调试数字钟

项目七　数字钟的组装与调试

小明家的挂钟坏了，看时间很不方便。小明想:自己学电子专业的学生，能否利用自己所学的专业知识组装一个电子数字钟呢？于是小明与同学一起开始了数字钟的组装。

【知识目标】

　●能阐述数字钟电路中主要元件的作用。

　●能描述数字钟电路的组成。

　●能描述数字钟电路各个组成部分在电路中的作用。

【技能目标】

　●能识别数字钟主要元件。

　●能看懂数字钟安装说明书。

　●能对元件进行正确整形。

　●能根据元件特点选择正确的组装顺序。

　●能描述电路测试的基本方法，并进行整机测试。

任务一　组装数字钟

任务描述

数字钟广泛应用于车站、码头、机场等场所，它是采用数字电路对时、分、秒进行数字显示的计时装置。与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动等优点。小明与同学通过查找资料知道了电子数字钟的基本组成和所需的电子元器件，于是备好器材后便开始了电子数字钟的组装。

任务分析

数字钟主要采用晶体振荡器、计数器、报时电路、译码显示电路等典型功能电路构成。在组装电子数字钟前要认真识读装配说明书、分析电路原理图，按电子产品装配工艺要求筛选元器件、检测元器件，进行元器件整形安装焊接，完成电子数字钟组装。

为了更好地组织教学，建议采用小组协作、理实一体组织教学。

任务实施

活动一　识读电子数字钟电路框图与电路原理图

一、组成框图

电子数字钟组成框图如图7-1所示。

图7-1

二、电路原理图

电子数字钟电路原理如图7-2所示。

图7-2

活动二　编制元器件清单表

电子数字钟元器件选用见表7-1。

表7-1　元器件、规格型号和数量明细表

活动三　元器件识别与检测

一、数字钟元器件清理

按元器件明细表逐一清理元器件，从参数、规格型号、数量进行对比核实清理。如果有元器件缺损或规格型号错误的，应及时更换。

二、数字钟元器件检测

按前面各项目对元器件的检测方法逐一对电阻器、电容器、晶体三极管等元器件进行检测判断其性能好坏。

（1）扬声器的检测

对扬声器的检测一般采用指针式万用表进行检测。测量时，将指针万用表置于电阻量程R×1Ω挡，一只表笔固定在扬声器一引脚上，另一只表笔断续接触在另一引脚。此时指针应有摆动，同时能听到扬声器发出“喀喇喀喇”的响声，响声越大越好，无此响声则说明扬声器音圈被卡死或音圈损坏。也可以采用测量直流电阻方法来进行检测，即将指针万用表置于电阻量程R×1Ω挡，测量扬声器两引脚之间的直流电阻，正常时应比所标铭牌扬声器阻抗略小。如果测量阻值为无穷大，或远大于它的标称阻抗值，则说明扬声器已经损坏。

（2）石英晶体的检测

将万用表置于电阻量程R×10kΩ挡，测量石英晶体振荡器的正、反向电阻值，正常时均应为∞（无穷大）。若测得石英晶体振荡器有一定的阻值或为0，则说明该石英晶体振荡器已漏电或击穿损坏。

（3）数码管检测

①测量数码管的正反向电阻。

将万用表置于电阻量程R×10kΩ挡（R×1kΩ挡测不出数码管正反向电阻），同测试普通二极管一样测其正反向电阻。对于共阴极的数码管，红表笔接数码管的电源负端脚，黑表笔分别接其他各脚。测共阳极的数码管时，黑表笔接数码管的电源正端，红表笔分别接其他各脚。

②用电池和万用表检测数码管的笔端。

用两节2号电池串联，对于共阴极的数码管，电池的负极接数码管的电源负端，电池的正极分别接其他各脚。对于共阳极的数码管，电池的正极接数码管的电源正端，电池负极分别接其他各脚，看各段是否点亮。对于不明型号、不知引脚排列的数码管，可用第一种方法找到共用点，用第二种方法测试出各笔段。同理，用稳压电源和万用表也可检测数码管的笔端。

活动四　数字钟装配

一、元器件装配流程

元器件筛选检测→元器件加工成形→元器件插装→元器件焊接→修剪引脚→整理→调试。

元器件插装原则是:先小后大、先低后高、先轻后重、先易后难、先耐热后不耐热。一般装焊顺序是:电阻器→电容器→晶体管→集成电路等。

二、元器件安装

根据原理图和印制板图（PCB板），将元器件安插在PCB板上，安装引线插孔元器件时先进行整形处理。本数字钟所用引线插孔元器件较少，安装较容易。

安装晶体三极管9013时应注意其引脚极性。引脚识别方法是:三极管字符面朝向自己，引脚朝下，从左到右3个电极分别为发射极、基极、集电极。

由于所用集成电路较多，安装时必须正确选择集成电路型号，同时要注意管脚位号。

三、元器件焊接

①焊接时，应先将烙铁头处理好，并注意所加助焊剂量和焊锡量。

②焊接时间在保证润湿的情况下越短越好。

③焊接集成电路时，电烙铁外壳应有良好接地，电烙铁在电路板上停留的时间应尽可能短。由于集成电路管脚密，应避免焊接一个引脚时碰到相邻引脚出现连焊。

④焊接应确保质量，对存在缺陷的焊点应进行重新焊接修补。

⑤剪去元器件多余引脚，注意不能损坏焊点。

任务二　调试数字钟

任务描述

小明的数字钟已经安装焊接完毕，但数码管还没有点亮，要怎样才能使数码管准确地显示时、分、秒呢？这还需要对组装好的数字钟进行调试。

任务分析

在学习本任务前需认知晶体振荡器、计数器、报时电路、译码显示电路的工作原理。在对数字钟进行电路调试时需对相关参数逐一调试。应做好调试前的检查，准备好调试所需仪器仪表和工具。正确的调测是数字钟走时准确的基础。

任务实施

活动一　调试前的准备

①连接好电路板上各短接线和导线，导线焊前按下料→剥头→捻头→浸锡等工序处理，导线的线头长度应适中。

②通电前应全面检测有无漏焊、错焊、连焊等焊接方面的失误，同时检查集成电路有无装错、管脚序号是否正确等。

③准备好调试所需仪器仪表和工具。

活动二　数字钟的调试

确认安装无误后，接通电源，逐级调试。

用通用计数器测量晶体振荡器输出频率，调节微调电容C2，使振荡频率为32768Hz。再测CD4060的Q4、Q5和Q6等脚输出频率，检查CD4060工作是否正常。

①将秒脉冲送入秒计数器，检查秒个位、十位是否按10s、60s进位，采用同样方法检测分计数器和时计数器。

②调试好时、分、秒计数器后，通过校时开关依次校准秒、分、时，数字钟开始正常走时。

③利用校时开关加快数字钟走时，调试整点报时电路，使其分别在59min51s、53s、55s、57s时鸣叫4声低音，在59min59s时鸣叫一声高音。

知识链接

电子数字钟工作原理

电子数字钟由秒脉冲发生器，六十进制的“秒”“分”计时计数器和二十四进制的“时”计时计数器，时、分、秒译码显示电路，校时电路和报时电路5部分电路组成。

一、秒信号发生电路

秒信号发生电路产生频率为1Hz的时间基准信号。数字钟大多采用32768（215）Hz石英晶体振荡器，经过15级二分频，获得1Hz的秒脉冲，如图7-3所示。该电路主要应用CD4060。CD4060是14级二进制计数器、分频器、振荡器。它与外接电阻、电容、石英晶体共同组成215＝32768Hz振荡器，并进行14级二分频，再外加一级D触发器（74LS74）二分频，输出1Hz的时基秒信号。CD4060的引脚排列如图7-4所示，表7-2为CD4060的功能表。R4是反馈电阻，可使CD4060内非门电路工作在电压传输特性的过渡区，即线性放大区。R4的阻值可在几兆到十几兆之间选择，一般取22MΩ。C2是微调电容，可将振荡频率调整到精确值。

图7-3

图7-4

表7-2　CD4060功能表

二、计数器电路

“秒”“分”“时”计数器电路均采用双BCD同步加法计数器CD4518，如图7-5所示。“秒”“分”计数器是六十进制计数器，为了便于应用8421BCD码显示译码器工作，“秒”“分”个位采用十进制计数器，十位采用六进制计数器，如图7-5（a）所示。“时”计数器是二十四进制计数器，如图7-5（b）所示。CD4518的引脚排列和功能分别见图7-6和表7-3。

图7-5

图7-6

表7-3　CD4518功能表

三、译码、显示电路

“时”“分”“秒”的译码电路和显示电路完全相同，均使用7段显示译码器74LS248直接驱动LED数码管LC5011-11。图7-7所示为秒位译码、显示电路。74LS248和LC5011-11的引脚排列如图7-8所示。

四、校时电路

校时电路如图7-9所示。“秒”校时采用等待校时法。正常工作时，将开关S1拨向VDD位置，不影响与门G1传送秒计数信号。进行校对时，将S1拨向接地位置，封闭与门G1，暂停秒计时。标准时间一到，立即将S1拨回VDD位置，开放与门G1。“分”和“时”校时采用加速校时法。正常工作时，S2或S3接地，封闭与门G3或G5，不影响或门G2或G4传送秒、分进位计数脉冲。进行校对时，将S2、S3拨向VDD位置，秒脉冲通过G3、G2或G5、G4直接引入“分”“时”计数器，让“分”，“时”计数器以秒节奏快速计数。待标准分、时一到，立即将S2、S3拨回接地位置，封锁秒脉冲信号，开放或门G2、G4对秒、分进位计数脉冲的传送。

图7-7

图7-8

图7-9

五、整点报时电路

整点报时电路如图7-10所示，包括控制和音响两部分。每当“分”和“秒”计数器计到59′51″，自动驱动音响电路发出5次持续1s的鸣叫，前4次音调低，最后1次音调高。最后一声鸣叫结束，计数器正好为整点（“00”分“00”秒）。

（1）控制电路

每当分、秒计数器计到59′50″时，开始鸣叫报时。此间，只有秒个位计数，所以:

另外，时钟到达51s、53s、55s、57s和59s（即QA1＝1）时就鸣叫。为此，将Qc4、QA4、QD3、QA3、QD2、QA2和QA1逻辑相与作为控制信号C。

所以:Y＝CQD1A＋CQD1B

在51s、53s、55s和57s时，QD1＝O，QA1＝1，扬声器以512Hz音频鸣叫4次。在59s 时，QD1＝1，Y＝B，扬声器以1024kHz音频鸣叫最后一声。报时电路中的512Hz低音频信号A和1024Hz高音频信号B分别取自CD4060的Q6和Q5。

图7-10

（2）音响电路

音响电路采用射极输出器VT驱动扬声器，R6、R5用来限流。

知识拓展

数字钟常见故障及处理

一、数字钟常见故障

①7段显示器显示缺笔画。

②7段显示器显示和整点报时都不正常。

③数字钟显示正常，但整点报时无声响。

二、查找故障的一般步骤

①7段显示器显示缺笔画时，故障查找流程如下:

②7段显示器显示和整点报时都不正常时，故障查找流程如下:

③数字钟显示正常但整点报时无声响时，故障查找流程如下:

三、故障处理方法

下面以7段显示器显示和整点报时都不正常为例说明数字钟故障处理方法。

7段显示器显示和整点报时都不正常的故障现象，可根据查找故障流程，首先检测电源电压、电池、电池夹、供电线等供电电。此类故障大多由供电电路引起，解决供电问题，就能使数字钟恢复正常。如果电源电压正常，供给到各部分的电压也正常，则重点检查秒信号发生电路，因为它是显示电路和报时电路的公共信号源。它由振荡器和分频器两部分组成，可利用示波器测量它们的输出波形，根据波形可快速判断故障部位，修复数字钟，使其正常工作。

强化训练

做一做

1.画出数字钟组成方框图。

2.如何用万用表检测扬声器和石英晶体的好坏？

3.测定数字集成电路引脚电压填入下表中。

4.故障分析

（1）如果74LS74的第5脚开路，会出现什么现象？

（2）如果74LS30的第8脚开路，会出现什么现象？

（3）如果R6开路，会出现什么现象？

5.数字钟常见故障有哪些？

6.7段显示器显示和整点报时都不正常，试分析检修过程。

学习评价表

续表