电气制图及CAD实验报告.doc

电气制图及CAD实验报告
一小时电子计时器

姓名:杨荣宗
学号:9
专业:自动化专业
一、 实验简介
此次实验主要就是两个实验得设计,数字秒表与电子计时器。由于当时由于学校得一些社会实践得工作比较忙,因此选择了这些较为简单得实验科目进行,并完成了数字秒表得原理图绘制与PCB板制作。后期在数字秒表得基础上,加上部分元器件完成了功能更加复杂得电子计数器得原理图绘制与PCB板得制作。由于两个电路得工作原理相似,电子计数器包涵了数字秒表得功能,本文在给出数字秒表得原理图与PCB板之后,着重从电子计数器进行详细介绍。包括电子计数器原理图得multisim软件仿真,电路各个模块功能得分析,主要芯片得功能介绍以及内部封装与引脚分布,之后利用protel软件绘制出电子计数器得原理图与PCB板。数字秒表只能完成00到59秒得计时功能,而电子计数器则可以完成从00:00到59:59得计时功能,并在控制电路得作用下实现快速校分,清零,自动报时等功能。
二、 实验器件介绍
主要芯片引脚图及功能表
CD4511译码器

图2、2、1 CD4511译码器引脚图
表2、2、1 CD4511译码器功能表

输入
输出

LT
BI
LE
D4
D3
D2
D1
g
f
e
d
c
b
a
字符
测灯
0
×
×
×
×
×
×
1
1
1
1
1
1
1
8
灭零
1
0
×
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
锁存
1
1
1
×
×
×
×
显示LE=0→1时数据
译码
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
2
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
3
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
4
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
5
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
6
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
7
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
9
CD4518计数器

图2、2、2 CD4518BCD码计数器引脚图
表2、2、2 CD4518BCD码计数器功能表:

输入
输出

CR
CP
EN
Q3
Q2
Q1
Q0
清零
1
×
×
0
0
0
0
计数
0
↑
1
BCD码加法计数
保持
0
×
0
保持
计数
0
0
↓
BCD码加法计数
保持
0
1
×
保持
CD4040分频器

图2、2、3 CD4040分频器引脚图
NE555定时器

图2、2、2 NE555定时器引脚图
表2、2、2 NE555定时器功能表
(引脚4 )
Vi1(引脚6)
Vi2(引脚2)
VO(引脚3)
0
×
×
0
1
>2/3Vcc
>1/3Vcc
0
1
<2/3 Vcc
<1/3Vcc
1
1
<2/3 Vcc
>1/3Vcc
不变
74LS74 D触发器

图2、2、5 74LS74D触发器引脚图
表2、2、5 74LS74D触发器功能表

输入
输出

CP

D

清零
×
0
1
×
0
1
置“1”
×
1
0
×
1
0
送“0”
↑
1
1
0
0
1
送“1”
↑
1
1
1
1
0
保持
0
1
1
×
保持
不允许
×
0
0
×
不确定
74LS00 双四与非门

图2、2、6 74LS00双四与非门引脚图
74LS20 四入双与非门

图2、2、7 74LS20 四入双与非门引脚图
74LS21四入双与门

图2、2、8 74LS21四入双与门引脚图
三、 电路设计及结果
3、1数字秒表原理图

3、2数字秒表PCB板布线图

3、3数字秒表PCB板3D图

3、4电子计时器设计原理
3、4、1、各部分电路解析
3、4、1、1、脉冲发生电路
脉冲发生电路即为电子计时器产生脉冲得电路,本文采用NE555振荡器与CD4040分频器产生实验所需要得脉冲信号频率其中:f0=1、44/[(R1+2R2)C]=4、38kHz R1=1KΩ,R2=3KΩ,C=0,047uF。12
CD4040得最大分频系数就是2 ,即Q12= f0/2 =1Hz(理论值为1、068579Hz,每小时慢231、04秒),从Q12可以输出1Hz,从Q11可以输出2Hz,从Q6可以输出500Hz,从Q7可以输出1kHz。
Multisim仿真电路如图1:

图1
3、4、1、、2、计时电路
本文采用二—十进制加法计数器CD4518来实现来实现计时电路。CD4518时一种常用得8421BCD码加法计数器。每一片CD4518集成电路中集成了两个相互独立得计数器,正好作为计时器得分位(00—59)与秒位(0059)得计数。当清零端输入1,EN端为1且CP端输入时钟信号。其输出端Q3 Q2 Q1 Q0输出从0000到1001(即十进制中得0到9)得循环。所以当使用其作为分与秒得个位进行计数时不需对其进行反馈清零,而用其进行分与秒得十位计数时,需要在Q3 Q2 Q1 Q0输出0110时(即十进制中得6),对其进行清零(因为CD4518就是异步清零)。
Multisim仿真电路如图2:(由于截图限制,只截下了部分电路,下同)

图2
3、4、1、3、译码显示电路
本文选用CD4511数码管驱动芯片,将计数电路产生得即使信号转化为数码管得显示信号。此处数码管选用共阴双字显示器,来自计数电路得信号通过译码器CD4511,为了避免电路中得电流过大而烧坏电路,本实验中在数码管得每一个显示输入端加上了限流电阻(约330欧姆)。
Multisim仿真电路如图3:(同上,只截下分位电路)

图3
3、4、1、4、报时电路
记蜂鸣器得符号为W,根据报时要求实现三低一高整点报时(59分53秒、59分55秒、59分57秒低声报时,59分59秒高声报时)。得到报时电路得表达式如下:
W=59′53″*f3+59′55″*f3+59′57″*f3+59′59″*f4
=59′53″(2″*f3+4″*f3+6″*f3+8″*f4)
本模块中采用74LS00、74LS20、74LS21、蜂鸣器得组合产生了需要得电路。
Multisim仿真电路如图4:

图4
3、4、1、5、控制电路
3、4、1、5、1、校分电路
为了快速对计时器进行调时,并且检测得电路报时功能。在该电子计时器中设计了快速较分电路。校分电路要实现得功能为:当开关打到“0”时,计数器能够正常计数;当开关打到“1”时,分计数器输入2Hz得脉冲实现快速得计数,调整分位得显示,而秒位则保持不变。考虑到事件情况中容易出现抖动得现象,电路中引入了D触发器,由于D触发器得输出端只在时钟得上升沿变化,而其她时刻保持上一次得电平,很好得实现了防抖动得功能。相对应得在清零电路中也可以采用同样得方式解决抖动得问题。

图5
3、4、1、5、2、清零电路
考虑到电子计数器功能得完整性,应该具备在任意时刻将计时器复位得功能,因此设计了清零电路,来实现这一功能。因为前面74LS74还有一端没有用着,正好可以利用剩余得部分接到开关上来实现同步清零。(实际连接中发现,此处可以不设置防抖动电路)(此处由于截图不变略去,见总图6)
3、4、2、整体电路及PCB板
3、4、2、1、电子计时器multisim模拟仿真电路
由于软件得原因部分元器件得符号与实际芯片有所差异,对部分进行了等效替代,但就是实现了相同得功能,因此验证了实验电路得正确性。原理图见图6:

图6
3、4、2、2、电子计时器Protel原理图
图7
3、4、2、3、电子计时器PCB板布线图
图8
3、4、2、4、电子计时器PCB板3D图

图9
四、 实验总结
本课程为期三个礼拜,在实验得过程中,尽管由于社会实践等原因最终得实验没有做好充足得准备,但就是,整个得实验过程。整个关于CAD制图得细节基本了解到了。
绘图得过程中遇到了一个不小得麻烦,由于元器件数量比数字秒表明显增加,使得导入PCB之后令人眼花缭乱,无从下手。为了兼顾布局得美观与线路得清晰简洁。我决定按照原理图得布局进行PCB板布局,再通过细微部分得调节尽量缩小板子得尺寸。
板子尺寸得缩小给后期得布线增加了工作量,经过反反复复很多次得尝试之后,我选择了自动布线。但就是效果并不理想,因此我又在这基础上,对部分线路进行了调整,得到了一个较为理想得线路图。完成整体布局与布线之后,我由在PCB板上增加了“泪滴”效果,对焊盘附近得线路进行了加粗。为了方式电流过大烧坏电路,之后又将电源与地线进行了加粗。
通过本课程得课堂教学与实验操作,我学会了Protel得一些基本操作方法但要熟练掌握这款软件,我知道自己很有很多得不足,还需要更多得实践训练。