基于FPGA的多功能时钟

1前言现代社会的标志之一就是信息产品的广泛使用，而且是产品的性能越来越强，复杂程度越来越高，更新步伐越来越快。支撑信息电子产品高速发展的基础就是微电子制造工艺水平的提高和电子产品设计开发技术的发展。前者以微细加工技术为代表，而后者的代表就是电子设计自动化（electronicdesignautomatic,EDA）技术。本设计采用的VHDL是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级这三个不同层次的设计；支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述，覆盖面广，抽象能力强，因此在实际应用中越来越广泛。ASIC是专用的系统集成电路，是一种带有逻辑处理的加速处理器；而FPGA是特殊的ASIC芯片，与其它的ASIC芯片相比，它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检测等优点。在控制系统中，键盘是常用的人机交换接口，当所设置的功能键或数字键按下的时候，系统应该完成该键所对应的功能。因此，按键信息输入是与软件结构密切相关的过程。根据键盘结构的不同，采用不同的编码方法，但无论有无编码以及采用什么样的编码，最后都要转换成为相应的键值，以实现按键功能程序的转移。[1]钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些都是以钟表数字化为基础的。因此研究数字钟以及扩大其应用有着非常现实的意义。21传统电子实习学习内容1.1常用元器件识别任何电子电路都是由元器件组成的，而常用的元器件有电阻器、电容器、电感器和各种半导体器件(如二极管、三极管、集成电路等)。为了能正确地选择和使用这些元、器件，就必须掌握它们的性能、结构与主要参数性能等有关知识。1.1.1电阻器的简单识别与型号命名法电阻器的简单识别电阻器是电路元件中应用最广泛的一种，在电子设备中约占元件总数的30%以上，其质量的好坏对电路工作的稳定性有极大影响。电阻器主要用途是稳定和调节电路中的电流和电压，其次还可作为分流器、分压器和消耗电能的负载等。电阻器按结构可分为固定式和可变式两大类。固定式电阻器一般称为“电阻”。由于制作材料和工艺不同，可分为膜式电阻、实芯式电阻、金属线绕电阻(RX)和特殊电阻四种类型。膜式电阻包括：碳膜电阻RT、金属膜电阻RJ、合成膜电阻RH和氧化膜电阻RY等。实芯电阻包括：有机实芯电阻RS和无机实芯电阻RN。特殊电阻包括：MG型光敏电阻和MF型热敏电阻。可变式电阻器分为滑线式变阻器和电位器。其中应用最广泛的是电位器。图1.常用电阻器外形及符号色环颜色的意义例如，四色环电阻器的第一、二、三、四道色环分别为棕、绿、红、金色，则该电阻的阻值和误差分别为：R=(1×10+5)×102Ω=1500Ω3电阻器的型号命名法表示例：RJ71—0.125—5.1kI型的命令含义：1.1.2选用电阻器常识1.根据电子设备的技术指标和电路的具体要求选用电阻的型号和误差等级。2.为提高设备的可靠性，延长使用寿命，应选用额定功率大于实际消耗功率的1.5-2倍。3.电阻装接前应进行测量、核对，尤其是在精密电子仪器设备装配时，还需经人工老化处理，以提高稳定性。4.在装配电子仪器时，若所用非色环电阻，则应将电阻标称值标志朝上，且标志顺序一致，以便于观察。5.焊接电阻时，烙铁停留时间不宜过长。6.选用电阻时应根据电路中信号频率的高低来选择。7.电路中如需串联或并联电阻来获得所需阻值时，应考虑其额定功率。阻值相同的电阻串联或并联，额定功率等于各个电阻额定功率之和；阻值不同的电阻串联时，额定功率取决于高阻值电阻。并联时，取决于低阻值电阻，且需计算方可应用。1.1.3电容器的简单识别与型号命名法电容器的简单识别按其结构，可分为以下三种：固定电容器、半可变电容器(微调电容器)、可变电容器4按电容器介质材料，可分为以下几种：电解电容器、云母电容器、瓷介电容器、玻璃釉电容、纸介电容器、有机薄膜电容器电容器型号命名法表电容器型号命名法5示例：CJX-250-0.33-±10%电容器的命令含义：1.1.4电容器质量优劣的简单测试一般，我们利用万用表的欧姆挡就可以简单地测量出电解电容器的优劣情况，粗略地辨别其漏电、容量衰减或失效的情况。具体方法是：选用“R×1k”或“R×100”挡，将黑表笔接电容器的正极，红表笔接电容器的负极，若表针摆动大，且返回慢，返回位置接近曲，说明该电容器正常，且电容量大；若表针摆动大，但返回时，表针显示的Ω值较小，说明该电容漏电流较大；若表针摆动很大，接近于0Ω，且不返回，说明该电容器已击穿；若表针不摆动，则说明该电容器已开路，失效。该方法也适用于辨别其他类型的电容器。但如果电容器容量较小时，应选择万用表的“R×10k”挡测量。另外，如果需要对电容器再一次测量时，必须将其放电后方能进行。选用电容器常识1.电容器装接前应进行测量，看其是否短路、断路或漏电严重，并在装入电路时，应使电容器的标志易于观察，且标志顺序一致。2.电路中，电容器两端的电压不能超过电容器本身的工作电压。装接时注意正、负极性不能接反。2.当现有电容器与电路要求的容量或耐压不合适时，可以采用串联或并联的方法予以适应。当两个工作电压不同的电容器并联时，耐压值取决于低的电容器；当两个容量不同的电容器串联时，容量小的电容器所承受的电压高于容量大的电容器。4.技术要求不同的电路，应选用不同类形的电容器。5.选用电容器时应根据电路中信号频率的高低来选择。1.1.5电感器的简单识别与型号命名法电感器的分类：根据电感器的电感量是否可调，电感器分为固定、可变和微调电感器。可变电感器的电感量可利用磁芯在线圈内移动而在较大的范围内调节。它与固定电容器配合应用于谐振电路中起调谐作用。微调电感器可以满足整机调试的需要和补偿电感器生产中的分散性，一次调好后，一般不再变动。(a)电感器线圈(b)带磁芯、铁心的电感器(c)磁芯有间隙电感器(d)带磁芯连续可调电感器(e)有抽头电感器(f)步进移动触点的可变电感器(g)可变电感器选用电感器常识1.在选电感器时，首先应明确其使用频率范围。铁心线圈只能用于低频；一般铁氧体线圈、空心线圈可用于高频。其次要弄清线圈的电感量。62.线圈是磁感应元件，它对周围的电感性元件有影响。安装时一定要注意电感性元件之间的相互位置，一般应使相互靠近的电感线圈的轴线互相垂直，必要时可在电感性元件上加屏蔽罩。1.1.6半导体器件的简单识别与型号命名半导体器件的简单识别半导体二极管和三极管是组成分立元件电子电路的核心器件。二极管具有单向导电性，可用于整流、检波、稳压、混频电路中。三极管对信号具有放大作用和开关作用。半导体器件型号命名法半导体二极管和三极管是组成分立元件电子电路的核心器件。二极管具有单向导电性，可用于整流、检波、稳压、混频电路中。三极管对信号具有放大作用和开关作用。半导体器件型号命名法表71.2焊接技术线路板，电路板,PCB板，pcb焊接技术近年来电子工业工艺发展历程，可以注意到一个很明显的趋势就是回流焊技术。原则上传统插装件也可用回流焊工艺，这就是通常所说的通孔回流焊接。其优点是有可能在同一时间内完成所有的焊点，使生产成本降到最低。然而温度敏感元件却限制了回流焊接的应用，无论是插装件还是SMD.继而人们把目光转向选择焊接。大多数应用中都可以在回流焊接之后采用选择焊接。这将成为经济而有效地完成剩余插装件的焊接方法，而且与将来的无铅焊接完全兼容。选择性焊接的工艺特点可通过与波峰焊的比较来了解选择性焊接的工艺特点。两者间最明显的差异在于波峰焊中PCB的下部完全浸入液态焊料中，而在选择性焊接中，仅有部分特定区域与焊锡波接触。由于PCB本身就是一种不良的热传导介质，因此焊接时它不会加热熔化邻近元器件和PCB区域的焊点。在焊接前也必须预先涂敷助焊剂。与波峰焊相比，助焊剂仅涂覆在PCB下部的待焊接部位，而不是整个PCB.另外选择性焊接仅适用于插装元件的焊接。选择性焊接是一种全新的方法，彻底了解选择性焊接工艺和设备是成功焊接所必需的。选择性焊接的流程典型的选择性焊接的工艺流程包括：助焊剂喷涂，PCB预热、浸焊和拖焊。助焊剂涂布工艺在选择性焊接中，助焊剂涂布工序起着重要的作用。焊接加热与焊接结束时，助焊剂应有足够的活性防止桥接的产生并防止PCB产生氧化。助焊剂喷涂由X/Y机械手携带PCB通过助焊剂喷嘴上方，助焊剂喷涂到PCB待焊位置上。助焊剂具有单嘴喷雾式、微孔喷射式、同步式多点/图形喷雾多种方式。回流焊工序后的微波峰选焊，最重要的是焊剂准确喷涂。微孔喷射式绝对不会弄污焊点之外的区域。微点喷涂最小焊剂点图形直径大于2mm，所以喷涂沉积在PCB上的焊剂位置精度为±0.5mm，才能保证焊剂始终覆盖在被焊部位上面，喷涂焊剂量的公差由供应商提供，技术说明书应规定焊剂使用量，通常建议100%的安全公差范围。预热工艺在选择性焊接工艺中的预热主要目的不是减少热应力，而是为了去除溶剂预干燥助焊剂，在进入焊锡波前，使得焊剂有正确的黏度。在焊接时，预热所带的热量对焊接质量的影响不是关键因素，PCB材料厚度、器件封装规格及助焊剂类型决定预热温度的设置。在选择性焊接中，对预热有不同的理论解释：有些工艺工程师认为PCB应在助焊剂喷涂前，进行预热；另一种观点认为不需要预热而直接进行焊接。使用者可根据具体的情况来安排选择性焊接的工艺流程。1.3电路板印制技术SMT工艺是利用钎料或焊膏在元件与电路板连接之间构成机械与电气两方面的连接，其主要优点在于尺寸小、重量轻、互连性好；高频电路的性能好，寄生阻抗显著降低；抗冲击力与振动性能好。采用SMT工艺时引线不需穿过电路板，可避免产生引线接受或辐射而得来的信号，进而提高电路的信噪比。进行电路板设计时，可通过DFM（可制造性设计）来完成。DFM是并行工程（CE）关键技术的重要组成部分，它从产品设计开始，考虑可制造性和可检测性，从设计到制造一次成功，是电路板设计的一种有效工具。评价SMT工艺性能的好坏，首先应使焊点能够正确成型；而正确成型的前提是必须合理设计PCB板上元器件的焊盘尺寸；其次在PCB板布局时要合理安排元件的密度，满足测试点的要求。进行电路板设计时，可通过DFM（可制造性设计）来完成。DFM是并行工程（CE）关键技术的重要组成部分，它从产品设计开始，考虑可制造性和可检测性，从设计到制造一次成功，是电路板设计的一种有效工具。1.3.1PCB材料选择8印刷电路板基材主要有二大类：有机类基板材料和无机类基板材料，使用最多的是有机类基板材料。层数不同使用的PCB基材也不同，比如3～4层板要用预制复合材料，双面板则大多使用玻璃－环氧树脂材料。无铅化电子组装过程中，由于温度升高，印刷电路板受热时发生弯曲的程度加大，故在SMT中要求尽量采用弯曲程度小的板材，如FR-4等类型的基板。由于基板受热后的胀缩应力对元件产生的影响，会造成电极剥离，降低可靠性，故选材时还应该注意材料膨胀系数，尤其在元件大于3.2×1.6mm时要特别注意。表面组装技术中用PCB要求高导热性，优良耐热性（150℃，60min）和可焊性（260℃，10s），高铜箔粘合强度（1.5×104Pa以上）和抗弯强度（25×104Pa），高导电率和小介电常数、好冲裁性（精度±0.02mm）及与清洗剂兼容性，另外要求外观光滑平整，不可出现翘曲、裂纹、伤痕及锈斑等。印制电路板厚度有0.5mm、0.7mm、0.8mm、1mm、1.5mm、1.6mm、（1.8mm）、2.7mm、（3.0mm）、3.2mm、4.0mm、6.4mm，其中0.7mm和1.5mm板厚的PCB用于带金手指双面板的设计，1.8mm和3.0mm为非标尺寸。印制电路板尺寸从生产角度考虑，最小单板不应小于250×200mm，一般理想尺寸为（250～350mm）×（200×250mm），对于长边小于125mm或宽边小于100mm的PCB，易采用拼板的方式。表面组装技术对厚度为1.6mm基板弯曲量