毕业论文-声控计数器的电路设计及PCB板的制作.doc

南京铁道职业技术学院 毕 业 论 文 题 目： 声控声控计计数器的数器的电电路路设计设计及及 PCB 板的制作板的制作 作 者： XXX 学 号： XXXXXXXX 学 院： 通信信号学院通信信号学院 专 业： 电电子信息工程子信息工程 班 级： 电电子信息子信息 0911 指导老师： XXXXXX 2012 年 4 月 22 日 2 毕业设计（论文）中文摘要 声控计数器的电路设计及声控计数器的电路设计及 PCBPCB 板的制作板的制作 摘要：集成电路自六十年代出现至今，已有五十多年了，集成电路产业取得了 飞速发展，迅速成为全球半导体产业关注的焦点。目前，集成电路产业已经形 成了 IC 设计、制造、封装测试三业及支撑配套业共同发展的较为完善的产业 链格局。 集成电路，是一种微型电子器件或部件，英文缩写是 IC，俗称芯片。它采 用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元 件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封 装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上 已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目 也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一 大步。 声控器件，就是利用声音来控制电路的一种元件，当声音信号来临时，电 路动作，一般声控器件是对震动敏感的物质，有声音时就接通（电阻变小）， 没有声音时就断开（电阻变的很大）。再通过电路和芯片做个延时，就可以使 有声音时电路接通一段时间。 计数器是数字系统中用的较多的基本逻辑器件，它的基本功能是统计时钟 脉冲的个数，即实现计数操作，它也可用与分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲 序列等。例如，计算机中的时序发生器、分频器、指令计数器等都要使用计数 器。 3 随着电子技术的不断发展，PCB 设计具有越来越重要的地位。一个电路的 实现必须依赖于其载体，即 PCB 板。电路的辅助设计功能能否有效实现，是由 PCB 的设计和制造决定的。而在 PCB 设计过程中，遵循一定的设计规则和技巧， 可以有效地提高 PCB 信号的质量，从而实现设计的有效功能。 关键字：集成电路、声控元件、计数器、PCB 板的制作 第 4 页 共 17 页 目目 录录 1.绪论 .5 2.电路原理图： .5 3.原理分析： .6 4.相关芯片介绍： .6 4.1 LM358 的功能及特性 .7 4.2 CD4511 的功能及特性 .7 4.3 CD4553 的功能及特性 .10 4.4 LED 数码管的功能及特性 .10 5.原理图绘制： .11 6.PCB 布线：.11 7.PCB 布局：.13 8.PCB 板的制作：.13 9.PCB 成品：.15 10.电路调试 .15 总 结 .16 参考文献 .17 第 5 页 共 17 页 1.1.绪论绪论 在一些生产流水线中，经常需要统计产品的数量，在日常生活中也常常会 碰到统计数字的工作。例如，统计车站检票进站的人数、大型会议到会人数、 邮件信函分拣系统等。对于统计量大、频率高的统计场合，一般借助自动技术 装置来实现，如集成计数器、单片机、可编程控制器等。本课题介绍由数字电 路组成的计数器，它具有快捷、方便、直观和准确的优点，技术范围 0-999， 可用于自动控制、统计等场合。 2.2.电路原理图：电路原理图： 1 1 2 2 3 3 4 4 DD CC BB AA Title NumberRevisionSize A4 Date:2011-6-20Sheet of File:H:sk1VOICE.SCHDOCDrawn By: 2 3 1 84 A IC1A LM358AN 84 5 6 7 B IC1B LM358AN A 7 B 1 C 2 D 6 LE 5 BI 4 LT 3 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 VDD 16 GND 8 IC2 CD4511BCN VD6 Diode 1N4007 VD5 Diode 1N4007VD7 LED1 VT 2N3906VT5 2N3906 VT6 2N3906 MC Mic2 5.6K R7 100K R8 100K R947K R11 47K R10 Res2 100K R12 1K R13 100K R14 1K R22 Res2 1K R23 Res21K R24 Res2 470 R21 470 R20 470 R19 470 R18 470 R17 470 R16 470 R15 0.1uF C3 0.01uF C4 1000pF C747uF C5 4.7uF C6 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 IC4 Dpy Yellow-CA A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 IC5 Dpy Yellow-CA A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 IC6 Dpy Yellow-CA 100K RP2 S1 SW-SPST GND GND +5.5 LE 10 DIS 11 CLK 12 C1A 4 C1B 3 MR 13 VCC 16 GND 8 Q3 5 Q2 6 Q1 7 Q0 9 O.F 14 DS1 2 DS2 1 DS3 15 * CD4553 第 6 页 共 17 页 3.3.原理分析：原理分析： 声控计数器电路由传声器、电压放大器、被压整流器、电压比较器、 计数器、译码驱动器、数码显示和直流稳压电源等电路组成。 声控信号取自传声器 MC，用手指轻轻拍一下传声器，MC 产生的电信号 经过 IC1A 电压放大器后，再通过由 C5、VD5、VD6 以及 C6 组成的倍压整流电 路，将信号送至电压比较器(IC1B)反相输入端的基准电压，则电压比较器输出 高电平，高电平使发光二极管 VD7 发光，表示计数信号接收成功。音频电信号 过后，电容 C6 向电阻 R12 放电，两端电压逐步下降，当电压低于反相输入端 的基准电压时，电压比较器输出低电平，这个脉冲的下降沿使 IC3（CD4511）， 驱动数码管显示计数结果。三位 BCD 码计数器采用分时控制方式（动态显示）， 锁存显示端 DS1、DS2、DS3 分别与计数器的个、十、百位相对应。例如，当显 示个位数值时，IC3 的 DS1脚为低电平，VT6 导通，共阴数码管 IC6 显示技术 值，这样三个计数值轮流动态显示。由于循环周期很短，人眼感觉不出来，看 到的是同时亮着的三个数字。计数禁止端 脚接地，使 IC3 始终保持计数功能。计数器清零端 MR 正常经电阻 R14 接地，不许清零。当需要清零时，按下按钮 S1 电源电压经 S1 加到复位清零端， 使计数器清零。电路中调节 RP2 的大小，可以改变电压比较器反相输入端的基 准电压的数值，它直接决定了声控计数的灵敏度。 4.4.相关芯片介绍：相关芯片介绍： 声控计数器中用到的主要芯片有 IC1（LM358）、IC2(CD4511)、 IC3(CD4553)、IC4-6（共阴极数码管）。 第 7 页 共 17 页 4.14.1 LM358LM358 的功能及特性的功能及特性 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的 工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流 增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358 的封装 形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 特性(Features): 内部频率补偿 直流电压增益高(约 100dB) 单位增益频带宽(约 1MHz) 电源电压范围宽：单电源(330V)； 双电源(1.5 一15V) 低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大(0 至 Vcc-1.5V) 4.24.2 CD4511CD4511 的功能及特性的功能及特性 CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器， 特点如下：具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供 较大的拉电流。可直接驱动 LED 显示器。 第 8 页 共 17 页 其功能介绍如下： BI：4 脚是消隐输入控制端，当 BI=0 时，不管其它输入 端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示 数字。 LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全 为 1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它 主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当 LE=0 时，允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁定保持状态，译码器 输出被保持在 LE=0 时的数值。A1、A2、A3、A4、为 8421BCD 码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平 1 有效。 CD4511 的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 1. CD4511 的引脚 CD4511 具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动 LED。其引 脚图如 3-2 所示。 各引脚的名称：其中 7、1、2、6 分别表示 A、B、C、D；5、4、3 分别表示 LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14 分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚 表示输入，右边表示输出，还有两个引脚 8、16 分别表示的是 VDD、VSS。 2. CD4511 的工作原理 (1) CD4511 的工作真值表如表 3-2 输 入输 出 LEBILIDCBAabcdefg显示 XX0XXXX11111118 X01XXXX0000000消隐 011000011111100 11000101100001 第 9 页 共 17 页 011001011011012 011001111110013 011010001100114 011010110110115 011011000111116 011011111100007 011100011111118 011100111100119 01110100000000消隐 01110110000000消隐 01111000000000消隐 01111010000000消隐 01111100000000消隐 0111111000000消隐 111XXXX锁 存锁存 表 3-2 CD 4511 的真值表 (2)锁存功能 译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端 LE 的电平 状态。 当 LE 为“0”电平导通，TG2 截止；当 LE 为“1”电平时，TG1 截止，TG2 导通， 此时有锁存作用。 （3）译码 CD4511 译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据 B、C 进行组合，然后将输入的数据 A、D 一起用或非门译码。 （4）消隐 BI 为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使 B 端输出为低电平，字形消隐。消隐输出 J 的电平为 J =（C+B）D+BI，如不考虑消隐 BI 项，便得 J=（B+C）D，据上式，当输入 BCD 代码从 1010-1111 时，J 端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。 4.34.3 CD4553CD4553 的功能及特性的功能及特性 第 10 页 共 17 页 集成电路 CD4553 是三位二十进制（BCD）码计数器，它只有一组 BCD 码输出端 Q0Q3，但是通过分时控制，可形成三位十进制数字显示，不仅节省了译码器，也使电 路结构简化。它的工作频率高达 7MHz，而具有锁存 功能，适合于作为多位计数器使用。图 1：CD4553 引脚图。 CD4553 引脚功能： CLOCK：计数脉冲输入端，下调沿有效。 CIA、CIB：内部振荡器的外界电容端子。 MR：计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。 LE：锁定允许。当该端为低电平时，3 组计数器的内容分别进入 3 组锁存器，当该端为 高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。 DIS：该端接地时，计数脉冲才能进行计数。 DS1、DS2、DS3：位选通扫描信号的输出，这 3 端能循环地输出低电平，供显示器作为位 通控制。 Q0、Q1、Q2、Q3：BCD 码输出端，它能分时轮流输出 3 组锁存器的 BCD 码。 CD4553 内部虽然有 3 组 BCD 码计数器（计数最大值为 999），但 BCD 的输出端却只有一 组 Q0Q3 通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的 BCD 码，相应地，也输出 3 位位选通信号。例如：当 Q0Q3 输出个位的 BCD 码时，DS1 端输出低电平；当 Q0Q3 输出十位的 BCD 码时，DS2 端输出低电平；当 Q0Q3 输出百位的 BCD 码时，DS3 端输出 低电平时，周而复始、循环不止。 4.44.4 LEDLED 数码管的功能及特性数码管的功能及特性 1 或 6 脚接地，其余脚对应连接 CD4511 的 7 个管脚。 第 11 页 共 17 页 5.5.原理图绘制：原理图绘制： 所用软件是 DXP2004，绘制原理图如下： 6.PCB6.PCB 布线：布线： 第 12 页 共 17 页 在 PCB 设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作 都是为它而做的， 在整个 PCB 中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、 工作量最大。PCB 布线有单面布线、 双面布线及多层布线。布线的方式也有两 种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前， 可以用交互式预先对要求比 较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行， 以免产生反 射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄 生耦合。 自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定， 包括 走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线， 快速地把短线连通， 然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线 路径优化，它可以根据需要断开已布的线。 并试着重新再布线，以改进总体 效果。 对目前高密度的 PCB 设计已感觉到贯通孔不太适应了， 它浪费了许多宝 贵的布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通 孔的作用， 还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更 为完善，PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程，要想很好地掌握它， 还需广大电子工程设计人员去自已体会， 才能得到其中的真谛。 电源、地线的处理 既使在整个 PCB 板中的布线完成得都很好，但由于电源、 地线的考虑不 周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所 以对电、 地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限 度，以保证产品的质量。 对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所 产生的原因， 现只对降低式抑制噪音作以表述： （1）、众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。 第 13 页 共 17 页 （2）、尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系 是：地线电源线信号线，通常信号线宽为：0.20.3mm,最经细宽度可达 0.050.07mm,电源线为 1.22.5 mm 对数字电路的 PCB 可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用 (模拟电路的地不能这样使用) （3）、用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连 接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。 7.PCB7.PCB 布局：布局： 在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效 果，因此可以这样认为，合理的布局是 PCB 设计成功的第一步。 布局的方式分两种，一种是交互式布局，另一种是自动布局，一般是在自 动布局的基础上用交互式布局进行调整，在布局时还可根据走线的情况对门电 路进行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的最佳布局。在布 局完成后，还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图，使得 PCB 板中 的有关信息与原理图相一致，以便在今后的建档、更改设计能同步起来, 同时 对模拟的有关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。 一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者 都较完美才能认为该产品是成功的。 在一个 PCB 板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一 头沉。 8.PCB8.PCB 板的制作：板的制作： 雕刻制版(物理制版）分为：生成机器能够识别的文件、添加制版文件、裁 板、固定、设零点、定位（双层板）、钻孔、底层雕刻、顶层雕刻（双层板）、 裁边、下板。具体操作流程如下： 生成机器能够识别的文件（protel99 单层版） 第 14 页 共 17 页 （1）打开 pcb 板-单击 file 菜单-选择 CAM manager.-next-选择 gerber- next-next-next-选择公制 4：4-next-选择层（顶层、底层、禁止布线层）-5 次 next-finish （2）右击生成的 gerber 文件-选择 NC drill-OK （3） 右击 gerber 文件-选择 propertis-选择 advanced-选择参照相对原点 （reference to relative origin）-OK （4）右击生成的 gerber 文件-选择 generate CAM files （5）在窗口左面会生成 CAM for 文件夹，右击次文件夹-选择 export-选 择你放 pcb 板的地方-确定。 2打开制版系统-浏览-选中刚才生成的文件-确定 3按照屏幕是显示的大小裁板（长宽各大 1cm 左右）-固定板 4钻孔：选择合适的地方-按下设原点按钮-移动板子看原点是否设定成功- 选择参数-选择钻头大小-操作-深度探测-上钻头-打开主轴（红色按钮）-自动对 刀-钻孔。（注意：1.深度探测不能装钻头；2.每次换完钻头之后一定得打开主 轴；3.每次换完钻头都得自动对刀。） 5.雕刻：选择雕刻方式-选择雕刻刀-选择重叠率（通常为 30%）-操作-点预 览-底层雕刻-查看是否可行-（可行）参数-操作-试雕（面板上的灰色按钮按一 下）-调整深度（左旋变浅，右旋变深）-（适合，等待试雕完）-点底层雕刻 6.雕刻完之后，检查是否漏雕-（无漏雕）换钻头（0.8mm）-割边-取板。 双层板就是在钻孔之前，先打定位孔（2.0mm 钻头），底层雕刻完之后， 反过来（要加定位箫）顶层雕刻。 7.用砂纸打磨 PCB 板去除板表面暗淡的氧化物，使其光亮，然后在其表面 涂上酒精，防止其腐蚀，影响其美观。 第 15 页 共 17 页 9 9.PCB.PCB 成品：成品： 10.10.电路调试电路调试 调试的最终要求是轻拍传声器一次，发光二极管亮 1 次，计数加 1；计 数速度小于 0.5s；按下 S1 键，计数器能清零。 调试过程 先接通电源，调整 RP1，使直流稳压电源输出电压为 5.5v 左右。 调整 RP2，使 VD7 发光，然后将 RP2 向上调整，使 VD7 刚好熄灭，这 时计数器加 1；轻拍传声器一下，VD7 亮后熄灭，计数器加 1，反复调整 RP2， 使计数器灵敏度