专业课程设计数字式计时器电路定时器.doc

目录

目录 1
1.系统设计思路与总体方案 2
1.1 设计思路与流程图 2
2.Multisim软件简介 3
2.1Multisim概貌及特点 3
3.555定期器，CD4518和CD4011简介 6
3.1 555定期器 6
3.2 CD4518引脚功能 10
3.3 CD4011引脚图 11
4. 数字逻辑，振荡器，计数器和显示电路图 12
4.1数字逻辑模块 12
4.2振荡器模块 13
4.3 计数器模块 16
4.4 显示屏模块 17
5. 电路总体设计与调试 17
5.1 总体电路原理图 17
5.2总体电路工作原理 18
6.课程设计感受 19
6.1 课程设计中收获和体会 19
7.附录与文献 20
7.1附录 20
7.2参照文献 21

1.系统设计思路与总体方案
1.1 设计思路与流程图
依照任务书可以懂得本课题是一种2位数字显示计数器，是一种十进制计数器组合，本质上就是一计时器。通过一种时基电路产生一定频率脉冲，将脉冲信号输入低位计数器输入端，通过一级级进位，从而达到计数。从而完毕此课题，咱们可以将这整个计数系统，分为几种模块进行分析。
（1）.数字逻辑控制模块。通过使用门电路来控制计时器进位及清零。
（2）.脉冲信号产生模块。由一种振荡电路来产生一种固定频率脉冲信号，作为计时器时基信号。
（3）.计时数计数模块。接受计时及中断信号脉冲，从而控制计数器计数，且有清零功能，该模块选用十进制计数器。
（2）.译码显示模块。该模块要显示00到99数字，选用十进制计数器基本上，通过它们之间级联，最后显示相应数字。
该数字式定期器，需要用到555定期器，由此产生振荡信号，在数字逻辑电路控制下，由计数器计数，最后在数码管上显示出来，画为流程图如下：

图1.1-1：总体方案流程图
2.Multisim软件简介
2.1Multisim概貌及特点
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出以Windows为基本仿真工具，合用于板级模仿/数字电路板设计工作。它包括了电路原理图图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具备丰富仿真分析能力。

图2.1-1：Multisim工作界面
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真复杂内容，这样工程师无需懂得进一步SPICE技术就可以不久地进行捕获、仿真和分析新设计，这也使其更适合电子学教诲。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教诲工作者可以完毕从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一种完整综合设计流程。
当前在各高校教学中普遍使用Multisim10.0，网上最为普遍是Multisim 10.0，NI于08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NI Multisim v 10作为其中一种构成某些包括于其中。
EDA（就是“Electronic Design Automation”缩写）技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家当前已经基本上不存在电子产品手工设计。一台电子产品设计过程，从概念确立，到涉及电路原理、PCB版图、单片机程序、机内构造、FPGA构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等所有在计算机上完毕。EDA技术借助计算机存储量大、运营速度快特点，可对设计方案进行人工难以完毕模仿评估、设计检查、设计优化和数据解决等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计重要技术手段。美国NI公司（美国国家仪器公司）Multisim 9软件就是这方面较好一种工具。并且Multisim 9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABⅥEW 8）（也是美国NI公司）可以较好解决理论教学与实际动手实验相脱节这一老大难问题。学员可以较好地、很以便地把刚刚学到理论知识用计算机仿真真实再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己仪表。极大地提高了学员学习热情和积极性。真正做到了变被动学习为积极学习。这些在教学活动中已经得到了较好体现。尚有很重要一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员教学也是一种较好提高和增进。
NI Multisim软件结合了直观捕获和功能强大仿真，可以迅速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以及时创立具备完整组件库电路图，并运用工业原则SPICE模仿器模仿电路行为。借助专业高档SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabⅥEW和SignalExpress软件集成，完善了具备强大技术设计流程，从而可以比较具备模仿数据实现建模测量。
Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench）公司推出以Windows为基本仿真工具，合用于板级模仿/数字电路板设计工作。它包括了电路原理图图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具备丰富仿真分析能力。为适应不同应用场合，Multisim推出了许多版本，顾客可以依照自己需要加以选取。在本书中将以教诲版为演示软件，结合教学实际需要，简要地简介该软件概况和用法，并给出几种应用实例。
EDA软件所能提供元器件多少以及元器件模型精确性都直接决定了该EDA软件质量和易用性。Multisim为顾客提供了丰富元器件，并以开放形式管理元器件，使得顾客可以自己添加所需要元器件。
Multisim以库形式管理元器件，通过菜单Tools/ Database Management打开Database Management（数据库管理）窗口（如下图所示），对元器件库进行管理。
在Database Management窗口中Daltabase列表中有两个数据库：Multisim Master和User。其中Multisim Master库中存储是软件为顾客提供元器件，User是为顾客自建元器件准备数据库。顾客对Multisim Master数据库中元器件和表达方式没有编辑权。当选中Multisim Master时，窗口中对库编辑按钮所有失效而变成灰色，如下图所示。但顾客可以通过这个对话窗口中Button in Toolbar显示框，查找库中不同类别器件在工具栏中表达办法。
在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间主线差别在于：一种是与实际元器件型号、参数值以及封装都相相应元器件，在设计中选用此类器件，不但可以使设计仿真与实际状况有良好相应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB设计。另一种器件参数值是该类器件典型值，不与实际器件相应，顾客可以依照需要变化器件模型参数值，只能用于仿真，此类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中表达办法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件按钮图标与该类实际器件图标形状相似，但虚拟器件按钮有底色，而实际器件没有。
NI Multisim软件是一种专门用于电子电路仿真与设计EDA工具软件。作为 Windows 下运营个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一种完整集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以较好地解决理论教学与实际动手实验相脱节这一问题。学员可以很以便地把刚刚学到理论知识用计算机仿真真实再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学首选软件工具。
Multisim特点
⑴可以依照自己需求制造出真正属于自己仪器；
⑵所有虚拟信号都可以通过计算机输出到实际硬件电路上；
⑶所有硬件电路产生成果都可以输回到计算机中进行解决和分析。
3.555定期器，CD4518和CD4011简介
3.1 555定期器
555定期器是一种数字电路与模仿电路相结合中规模集成电路。该电路使用灵活、以便，只需外接少量阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号产生、变换、控制与检测。
555定期器产品有TTL型和CMOS型两类。TTL型产品型号最后三位都是555，CMOS型产品最后四位都是7555，它们逻辑功能和外部引线排列完全相似。
555定期器电路如图9-28所示。它由三个阻值为5kΩ电阻构成分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器构成。
555定期器（又称时基电路）是一种模仿与数字混合型集成电路。555定期器是一种应用极为广泛中规模集成电路。该电路使用灵活、以便，只需外接少量阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号产生、变换、控制与检测。
  当前生产定期器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等各种。它们构造及工作原理基本相似。普通，双极型定期器具备较大驱动能力，而CMOS定期器具备低功耗、输入阻抗高等长处。555定期器工作电源电压很宽，并可承受较大负载电流。双极型定期器电源电压范畴为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定期器电源电压范畴为3～18V，最大负载电流在4mA如下。
555引脚图如图3，功能如下：
Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，普通被连接到电路共同接地。
Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它时间周期。触发信号上缘电压须不不大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
Pin 3 (输出) -当时间周期开始555输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏高电位。周期结束输出回到O伏左右低电位。于高电位时最大输出电流大概200 mA 。
Pin 4 (重置) -一种低逻辑电位送至这个脚位时会重置定期器和使输出回到一种低电位。它普通被接到正电源或忽视不用。
Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压变化触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡运作方式下,这输入能用来变化或调节输出频率。
Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚电压从1/3 VCC电压如下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
Pin 7 (放电) -这个接脚和重要输出接脚有相似电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC正电源电压端。供应电压范畴是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
555内部电路和功能：

图3.1-1： 555定期器原理图 图3.1-2：555定期器引脚图
上面图是555定期器内部构成框图。它重要由两个高精度电压比较器A1、A2，一种RS触发器，一种放电三极管和三个5KΩ电阻分压器而构成。
分压器为两个电压比较器C1、C2提供参照电压。如5端悬空，则比较器C1参照电压为，加在同相端；C2参照电压为，加在反相端。 是复位输入端。当=0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。正常工作时，=1。
u11和u12分别为6端和2端输入电压。
当u11，u12 时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。
当u11，u12时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。
当u11，u12 时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
综上所述，在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为状况下，其功能如下表：

表3.1-1：555定期器功能表
3.2CD4518引脚功能

图3.2-1：CD4518引脚
CD4518是一种双BCD同步加计数器，由两个相似同步4级计数器构成。
CD4518引脚功能(管脚功能)如下：
1CP、2CP：时钟输入端。
1CR、2CR：清除端。
1EN、2EN：计数容许控制端。
1Q0～1Q3：计数器输出端。
2Q0～2Q3：计数器输出端。
Vdd：正电源。
Vss：地。
CD4518是一种同步加计数器，在一种封装中具有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～{15}.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；{11}脚～{14}脚）。
CD4518控制功能：CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平（1）,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低电平（0）,同步复位端Cr也保持低电平（0）,只有满足了这些条件时,电路才会处在计数状态.否则没办法工作。
将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。需要指出，CD4518未设立进位端，但可运用Q4做输出端。有人误将第一级Q4端接到第二级CP端，成果发现计数变成“逢八进一”了。因素在于Q4是在CP8作用下产生正跳变，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”进位信号。对的接法应是将低位Q4端接高位EN端，高位计数器CP端接USS。

3.3 CD4011引脚图

图3.3-1 芯片功能图 图3.3-2 引脚图

管脚功能：
1A 数据输入端2A 数据输入端3A 数据输入端4A 数据输入端
1B 数据输入端2B 数据输入端3B 数据输入端4B 数据输入端
1Y 数据输出端2Y 数据输出端3Y 数据输出端4Y 数据输出端

门
表达式
逻辑图
功能表
与非门
Y=A×B逆

A B
Y
0 0
1
0 1
1
1 0
1
1 1
0

表3.3-1：逻辑表达式
VDD 电源正VSS 地
VDD电压范畴：－0.5V to 18Ｖ
功耗：双列普通封装 700mW     小型封装 500mW
工作温度范畴：CD4011BM -55℃ - +125℃ CD4011BC -40℃ - +85℃
4. 数字逻辑，振荡器，计数器和显示电路图
4.1数字逻辑模块

图4.1-1：数字逻辑电路

在点击绿色箭头开始，电容开始充电，此时J1按下时，电阻下端5为低电平，电容下端6为低电平，继而U2B端为低电平；如果此刻按下J2，则7端为低电平，发出脉冲到U2B,而5和6输出低电平到与非门U2A，U2A输出高电平到U2B，此时0和1输入到与非门U2B ，继而U2B输出高电平。
4.2振荡器模块
振荡器是计时器核心，振荡器稳定度和频率精准度决定了计时器精确

度。普通来说，振荡器频率越高，计时精度就越高，但耗电量将越大。因此，

在设计电路时要依照需要而设计出最佳电路。

(a) 电路图 (b) 波形图
图4.2-1： 多谐振荡器
振荡周期等于两个暂稳态持续时间。第一种暂稳态时间tp1为电容C电压uc从充电至所需时间
t pl =R2Cln2≈0.7R2C (1-2)
第二个暂稳态时间tp2为电容C电压从放电至所需时间
tpH=(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C （1-3）
参数计算：

变化、和值，就可以变化振荡器频率。如果运用外接电路变化端(5号端)电位，则可以变化多谐振荡器高触发端电平，从而变化振荡周期T。
在实际应用中，经常需要调节和。在此，引进占空比概念。输出脉冲占空比为:

在本设计中，采用是精度不高，由集成电路555与RC构成多谐振荡

器。其详细电路如下图2所示；
这里555振荡电路制作秒脉冲获得100Hz秒脉冲信号。其电路简朴并且频率稳定，如图2，输出频率为100Hz

图4.2-2：振荡器电路

接通电源后，电容C3被充电，vC上升，当vC上升到不不大于2/3VCC时，触发器被复位，放电管T导通，此时v0为低电平，电容C3通过R2和T放电，使vC下降。当vC下降到不大于1/3VCC时，触发器被置位，v0翻转为高电平。电容器C3放电结束,所需时间为 ：

当C3放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C3充电，vC由1/3VCC上升到2/3VCC所需时为：

    当vC上升到2/3VCC时，触发器又被复位发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一种周期性方波，其频率为     
。
本设计中，由电路图和f公式可以算出，微调R10=4.3k，R11=5k左右，其输出频率为f=100Hz.
下图是该振荡频率波形图：

图4.2-3：振荡器输出波形图
4.3 计数器模块

图4.3-1：计数器电路
CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平（1）,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低吨平（0）,同步复位端Cr也保持低电平（0）,将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了，将低位Q4端接高位EN端，高位计数器CP端接USS，电路处在计数状态。

4.4 显示屏模块

图4.4-1：显示屏电路
该数码管接受到计数器信号，并将其显示出来。此处加了两个1N4148二极管，控制其进位，最大数出值为1001=9，因此该数码管输出为从0到9。
5. 电路总体设计与调试
5.1 总体电路原理图
由第三章简介电路各个某些子电路构成各个某些功能，可以清晰懂得了总体电路状况。下面图就时本设计总体电路：

图5.1-1：总体电路原理图
5.2 总体电路工作原理
本课程设计规定运用各种数字逻辑芯片、555定期器和数码管设计一种数字式计时器电路，并且计时时间为99个脉冲信号。规定555定期器产生100HZ多谐波信号。对于电路控制方面还规定电路具备计时时间到后自动停止和开关按下后重新开始从0计时。
5.2.1 555定期器原理
针对规定，一方面我设计了一种由LM555CM芯片构成产生多谐波信号多谐振荡器电路。在VCC端给其一种5V直流电源。接通电源后，电容C充电。充电回路是VCC—R1—R2— C—地，当Vc上升到2Vcc/3时，Vo为低电平，同步T导通。此时C通过R2和T放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到Vc<Vcc/3时，输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得
输出高电平时间 T=(R1+R2)Cln2 输出低电平时间T=R2Cln2
振荡周期 T=(R1+2R2)Cln2
设计规定是100Hz，通过公式已在本报告4.2小节算出振荡频率，并且符合设计规定。
5.2.2 数显电路与逻辑控制电路原理
由振荡电路产生脉冲传给数字显示回路中U10Acp1端，cp1端置高电平，4518BD开始累加。但是当开关A没有按下时，逻辑控制电路输出端U2B始终是高电平。
只有当开关J1按下时U2A输出端置1，U2C输出端也置1。U2B为与非门输出低电平，因此4518芯片MR置0，结束清零，相称于解除自锁功能。4518BD开始累加，4518芯片是一种十进制累加芯片。
为了达到0-99计时，直接置U10A、BA、D端为高电平。通过稳压二极管来起到99后自锁功能。
最后一种规定就是当按下J2后来，则7端为低电平，发出脉冲到U2B,而5和6输出低电平到与非门U2A，U2A输出高电平到U2B，此时0和1输入到与非门U2B ，继而U2B输出高电平，MR收到高电平后清零。此时如果再按下J1可重新开始计时。
6.课程设计感受
6.1 课程设计中收获和体会
通过本次数电：数字式定期器设计，让我对已学过电路、数电、模电等电子技术知识有了更深一步理解，同步也对Multisim 10.0软件有了一定学习和理解，NI Multisim软件是一种专门用于电子电路仿真与设计EDA工具软件。作为 Windows 下运营个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一种完整集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以较好地解决理论教学与实际动手实验相脱节这一问题。咱们可以很以便地把刚刚学到理论知识用计算机仿真真实再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学首选软件工具。这次课程设计锻炼和培养了自己运用已学知识来分析和解决实际问题能力，对自己后来学习和工作有很大协助。
刚开始做这个设计时候感觉自己什么都不懂得怎么下手，脑子里比较浮躁和零乱。但通过一段时间努力，通过重温数电等电子技术书籍，尚有通过查看有关设计技术以及某些参照文献，再加之在教师指引和周边同窗协助下，使我对自己本设计有了纯熟掌握。
在整个设计过程中我布满了激情和专心。记得在电子电工实习时候，也是用满腔热情来完毕各项实习任务，并在每项实习项目中都达到了先进成绩。 因此，我相信自己实际动手能力，并从来加强自己在这方面努力。在这次电子技术设计中亦是如此，用自己双手和满腔热情来完毕各个环节，不断在图书管查看有关资料和期刊文献，特别在Internt上也收收获了诸多新鲜东西。这次设计更让我熟悉了某些惯用集成逻辑电路和其相应芯片使用。
虽然，在本设计中所用方案不是最佳，但我想其中原理是最基本；虽然其中也许浮现误差会计较大些，让我更加深刻地理解和结识到了自己长处和局限性，通过这个课程设计我发现了我好多知识都不熟悉甚至有东西我主线就不懂得，这让我感到了要学习东西尚有诸多诸多。因而使我更坚定了在后来学习中要夯实好基本，阔广知识面。
通过这次对数字式定期器设计，让我理解了设计电路程序，也让我理解了关于定期器基本原理与设计理念，通过软件Multisim10实现。通过这次学习，让我对有关电路均有了大概理解，因此说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应当自己坚持不懈、动手实际操作才会有深刻理解。
7.附录与文献
7.1附录
电路中涉及到元器件都如下元件细表中：

元 件 名 称
型号、规格
数 量
十进制计数器
4518BD-5V
2片
数显管
DCD_HEX
2个
555定期器
LM555CM
1片
与非门
4011BD-5V
1个（3）
电阻
10K
3个
电阻
5K
1个
电阻
4.3K
1个
电阻
1K
1个
电容
1uF
1个
电容
10nF
1个
电容
470nF
1个
按钮
PB-DPST
2个
电源
5V
5个
表7.1-1 电路所用元件细表
7.2参照文献
1.《电子技术基本》数字某些，五版，主编：康华光，高等教诲出版社；
2.《电子技术基本》模仿某些，五版，主编：康华光，高等教诲出版社；
3.《Multisim电路仿真技术应用》主编：赵永杰，王国玉,电子工业出版社；
4.吕思忠 施齐云.数字电路实验与课程设计.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社；
5.毛期俭等；数字电路与逻辑设计实验及应用.北京；人民邮电出版社； 电子电路图站；
7. 电子之城；
8. .com 电子兴趣者。