通過改變電容電阻的值來增大RC電路的時間常數(shù)。在測試按鈕短按實現(xiàn)快校時時，發(fā)現(xiàn)短按校時按鈕，小時顯示有可能不變、或有可能亂跳，如從12跳到6跳到2；校分按鈕短按時有不變情況，在校分計數(shù)超過40后經(jīng)常直接置零；并且校分按鈕會影響到小時的顯示；長按時按鍵按下和松開時也會影響計數(shù)變化。長按校時按鈕，小時以1Hz頻率實現(xiàn)1→12計數(shù)，小時模塊正常工作。當秒到“59”后，兩數(shù)碼管變?yōu)?，同時分鐘位加1，說明秒到分鐘的邏輯正確。秒數(shù)碼管的變化說明秒計數(shù)正確，分鐘和小時則說明了我們在設(shè)計中忽略了自啟動問題。因此振蕩電路正常工作。在將探頭接至5腳，測得500Hz左右的方波信號。③主體電路的調(diào)試按照原理圖首先安裝CD4060芯片，測試振蕩電路是否正常。②電源電路安裝好電路后，在沒有裝芯片的情況下，測試電源電路是否正常。老師告知PCB板可能出現(xiàn)幾處錯誤，因為修改元件時自動布線把過孔取消了，因此幾根地線沒有連上。S1是小時電路的手動快校時按鍵，S2為分鐘電路的手動快校時按鍵。SW2是鬧鐘控制電路，其中僅開關(guān)1閉合，鬧鐘打開；僅開關(guān)2閉合，鬧鐘關(guān)閉；開關(guān)1和開關(guān)2同時斷開，芯片默認高電平，鬧鐘打開；開關(guān)1和開關(guān)2同時閉合，則電源和地會短路，所以不能同時閉合。首先由16進制計數(shù)器由1Hz信號進行計數(shù)和產(chǎn)生進位，同時將狀態(tài)傳遞給顯示譯碼器4511，顯示譯碼器4511將計數(shù)器傳遞來的狀態(tài)進行譯碼，輸出對應的高電平信號，經(jīng)電阻分壓后，點亮對應的共陰數(shù)碼管顯示器，即可實現(xiàn)電路的主體功能。 晶振電路 上圖為晶振電路，U1是14次分頻的分頻器，晶振的輸出信號經(jīng)過U1產(chǎn)生一個1KHz的信號和一個2Hz的信號，其中2Hz的信號再次經(jīng)過分頻產(chǎn)生1Hz的信號，當作計數(shù)器的時鐘。下面，將針對電路中的關(guān)鍵模塊進行詳細的介紹。⑥電源電路 電源電路最終設(shè)計完成的PCB版如下： 電路整體設(shè)計電路排版的整體設(shè)計理念是將電源以及指示燈放在右上角，通電的同時即可檢驗電路是否能工作以及電源電路是否正常工作，同時，將整塊電路中的用戶交互界面，即時間顯示界面和按鈕操作界面分別置于電路板的上下兩側(cè)，其中，將時間顯示界面放在最上方，方便觀察和調(diào)試，將按鈕操作界面放在電路板的最下方，方面用戶操作；至于其他的功能模塊，則放在電路板的中間部分，并按功能相關(guān)的原則進行排版。④仿廣播電臺報時功能觀察整點即將來臨時音響的波形顯示，發(fā)現(xiàn)在整點前10s開始報時，并從揚聲器中聽出先報四聲低音再報一聲高音，更改若干整點數(shù)功能均能正常實現(xiàn)。音響發(fā)出4聲提示音的波形。 修改后局部電路②時間校準功能對電路進行快速時間校準功能的仿真，發(fā)現(xiàn)當校時開關(guān)下按時，小時數(shù)會升高，實現(xiàn)小時校準；當校分開關(guān)下按時，分鐘數(shù)會升高，實現(xiàn)分鐘校準，時間校準功能正常。結(jié)合這一現(xiàn)象，我們分析原因為，當H13從0狀態(tài)變成1狀態(tài)時，HH11和H12也同時從1狀態(tài)變成0，由于電路的延遲，以及計數(shù)器采用異步置數(shù)，導致跳變現(xiàn)象的產(chǎn)生。我們將H1H1 五、設(shè)計方案及仿真分析： ①主體電路 振蕩器 計數(shù)器 譯碼顯示②擴展電路 正點報時 定時控制 音響電路 電源電路： ①計時顯示功能起初仿真發(fā)現(xiàn)小時、分、秒的數(shù)字都能夠正常顯示，且分、秒為60進制，但小時信號出現(xiàn)滿7復0的狀況，即狀態(tài)為0→1→2→3→4→5→6→7→10→11→12。②依次進行主體電路和各擴展電路的