单步连续可逆不循环一位十进制计数器

1、丽 水 学 院课程设计与制作报告 题 目 单步/连续可逆不循环一位十进制计数器 指导教师 院 系 计算机与信息工程学院 专 业 电子信息工程专业 班 级 电信092 本 学 号 姓 名 2011年6月30日一设计课题： 单步/连续可逆不循环一位十进制计数器 二课程设计目的：（1）巩固所学的相关理论知识；（2）实践所掌握的电子制作技能；（3）完成一个实际的电子产品；进一步提高分析问题、解决问题的能力。三设计要求1. 单步/连续可逆不循环一位十进制计数器，由一个加/减控制开关切换加法与减法计数方式，由一个按键控制单步/连续计数方式。2. 当一个人以正常节奏按动按键时，计数器以单步方式计数，当按住按

2、键时间持续超过2s时，计数器自动进入连续计数方式，松开按键停止计数；计数器自动计数的速率应以人能够分辨出显示数字为限。4 设计方案设计方案框图如图31所示：单步/连续控制按键单脉冲发生器连续时钟发生器单步/连续选择可逆不循环一位bcd码计数器加/减开关译码器显示 图3-1 设计方案框图 各部分功能实现： 1.单步/连续控制按键：短按时，选择单步计数方式；长按时，选择连续计数方式。 2.单脉冲发生器部分：由cd4013和相应的电阻、电容构成单稳态电路，产生单次脉冲。 3.连续时钟发生器部分：由555和相应的电阻、电容构成多谐振荡电路，产生连续计数脉冲。4.可逆不循环一位bcd码计数器：由cd45

3、10进行计数，与非门和或非门控制cd4510的 cin 端，使加法计数到9自动停止，减法计数到0自动停止。 5. 译码器：由cd4511实现译码功能。6. 显示：用一个七段数码管显示一位十进制。7. 加/减开关：用一个单刀双掷开关控制cd4510的端，切换加减功能。五电路原理和参数计算 由上述的设计方案得到以下的电路原理图3-2和图3-5： 通过得出的原理图进行详细的分析并对各参数进行运算，得到相应的标称值。图3-2 单步/连续脉冲产生电路电路分析： 图3-2为单步/连续计数脉冲产生电路。其中cd4013和、构成单稳态触发器，=1是稳态，=0是暂稳态。若=0时，=1 ，高电平经向充电，端电压上

4、升，cmos逻辑电路的阈值电压为，当电压上升到2.5v时，d触发器状态自动转换为=1。由于d触发器的d端接地，所以每次按下按键，d触发器复位，=0，经过定时时间后，=1，输出一个负脉冲，等待下次触发。这里规定定时时间应该小于一般人连续两次按下按键的时间间隔。通过上述的分析，我们可以画出这个过程的波形，图3-3是cd4013构成的单稳态电路的各点电压波形： 图3-3 单次脉冲产生电路的电压波形图通过观察原理图3-2和波形图3-3，得到定时时间的公式： (3-1)这里取=0.1s，=10uf，从而由式(3-1)计算出r5约为14.493k,取标称值15k 。由555定时器构成多谐振荡电路，产生连续

5、计数脉冲。电容c1上的电压将在和之间往复振荡，和555定时器的输出端3脚电压波形如图3-4所示：图3-4 连续脉冲产生电路的电压波形图 由原理图3-2和波形图3-4可以得到振荡周期的计算公式： (3-2) (3-3) (3-4) 振荡周期t的选择应以人能分辨出数码管显示数字为限，这里取t=0.3s，=10uf，由于555构成了多谐振荡电路，则与相等，从而由式（3-4）计算得出=14.493k，取标称值15k。由、和构成单步/连续计数自动转换电路。未按下时，与非门的一个输入端经和接地为低电平，关闭与非门，使连续计数时钟不能通过，同时输出高电平打开与非门，使单步计数脉冲通过。如果按下时间较短，与非

6、门不打开，按下时间足够长，电容开始充电，当上电压超过阈值电压，则打开，单稳态电路进入稳态，使打开，连续计数脉冲输出。其中电容充电至上的电压到达阈值电压，所需的时间的计算公式为： (3-5)这里规定应该大于一般人连续两次按下按键的时间间隔。本电路取=2s，从而由式(3-5)计算出约为96.618k，取标称值100k。本实验中使用的与非门和d触发器都选择了cmos元件，减小了输入端等效电阻对各计算时间的影响。图3-5 一位可逆不循环计数器 图3-5为一位可逆不循环十进制计数及显示电路。cd4510为一位十进制加/减可逆循环计数器，六个与非门与四个或非门构成了不循环控制电路。由开关来选择计数器的“加

7、”、“减”，当开关接高电平时为加，当开关接低电平时为减。为防止电压过高，开关接上拉电阻到+5v，阻值定为10k。表3-1 cd4510逻辑功能表c inper工作状态100停止计数0100加法计数0000减法计数10预置数1复位表3-1为cd4510的逻辑功能表，通过上表可以得到加减不循环控制的原理。当输出为“9”，接高电平时，通过与非门和或非门的控制，反馈为高电平，此时停止加法计数。同理，当输出为“0”，接低电平时，反馈为高电平，此时停止减法计数。为防止cd4511输出的电流过大，在七段数码管的每个输入管脚上都接了一个小电阻作为保护，取值为300。五protel2004的pcb图 图3-6

8、pcb布线图六protel2004和芯片介绍 1.protel简介 protel dxp在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。protel dxp是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。protel dxp运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的pcb设计过程。通过设计输入仿真、pcb绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，protel dxp提

9、供了全面的设计解决方案。芯片简介 2.1 lm555 用来输出连续脉冲，管脚分布如图3-7所示： 图3-7 lm555管脚图引脚编号 符号 功能说明 gnd 地线 tr 触发 out 输出 res 复位 cv 控制电压 th 阀值 dis 放电 vcc 电源 电路特点：lm555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。其中 6 脚为阀值端（th），是上比较器的输入。2 脚为触发端（tr），是下比较器的输入。3 脚为输出端（out），有 0 和 1 两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。7 脚为放电端（dis），是内部放电管的输出，它有悬空

10、和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。4 脚为复位端（r），叫上低电平（ 0.3v）时可使输出端为低电平。5 脚为控制电压端(cv )，可以用它来改变上下触发电平值。8 脚为电源（vcc），1 脚为地（gnd）。 2.2 cd4013 用来产生单次脉冲，管脚分布如图3-8所示： 图3-8 cd4013管脚图极限值：电源电压-0.5+18v输入电压vi-0.5+0.5v、保存温度范围-65+150焊接温度265。推荐工作条件:电源电压315v、输入电压0。工作环境温度-55+85。管脚作用：、分别为两个d触发器的输入管脚。reset1、reset2分别为两个d触发器的复位端。d1、d2为两个d

11、触发器的输出端。set1、set2为两个d触发器的使能端。2.3 cd4510 用来实现计数，管脚分布如图3-9所示： 图3-9 cd4510管脚图 cd4510为可预置bcd 可逆计数器，该器件主要由四位具有同步时钟的d 型触发器（具有选通结构，提供t 型触发器功能）构成。具有可预置数、加减计数器和多片级联使用等功能。 cd4510具有复位cr，置数控制ld、并行数据d0d3、加减控制、时钟cp和进位等输入。cr为高电平时，计数器清零。当ld为高电平时，d0d3上的数据置入计数器中，控制计数器的计数操作，0时，允许计数。此时，若 为高电平，在cp时钟上升沿计数器加1计数；反之，在cp时钟上升

12、沿减1计数。除了四个q输出外，还有一个进位/错位输出。cc4510 提供了16引线多层陶瓷双列直插（d）、熔封陶瓷双列直插（j）、塑料双列直插（p）和陶瓷片状载体（c）4 种封装形式。推荐工作条件:电源电压范围3v15v、输入电压范围0vvdd。工作温度范围：m类55125e类4085。极限值：电源电压0.5v18v、输入电压0.5vvdd+0.5v、 输入电流10ma、储存稳定65150。引出端功能符号：进位输入端、ld数据置入控制端、/ 进位/错位输出端q0q3计数器输出端、cp 时钟输入端、加/减计数控制端、cr清除端 正电源、d0d3并行数据输入、接地。功能表与波形图见图3-10：图3

13、-10 cd4510功能表与波形图2.4 cd4511 用作译码，管脚分布如图3-11所示。 图3-11 cd4511管脚图 cd4511为4线七段锁存译码器/驱动器。cd4511是bcd7段锁存译码驱动器，在同一单片结构上由cos/mos 逻辑器件和npn双极型晶体管构成。这些器件的组合，使cd4511具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25ma 的性能。由此可直接驱动led及其它器件。、le 输入端分别检测显示、亮度调节、存储或选通一bcd码等功能。当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。cd4511提供了16引线多层陶瓷双列直插（d）、熔封陶瓷双列直插（j）、塑料双列直

14、插（p ）和陶瓷片状载体（c）4 种封装形式。推荐工作条件：电源电压范围3v15v输入电压范围0vvdd 。工作温度范围：m类55125、e类4085 。极限值 电源电压0.5v18v输入电压0.5vvdd+0.5v 、输入电流10ma、储存稳定65150 。引出端功能符号： a0a3二进制数据输入端、输出消隐控制端、le数据锁定控制、灯测试、正电源、地、数据输出端。功能表见图3-12： 图3-12 cd4511功能图2.5 cd4001和cd4011cd4001为二输入四或非门，cd4011为二输入四与非门，管脚分布如图3-13所示: 图3-13 cd4001和cd4011管脚图 两块芯片同

15、样为1、2输入，3输出；5、6输入，4输出；8、9输入，10输出；12、13输入，11输出；7接地；14接电源。2.6 七段共阴（阳）数码管七段共阴（阳）数码管用作显示其管脚分布如图3-14所示:图3-14 七段共阴数码管 7 实物焊接和调试 在protel 2004中将原理图更新到pcb后，进行布线，使布局紧凑，跳线数尽量少，然后把pcb图打印到已经擦亮的pcb板上，再把打印好的板放在腐蚀液中进行腐蚀，大约半小时后，腐蚀完整，擦干净pcb板，将其烘干，在打孔机下打出要焊接的小孔，按上述的实验原理在电路板上摆放好每个元件的位置，把每个元件焊接接起来。焊接完成后，在pcb板的电源线和地线上分别接

16、上导线。最后接入电源，进行调试。先按正常速度连续按下，发现数码管单步计数，从0到9，再拨下单刀双掷开关，仍然以正常速度连续按下，数码管单步计数，从9到0。接着再拨下单刀双掷开关，长按超过2秒，数码管连续计数从0到9，相反，拨下单刀双掷开关，长按超过2秒，数码管连续计数从9到0。九遇到的问题与分析1.原理图绘制和pcb布线的问题 刚接触protel 2004时，查阅了许多资料，学会了如何建立文件，如何绘制原理图。将原理图更新到pcb时，遇到了封装的问题，在默认封装库中缺少我所需的元件封装，通过网上的查阅，知道许多封装要由自己绘制，就学习怎么绘制自己的封装库。成功添加封装库，将原理图更新到pcb图

17、以后，陷入了更为困难的处境布线。起初我将这些元件进行排列，使用自动布线功能，发现许多地方都会短路，需要使用跳线进行连接，但跳线数量实在太多，只好撤销了全部布线，进行手动布线，根据原理图，再加上同学和一些前辈的布局。进行尝试性的连线。再一步步重复，终于将跳线数控制到了15条。2. 调试过程中的问题2.1 数码管无法有规律的显示数字，并且按键没有作用。查出来的原因:芯片使用错误，cd4013中4、6两管脚相互接反。解决方法：先在院里图上纠正错误cd4013线路，导入pcb，用锉刀断不开芯片4、5、6相连的板线路，将管脚5、7和2、6相连。 2.2 数码管不能亮，可能的错误有地线和电源反接了。 2.

18、3 芯片接错了，可能导致烧坏芯片。十课程设计心得体会 本次课程设计过程，历时两个星期。我最终在各个方面实现了对各个部分的设计制作，在制 作过程中，我遇到了很多的问题，但最终在我的努力以及老师和同学的帮助下，把问题都解决了。 我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。 在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过

19、的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。比如说焊接的时候一定要仔细，底座的插法没什么讲究，但是芯片一定要插对。 还有就是电容的正负极别搞错了，常的一端是正极，短的一段时负极，最重要的是跳线时注意不要和铜线接触，还有在调试的过程中可以先把不需要的或非门先拆掉，防止烧坏芯片，调试的过程中可以看看电容是否充电，用示波器看看是否有单次脉冲，注意地线和电源的连线。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 附录1 元件器清单电信09本 计数器元件清单 领用人 班级 电092本 日期 2011.6.24序号器件名称型号数量备注1电阻2