基于CD4553三位数显计数器的设计毕业论文.doc

第一章 绪论 1 基于基于 CD4553 三位数显计三位数显计 数器的设计毕业论文数器的设计毕业论文 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 第二章第二章 方案设计方案设计 3 2 1 总体方案的设计与选择 3 2 2 设计总框图 3 第三章第三章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 5 3 1 系统原理图 5 3 2 主要器件介绍 5 3 2 1 CD4553 引脚与功能 5 3 2 2 CD4511 的引脚与功能 7 3 2 3 数码管介绍 9 第四章第四章 硬件电路仿真 硬件电路仿真 M Multisimultisim 软件 软件 13 4 1 Multisim 软件介绍 13 4 1 1 Multisim 软件特点 13 4 1 2 Multisim 仿真软件在实验教学中的优势 14 第五章第五章 PCBPCB 板的设计 板的设计 P Protelrotel9999 软件 软件 17 5 1 Protel 99 SE 的系统组成 17 5 2 Protel 99 SE 的功能特性 18 第六章第六章 焊接调试焊接调试 19 第七章第七章 总结总结 21 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 2 7 1 本文总结 21 7 2 进一步的工作 21 致致 谢谢 23 参考文献参考文献 25 第一章 绪论 利用数字电路技术数出给定时间内所通过的脉冲数并显示计数结果的数字化 仪器 电子计数器是其他数字化仪器的基础 在它的输入通道接入各种模 数变换 器 再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器 电子计数器的优点是测量精 度高 量程宽 功能多 操作简单 测量速度快 直接显示数字 而且易于实现 测量过程自动化 在工业生产和科学实验中得到广泛应用 计数是一种最简单基本的运算 计数器就是实现这种运算的逻辑电路 计数 器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数 以实现测量 计数和控制的功能 同时兼有分频功能 计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成 计数单元则由一系列具有 存储信息功能的各类触发器构成 这些触发器有 RS 触发器 T 触发器 D 触发 器及 JK 触发器等 计数器在数字系统中应用广泛 如在电子计算机的控制器中对指令地址进行 计数 以便顺序取出下一条指令 在运算器中作乘法 除法运算时记下加法 减 法次数 又如在数字仪器中对脉冲的计数等等 计数器可以用来显示产品的工作状态 一般来说主要是用来表示产品已经完 成了多少份的折页配页工作 它主要的指标在于计数器的位数 在数字电子技术中应用的最多的时序逻辑电路 计数器不仅能用于对时钟脉 冲计数 还可以用于分频 定时 产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等 近年来随着数字技术的迅速发展 各种中 大规模集成电路在数字系统 控 制系 统 信号处理等方面都得到了广泛的应用 这就迫切要求理工科大学生熟 第一章 绪论 3 悉和掌握常用中 大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法 多功能电子式计数器由信号输入电路 信号处理电路 计数及显示驱动电路 计数状态控制电路 显示器和电源电路构成 可接受各种电压幅度的脉冲电压和 触点开 关两种形式的输入信号 信号处理电路通过光电耦合器与信号输入电路联 接实现了信号输入电路与计数工作电路的光电隔离 利用计数状态控制电路可控 制输入信号的阻断及计数器的复位 计数器有外接端子可与外部控制电路或装置 联接由外部来控制计数器的工作状态和计数器的复位 目前的多功能电子计数器 主要由单片机或专用集成电路构成 结构小巧 功能更加灵活多样 一般而言 多功能电子计数器 主要功能有 1 加法 减法 可控 2 双向计数 自动 3 低速 数字滤波抗干扰 4 掉电续计 可选 5 分段报警 6 反馈输出 7 通讯 8 面板设置或远程设置 9 多机联网 由于电子技术的不断发展 多功能电子计数器的总体结构越趋小巧 显示方 式和操控方式也趋于多样化 可嵌入可联网 可繁可简 可灵活架构 已经成为 一种新的趋势 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 4 第二章 方案设计 5 第二章 方案设计 由于在设计计数器时要受到许多因素的影响 有些来自主观的要求 有些是 来自客观的存在 因而在设计时要遵循一些设计原则和设计步骤 2 1 总体方案的设计与选择 三位数显计数器电路中的计数显示电路由 CD4553 CD4511 及三只共阴极 LED 数码管组成 其中 CD4553 用于计数 而 CD4511 用来译码 该电路的最高 计数值为 999 数字显示计数器 它由计数器 脉冲发射器 译码器 数码显示器 印刷线 路板和接插件组成 但是并无法显示计算结果 一般都是要通过外接 LCD 或 LED 屏才能显示 数字式计数器 包括有电源电路 其特征是由信号输入电路 信号处理电 路 计数及显示驱动电路 计数状态控制电路 显示器构成 信号输入电路由至少两条由限流电阻与开关串联构成的分挡开关电路并联构 成的迭挡器 一端与选挡器输入端并联另一端与电源电路正极联接的输入方式控 制开关 阳极与选挡器输出端联接的发光二极管 阳极与发光二极管阴极联接 计数及显示驱动电路由计数及显示驱动集成电路芯片和芯片工作辅助外围电 路构成 其计数输入端接信号处理电路输出端 其输出接显示器输入端 计数及 显示驱动集成电路芯片为具有复位端和计数使能端的并对计数输入端的脉冲信号 以十进位方式计数的具有多位显示译码和直接驱动显示器进行数码显示的集成电 路芯片 2 2 设计总框图 如图所示 输入脉冲信号进入计数电路完成计数 在进入译码电路 经过译 码后由被驱动的数码管显示 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 6 图 2 1 总框图 数字计数器的优点是量程宽 功能多 操作简单 测量速度快 直接显示数 字 而且易于实现测量过程自动化 在工业生产和科学实验中得到广泛应用 驱动电路 数码电路 译码电路计数电路输入脉冲 第三章 系统硬件电路设计 7 第三章 系统硬件电路设计 3 1 系统原理图 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 8 图 3 1 系统原理图 3 2 主要器件介绍 3 2 1 CD4553 引脚与功能 1 原理 CD4553 是 3 位十进制计数器 但只有 1 个输出端 要完成 3 位输 出 采用扫描输出方式 通过它的选通脉冲信号 依次控制 3 位十进制的输出 从而实现扫描显示方式 2 引脚图 图 3 2 CD4553 引脚图 3 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 第三章 系统硬件电路设计 9 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 Q0 Q3 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 Q0 Q3 输出个位的 BCD 码时 DS1 端输出低电平 当 Q0 Q3 输出十位的 BCD 码时 DS2 端输出低电平 当 Q0 Q3 输出百位的 BCD 码时 DS3 端输出低电平时 周而复始 循环不止 图 3 3 CD4553 真值表 3 2 2 CD4511 的引脚与功能 1 原理 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 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 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 Q0 Q3 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 Q0 Q3 输出个位的 BCD 码时 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 10 DS1 端输出低电平 当 Q0 Q3 输出十位的 BCD 码时 DS2 端输出低电平 当 Q0 Q3 输出百位的 BCD 码时 DS3 端输出低电平时 周而复始 循环不止 2 引脚图 图 3 4 CD4511 引脚图 图 3 5 CD4511 与 LED 连接图 3 CD4511 引脚功能 BI 4 脚是消隐输入控制端 当 BI 0 时 不管其它输入端状态是怎么样的 七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态 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 LT 3 脚是测试信号的输入端 当 BI 1 LT 0 时 译码输出全为 1 不管 输入 DCBA 状态如何 七段均发亮全部显示 它主要用来检测数 7 段码管是否 有物理损坏 第三章 系统硬件电路设计 11 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 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 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 CD4511 是一片 CMOS BCD 锁存 7 段译码 驱动器 引脚排列如图 2 4 所 示 其中 a b c d 为 BCD 码输入 a 为最低位 LT 为灯测试端 加高电平时 显示器正常显示 加低电平时 显示器一直显示数码 8 各笔段都被点亮 以检 查显示器是否有故障 BI 为消隐功能端 低电平时使所有笔段均消隐 正常显示时 B1 端应加高 电平 另外 CD4511 有拒绝伪码的特点 当输入数据越过十进制数 9 1001 时 显 示字形也自行消隐 LE 是锁存控制端 高电平时锁存 低电平时传输数据 a g 是 7 段输出 可驱动共阴 LED 数码管 另外 CD4511 显示数 6 时 a 段消隐 显示数 9 时 d 段消隐 所以显示 6 9 这两个数时 字形不太美观 图 2 5 是 CD4511 和 CD4518 配合而成一位计 数显示电路 若要多位计数 只需将计数器级联 每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可 所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的 在应用中应接 地 限流电阻要根据电源电压来选取 电源电压 5V 时可使用 300 的限流电阻 用 CD4511 实现 LED 与单片机的并行接口方法如下图 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 12 图 3 6 CD4511 与 LED 并行接口图 3 2 3 数码管介绍 1 液晶显示器 液晶显示器件 LCD 是一中平板薄型显示器件 其驱动电压很低 工作电 流极小 与 TTL 电路结合起来可以组成微功耗系统 广泛地用于电子钟表 电子 计算器 各种仪器和仪表中 液晶是一种介于晶体和液体之间的有机化合物 常温下既有液体的流动性和 连续性 又有晶体的某些光学特性 液晶显示器件本身不发光 在黑暗中不能数字 它依靠在外界电场作用下产 生的光电效应 调制外界光线使液晶不同部位显示出反差 从而显示出字型 2 半导体显示器 某些特殊的半导体材料 例如 用磷砷化镓作成的 PN 结 当加正向电压时 可以将电能转化成光能 从而发出清晰悦目的光线 利用这样的 PN 结 既可以封装成单个的发光二极管 LED 也可以封装成 分段式 或点阵式 的显示器件 它既可以用半导体三极管驱动 也可以直接用 第三章 系统硬件电路设计 13 TTL 与非门驱动 在显示译码器和显示器的连接中 显示译码器各个输出端必须具有足够的吸 取电流的能力 以驱动有关显示段发光 显示译码器的输出级的电路结构形式与 所选用显示器的结构形式应相匹配 否则不仅不能正常工作 甚至会导致器件损 坏 实际数码管是把发光二极管的管心做成条状 用 7 条条状的发光管就可以组 成 7 段式半导体数码管 每个数码管可显示 0 9 十个数字 数码管 0 5 寸和 0 36 寸 每段发光二极管的正向压降 随显示光的颜色不同略有差别 通常约为 2 2 5V 每个发光二极管的点亮电流在 5 10mA LED 数码管要显示 BCD 码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器 该译码器不但要完全成译码功能 还要有相当的驱动能力 数码管是一种半导体发光器件 其基本单元是发光二极管 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管 八段数码管比七段数码管多一 个发光二极管单元 多一个小数点显示 按能显示多少个 8 可分为 1 位 2 位 4 位等等数码管 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 COM 的 数码管 共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到 5V 当某一字段发光二极 管的阴极为低电平时 相应字段就点亮 当某一字段的阴极为高电平时 相应字 段就不亮 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的 数码管 共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上 当某一字段 发光二极管的阳极为高电平时 相应字段就点亮 当某一字段的阳极为低电平时 相应字段就不亮 3 数码管引脚 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 14 a bf c g d e a b cde f g h h a bf c g d e a b cde f g h h 共阳极 共阴极 图 3 7 数码管引脚图 4 LED 数码管译码原理 当输入 BCD 码 以 A B C D 表示 输出是数码管各段的驱动信号 以 Fa Fg 表示 也称 4 7 译码器 例如 当输入 8421 码 ABCD 0100 时 应显 示为 4 即要求同时点亮 b c f g 段 熄灭 a d e 段 故译码器的输出应为 Fa Fg 0110011 这也是一组代码 常称为段码 同理 根据组成 0 9 这 10 个字形的要求可以列出 8421BCD 七段译码器的 真值表 共阳极的是低电平有效 共阴极的反之 共阳极数码管的真值表如表 a 所示 ABCD字形abcdefg 000111001111 001020010010 第三章 系统硬件电路设计 15 001130000110 010041001100 010150100100 011061100000 011170001111 100080000000 100190001100 000000000001 图 3 8 共阳极数码管真值表 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 16 第四章 硬件电路仿真 multisim 软件 4 1 multisim 软件介绍 Multisim 软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件 作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具 Multisim 是一个完整的 集成化设计环境 Multisim 计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学 与实际动手实验相脱节的这一问题 学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来 并 且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表 4 1 1 Multisim 软件特点 1 直观的图形界面 整个操作界面就像一个电子实验工作台 绘制电路所需的元器件和仿真所需 的测试仪器均可直接拖放到屏幕上 轻点鼠标可用导线将它们连接起来 软件仪 器的控制面板和操作方式都与实物相似 测量数据 波形和特性曲线如同在真实 仪器上看到的一样 2 丰富的元器件库 Multisim 大大扩充了 EWB 的元器件库 包括基本元件 半导体器件 运算 放大器 TTL 和 CMOS 数字 IC DAC ADC 及其他各种部件 且用户可通过元 件编辑器自行创建或修改所需元件模型 还可通过 liT 公司网站或其代理商获得 元件模型的扩充和更新服务 3 丰富的测试仪器 除 EWB 具备的数字万用表 函数信号发生器 双通道示波器 扫频仪 字 信号发生器 逻辑分析仪和逻辑转换仪外 Multisim 新增了瓦特表 失真分析仪 频谱分析仪和网络分析仪 尤其与 EWB 不同的是 所有仪器均可多台同时调用 4 完备的分析手段 除了 EWB 提供的直流工作点分析 交流分析 瞬态分析 傅里叶分析 噪 第四章 硬件电路仿真 multisim 软件 17 声分析 失真分析 参数扫描分析 温度扫描分析 极点一零点分析 传输函数 分析 灵敏度分析 最坏情况分析和蒙特卡罗分析外 Multisim 新增了直流扫描 分析 批处理分析 用户定义分析 噪声图形分析和射频分析等 基本上能满足 一般电子电路的分析设计要求 5 强大的仿真能力 Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真 也可进行数模混合仿真 尤其是新增了射频 RF 电路的仿真功能 仿真失败时会显示出错信息 提示可能 出错的原因 仿真结果可随时储存和打印 4 1 2 Multisim 仿真软件在实验教学中的优势 1 高指标的虚拟仪器和充足的元器件资源 电子仿真实验软件内的虚拟仪器不仅品种齐全 而且技术指标高 随时可以 拖放到工作区使用 并能实时显示有关数据和波形 2 弥补了实验经费不足的缺憾 传统的电子技术实验需要有仪器设备和元器件的支持 有些实验仪器耗资大 仪器操作技术要求较高 在教育经费不足的情况下 有些学校所能开出的实验项 目和数量受到限制 特别是近年来一些学校扩大招生规模 而实验基础设施跟不 上 仿真电子实验弥补了因实验仪器及经费不足造成的缺憾 另外 仿真实验不涉及仪器折旧和更新换代 通过软件升级就能保持实验的 先进性 一些需要价格昂贵的仪器而无法开展的实验 通过仿真就能够容易实现 3 扩展了学生的实践空间和实验内容 仿真实验可作为学生实验前的预习和课后分析总结 也可作为学生创造性思 维的检验平台 只要有 MULTISIM 软件和一台计算机就能进行电子技术仿真实验 打破了 时间和空间的限制 学生可以在不同的时间 地点和领域自主进行实验 增强他 们提出问题 分析问题和解决问题的能力 并根据自己的兴趣爱好 选择一些传 统实验较少涉及的实验内容 如用运算放大器实现回转器 负阻抗变换器等 这 部分内容的实现原理在近代教科书中早有论述 用传统方法进行实验比较繁琐 采用 MULTISIM 电子工作平台则容易分析它们的性能 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 18 因此 电子仿真实验满足了不同层次学生的需要 从而大大扩展了实践空间 和实验范围 4 有利于学生开展探索性研究性实验 传统的电子技术实验教学 任课老师在课前把仪器设备及元器件准备好 学 生照讲义的实验步骤按部就班的进行 这就不可避免地把学生置于被动地位 他 们很少有机会按自己的思维开展设计性实验 近年来 新的教育理念强调教学要以学生为主体 要注重培养学生的创新思 维 许多院校大幅度压缩验证性实验的比例 增加设计性实验的内容 但在实际 运作过程中 往往因仪器和元器件不足而存在着很大的局限性 仿真电子实验使 学生进行研究性和探索性实验成为可能 第四章 硬件电路仿真 multisim 软件 19 基于 CD4553 三位数显计数器的设计 20 第五章 PCB 板的设计 protel99 软件 5 1 Protel 99 SE 的系统组成 按照系统功能来划分 Protel99se 主要包含电路工程设计和电路仿真与 PLD 两大部分和 6 个功能模块 一 电路工程设计部分 1 电路原理设计部分 电路原理图设计部分包括电路图编辑器 电路图件库 编辑器和各种文本编辑器 本系统的主要功能是 绘制 修改和编辑电路原理图 更新和修改电路图零件库 查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表 2 印刷电路板设计系统 印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器 零 件封装编辑器和电路板组件管理器 本系统的主要功能是 绘制 修改和 编辑 电路板 更新和修改零件封装 管理电路板组件 3 自动布线系统 本系统包含一个基于形状的无栅格自动布线器 用于印 刷电路板的自动布线 以实现 PCB 设计的自动化 二 电路仿真与 PLD 部分 1 电路模拟仿真系统 电路模拟仿真系统包含一个数字 模拟信号仿真器 可提供连续的数字信号和模拟信号 以便对电路原理图进行信号模拟仿真 从而 验证其正确性和可行性 2 可编程逻辑设计系统 可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本 编辑器和一个波形编辑器 本系统的主要功能是 对逻辑电路进行分析 综合 观察信号的波形 利用 PLD 系统可以最大限度的精简逻辑部件 使数字电路设计 达到最简化 3 高级信号完整性分析系统 信号完整性分析系统提供了一个精确的信号 完整性模拟器 可用来分析 PCB 设计 检查电路设计参数 实验超调量 阻抗和 信号谐波要求等 第五章 PCB 板的设计 protel99 软件 21 5 2 Protel 99 SE 的功能特性 1 开放式集成化的设计管理体系 2 超强功能的 修改与编辑功能 3 强大的设计自动化功能 第六章 焊接调试 22 第六章 焊接调试 1 根据设计组装电路 2 对各个元件进行检测 对不能工作的元件及时更换 以保证接下来的组装 及调试工作能够正常的进行 3 在组装电路中 由于是初次焊接电路板 有时焊点过大或焊接不牢固 导 致电路不能正常工作 经过多次的练习克服焊接中出现的问题 4 组装电路后检查无误方可通电 输入计数脉冲 进行基数 5 首先对计数进行清零 6 对电路进行通电检查 对有问题的元件进行更换 然后再进行调试 直至 达到设计的最终效果 实体 第七章 总结 23 第七章 总结 24 第七章 总结 7 1 本文总结 我认为 在这次的实验中 在收获知识的同时 还收获了阅历 收获了成熟 在此过程中 我们通过查找大量资料 请教老师 不仅培养了独立思考 动手操 作的能力 更重要的是 在实验中 我们学会了很多学习的方法 而这是日后最 实用的 真的是受益匪浅 要面对社会的挑战 只有不断的学习 实践 再学习 再实践 这样我们才能成为一名合格的大学生 经过几个月的调查 学习 研究和设计 对于 基于 CD4553 三位数显计数 器的设计 接近了尾声 以下是我在这段时间内的总结 1 对计数器有了更深刻的理解 懂得了计数器原理和应用 2 通过查阅资料已经清楚熟悉 CD4553 CD4511 的引脚及功能 3 通过对三位数显计数器的大量阐述 我对三位数显计数器有了进一步的了 解 尤其是它的结构 4 各大模块划分明确 模块功能设计有较强的针对性 5 通过对数码管的阐述 对液晶显示器 半导体显示器等都有所了解 6 通过对本次毕业设计的完成 使我对计数器的调研 研发等有了更进一步 的了解 这次毕业设计不仅是对我四年学习的一种检验 而且也为我的大学学习生活 画上了一个圆满的句号 这次的毕业设计为我以后的工作积累了宝贵的经验 同 时也为我以后实践打下了坚实的基础 至此 本次调研和设计能完成所有任务及要求 7 2 进一步的工作 我们在这过程中遇到很多困难 不管怎样 这些都是一种锻炼 一种知识的 积累 能力的提高 完全可以把这个当作基础东西 只有掌握了这些最基础的 才可以更进一步 取得更好的成绩 很少有人会一步登天吧 永不言弃才是最重 致谢 25 要的 而且 这对于我们的将来也有很大的帮助 以后 不管有多苦 我想我们都能变苦为乐 找寻有趣的事情 发现其中珍 贵的事