课程设计：数字式计时器电路 555定时器

理工学院课程设计用纸 第 1 页 共 21 页 目录目录 目录目录 1 1 系统设计思路与总体方案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 软件的简介软件的简介 3 2 1Multisim 概貌及特点 3 3 555 定时器 定时器 CD4518 和和 CD4011 介绍介绍 6 3 1 555 定时器 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 显示器模块 17 5 电路的总体设计与调试电路的总体设计与调试 17 5 1 总体电路原理图 17 5 2 总体电路工作原理 18 6 课程设计感受课程设计感受 19 6 1 课程设计中的收获和体会 19 7 附录与文献附录与文献 20 7 1 附录 20 7 2 参考文献 21 理工学院课程设计用纸 第 2 页 共 21 页 1 系统设计思路与总体方案 1 1 设计思路与流程图 根据任务书可以知道本课题是一个 2 位数字显示计数器 是一个十进制计 数器组合 本质上就是一计时器 通过一个时基电路产生一定频率脉冲 将脉 冲信号输入低位的计数器输入端 通过一级级的进位 从而达到计数 从而完 成此课题 我们可以将这整个计数系统 分为几个模块进行分析 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 由一个振荡电路来产生一个固定频率的脉冲信 号 作为计时器的时基信号 3 计时数计数模块 接收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 的数字 选用十进制计数器 的基础上 通过它们之间的级联 最终显示相应数字 该数字式定时器 需要用到 555 定时器 由此产生振荡信号 在数字逻辑电路的控制 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 理工学院课程设计用纸 第 3 页 共 21 页 2 Multisim 软件的简介 2 1Multisim 概貌及特点 Multisim 是美国国家仪器 NI 有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真 工具 适用于板级的模拟 数字电路板的设计工作 它包含了电路原理图的图形 输入 电路硬件描述语言输入方式 具有丰富的仿真分析能力 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 仿真的复杂内容 这样工程师无需懂得深入的 SPICE 技术就可以很快地进行捕获 仿真和分析新的设计 这也使其更适合电子学教 育 通过 Multisim 和虚拟仪器技术 PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以 完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计 流程 目前在各高校教学中普遍使用 Multisim10 0 网上最为普遍的是 Multisim 10 0 NI 于2007年08月26日发行 NI 系列电子电路设计软件 NI Multisim v 10 作为其中一个组成部分包含于其中 EDA 就是 Electronic Design Automation 的缩写 技术已经在电子设 计领域得到广泛应用 发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计 一台电子产品的设计过程 从概念的确立 到包括电路原理 PCB 版图 单片 机程序 机内结构 FPGA 的构建及仿真 外观界面 热稳定分析 电磁兼容 分析在内的物理级设计 再到 PCB 钻孔图 自动贴片 焊膏漏印 元器件清单 理工学院课程设计用纸 第 4 页 共 21 页 总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成 EDA 技术借助计算机存储 量大 运行速度快的特点 可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估 设计 检验 设计优化和数据处理等工作 EDA 已经成为集成电路 印制电路板 电 子整机系统设计的主要技术手段 美国 NI 公司 美国国家仪器公司 的 Multisim 9软件就是这方面很好的一个工具 而且 Multisim 9计算机仿真与虚拟 仪器技术 LAB EW 8 也是美国 NI 公司的 可以很好的解决理论教学与实 际动手实验相脱节的这一老大难问题 学员可以很好地 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 极大地提高了学员的学习热情和积极性 真正的做到了变 被动学习为主动学习 这些在教学活动中已经得到了很好的体现 还有很重要 的一点就是 计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进 NI Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真 能够快速 轻松 高效地对电路进行设计和验证 凭借 NI Multisim 您可以立即创建具有完整组 件库的电路图 并利用工业标准 SPICE 模拟器模仿电路行为 借助专业的高级 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的迅速验证 从而缩短建模循环 与 NI Lab EW 和 SignalExpress 软件的集成 完善了具 有强大技术的设计流程 从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量 Multisim 是 Interactive Image Technologies Electronics Workbench 公 司推出的以 Windows 为基础的仿真工具 适用于板级的模拟 数字电路板的设 计工作 它包含了电路原理图的图形输入 电路硬件描述语言输入方式 具有 丰富的仿真分析能力 为适应不同的应用场合 Multisim 推出了许多版本 用 户可以根据自己的需要加以选择 在本书中将以教育版为演示软件 结合教学 的实际需要 简要地介绍该软件的概况和使用方法 并给出几个应用实例 EDA 软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了 该 EDA 软件的质量和易用性 Multisim 为用户提供了丰富的元器件 并以开放 的形式管理元器件 使得用户能够自己添加所需要的元器件 Multisim 以库的形式管理元器件 通过菜单 Tools Database Management 理工学院课程设计用纸 第 5 页 共 21 页 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 窗口中的 Daltabase 列表中有两个数据库 Multisim Master 和 User 其中 Multisim Master 库中存放的是软件为用户提供 的元器件 User 是为用户自建元器件准备的数据库 用户对 Multisim Master 数据库中的元器件和表示方式没有编辑权 当选中 Multisim Master 时 窗口中 对库的编辑按钮全部失效而变成灰色 如下图所示 但用户可以通过这个对话 窗口中的 Button in Toolbar 显示框 查找库中不同类别器件在工具栏中的表示 方法 在 Multisim Master 中有实际元器件和虚拟元器件 它们之间根本差别在于 一种是与实际元器件的型号 参数值以及封装都相对应的元器件 在设计中选 用此类器件 不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性 还可以直接将 设计导出到 Ultiboard 中进行 PCB 的设计 另一种器件的参数值是该类器件的 典型值 不与实际器件对应 用户可以根据需要改变器件模型的参数值 只能 用于仿真 这类器件称为虚拟器件 它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也 不同 在元器件工具栏中 虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的 图标形状相同 但虚拟器件的按钮有底色 而实际器件没有 NI Multisim 软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的 EDA 工具软件 作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具 NI Multisim 是一个完整的集 成化设计环境 NI 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 学员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 NI Multisim 软件绝对是电子学教学的首选软件工具 Multisim 的特点 可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器 所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上 理工学院课程设计用纸 第 6 页 共 21 页 所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析 3 555 定时器 CD4518 和 CD4011 介绍 3 1 555 定时器 555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路 该电 路使用灵活 方便 只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐 振荡器等 因而广泛用于信号的产生 变换 控制与检测 555定时器产品有 TTL 型和 CMOS 型两类 TTL 型产品型号的最后三 位都是555 CMOS 型产品的最后四位都是7555 它们的逻辑功能和外部引线 排列完全相同 555定时器的电路如图9 28所示 它由三个阻值为5k 的电阻组成的 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 和反相器组成 555定时器 又称时基电路 是一个模拟与数字混合型的集成电路 555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路 该电路使用灵活 方便 只需外接少量的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 于信号的产生 变换 控制与检测 目前生产的定时器有双极型和 CMOS 两种类型 其型号分别有 NE555 或 5G555 和 C7555等多种 它们的结构及工作原理基本相同 通常 双极型定时 器具有较大的驱动能力 而 CMOS 定时器具有低功耗 输入阻抗高等优点 555定时器工作的电源电压很宽 并可承受较大的负载电流 双极型定时器电 源电压范围为5 16V 最大负载电流可达200mA CMOS 定时器电源电压范 围为3 18V 最大负载电流在4mA 以下 555的引脚图如图3 功能如下 Pin 1 接地 地线 或共同接地 通常被连接到电路共同接地 Pin 2 触发点 这个脚位是触发 NE555使其启动它的时间周期 触发信号上缘 理工学院课程设计用纸 第 7 页 共 21 页 电压须大于2 3 VCC 下缘须低于1 3 VCC Pin 3 输出 当时间周期开始555的输出输出脚位 移至比电源电压少1 7伏的 高电位 周期的结束输出回到 O 伏左右的低电位 于高电位时的最大输出电流 大约200 mA Pin 4 重置 一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个 低电位 它通常被接到正电源或忽略不用 Pin 5 控制 这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压 当计时器经营在 稳定或振荡的运作方式下 这输入能用来改变或调整输出频率 Pin 6 重置锁定 Pin 6重置锁定并使输出呈低态 当这个接脚的电压从1 3 VCC 电压以下移至2 3 VCC 以上时启动这个动作 Pin 7 放电 这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力 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 的正电源电压端 供应电压的范围是 4 5伏特 最小值 至 16伏特 最大值 555的内部电路和功能 图3 1 1 555定时器原理图 图3 1 2 555定时器引脚图 上面图是555定时器内部组成框图 它主要由两个高精度电压比较器 A1 A2 一个 RS 触发器 一个放电三极管和三个5K 电阻的分压器而构成 理工学院课程设计用纸 第 8 页 共 21 页 分压器为两个电压比较器 C1 C2提供参考电压 如5端悬空 则比较器 C1的 参考电压为 加在同相端 C2的参考电压为 加在反相端 是复位输入端 DR 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 DR 工作时 1 DR u11和 u12分别为6端和2端的输入电压 当 u11 u12 时 C1输出为低电平 C2输出为高电平 基 CC V 3 2 CC V 3 1 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 CC V 3 2 CC V 3 1 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 CC V 3 2 CC V 3 1 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 别为的情况下 其功能如下表 CCCC V 3 1 V 3 2 理工学院课程设计用纸 第 9 页 共 21 页 表3 1 1 555定时器功能表 3 2CD4518 引脚功能 图3 2 1 CD4518引脚 CD4518是一个双 BCD 同步加计数器 由两个相同的同步4级计数器组成 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 计数允许控制端 理工学院课程设计用纸 第 10 页 共 21 页 1Q0 1Q3 计数器输出端 2Q0 2Q3 计数器输出端 Vdd 正电源 Vss 地 CD4518是一个同步加计数器 在一个封装中含有两个可互换二 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 同时复位端 Cr 也保持低电平 0 只有满 足了这些条件时 电路才会处于计数状态 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未设置进位端 但可利用 Q4做输出 端 有人误将第一级的 Q4端接到第二级的 CP 端 结果发现计数变成 逢八进 一 了 原因在于 Q4是在 CP8作用下产生正跳变的 其上升沿不能作进位脉 冲 只有其下降沿才是 逢十进一 的进位信号 正确接法应是将低位的 Q4端 接高位的 EN 端 高位计数器的 CP 端接 USS 理工学院课程设计用纸 第 11 页 共 21 页 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 A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 与非 门 Y A B 的 逆 1 1 0 表 3 3 1 逻辑表达式 VDD 电源正 VSS 地 VDD 电压范围 0 5V to 18 功耗 双列普通封装 700mW 小型封装 500mW 工作温度范围 CD4011BM 55 125 CD4011BC 40 85 理工学院课程设计用纸 第 12 页 共 21 页 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 振荡器是计时器的核心 振荡器的稳定度和频率的精确度决定了计时器的准确 度 一般来说 振荡器的频率越高 计时精度就越高 但耗电量将越大 所以 理工学院课程设计用纸 第 13 页 共 21 页 在设计电路时要根据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的持续时间 第一个暂稳态时间 tp1为电容 C 的电压 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 的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 改变 和的值 就可以改变振荡器的频率 如果利用外接电路改变 1 R 2 R C 端 5号端 的电位 则可以改变多谐振荡器高触发端的电平 从而改变振荡 O C 周期 T 在实际应用中 常常需要调节和 在此 引进占空比的概念 输出脉 1 t 2 t 冲的占空比为 CRRCRCRRttT 2 7 07 07 0 2122121 理工学院课程设计用纸 第 14 页 共 21 页 在本设计中 采用的是精度不高的 由集成电路 555 与 RC 组成的多谐振荡 器 其具体电路如下图 2 所示 这里 555 振荡电路制作秒脉冲获得 100Hz 的秒脉冲信号 其电路简单并且 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下降到小于 1 3VCC时 触发器被置位 v0翻转为高电平 电容器 C3 放电 结束 所需的时间为 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所需的时为 21 21 21 1 2RR RR tt t q 理工学院课程设计用纸 第 15 页 共 21 页 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 端就得到一个周期性的方波 其频率为 本设计中 由电路图和 f 的公式可以算出 微调 R10 4 3k R11 5k 左右 其输 出的频率为 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 理工学院课程设计用纸 第 16 页 共 21 页 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 同时复位端 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 将低位的 Q4端 接高位的 EN 端 高位计数器的 CP 端接 USS 电路处于计数状态 4 4 显示器模块 图 4 4 1 显示器电路 理工学院课程设计用纸 第 17 页 共 21 页 该数码管接收到计数器的信号 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 所以该数码管的输出为从 0 到 9 5 电路的总体设计与调试 5 1 总体电路原理图 由第三章介绍的电路各个部分的子电路构成的各个部分的功能 可以清楚的知 道了总体的电路情况 下面图就时本设计的总体电路 图 5 1 1 总体电路原理图 5 2 总体电路的工作原理 本课程设计要求利用多种数字逻辑芯片 555 定时器和数码管设计一个数 字式计时器电路 并且计时时间为 99 个脉冲信号 要求 555 定时器产生 100HZ 理工学院课程设计用纸 第 18 页 共 21 页 的多谐波信号 对于电路的控制方面还要求电路具有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 定时器原理 针对要求 首先我设计了一个由 LM555CM 芯片组成的产生多谐波信号的多 谐振荡器电路 在 VCC 端给其一个 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 同时 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 设计要求是 100Hz 通过公式已在本报告 4 2 小节算出振荡频率 并且 符合设计要求 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的U10A 的 cp1 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 所以 4518 芯片 MR 置 0 结束清零 相当于解除自锁功能 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 B 的 A D 端为高电平 通过稳压 二极管来起到 99 后自锁功能 最后一个要求就是当按下 J2 以后 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 理工学院课程设计用纸 第 19 页 共 21 页 6 课程设计感受 6 1 课程设计中的收获和体会 通过本次数电 数字式定时器的设计 让我对已学过的电路 数电 模电 等电子技术的知识有了更深一步的了解 同时也对 Multisim 10 0软件有了一 定的学习和了解 NI Multisim 软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的 EDA 工具软件 作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具 NI Multisim 是一 个完整的集成化设计环境 NI 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 我们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 NI Multisim 软件绝对是电子学教学的首选软件工具 这次课程设计锻炼和培养了自己利用已学知识来分析和解决实际问题的能力 对自己以后的学习和工作有很大的帮助 刚开始做这个设计的时候感觉自己什么都不知道怎么下手 脑子里比较浮躁和 零乱 但通过一段时间的努力 通过重温数电等电子技术的书籍 还有通