课程设计数字式计时器电路定时器.doc

目录

目录 1
1.系统设计思绪与总体方案 2
1.1 设计思绪与流程图 2
2.Multisim软件的简介 3
2.1Multisim概貌及特点 3
3.555定期器，CD4518和CD4011介绍 6
3.1 555定期器 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 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 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 19
6.1 课程设计中的收获和体会 19
7.附录与文献 20
7.1附录 20
7.2参考文献 21

1.系统设计思绪与总体方案
1.1 设计思绪与流程图
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，从而达成计数。从而完毕此课题，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。接受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。
该数字式定期器，需要用到555定期器，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
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，合用于板级的模拟/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进一步的SPICE技术就可以不久地进行捕获、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毕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2023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，到涉及电路原理、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、总装配图等生产所需资料等等所有在计算机上完毕。EDA技术借助计算机存储量大、运营速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完毕的模拟评估、设计检查、设计优化和数据解决等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的重要技术手段。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。并且Multisim 9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABⅥEW 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发明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积极学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。尚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获和功能强大的仿真，可以快速、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，并运用工业标准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 LabⅥEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而可以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，合用于板级的模拟/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，使得用户可以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达方式没有编辑权。当选中Multisim Master时，窗口中对库的编辑按钮所有失效而变成灰色，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达方法。
在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间主线差别在于：一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相相应的元器件，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相应性，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，不与实际器件相应，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达方法也不同。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 下运营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发明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
⑴可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；
⑵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；
⑶所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行解决和分析。
3.555定期器，CD4518和CD4011介绍
3.1 555定期器
555定期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定期器产品有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定期器的电路如图9-28所示。它由三个阻值为5kΩ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定期器（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路。555定期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。
  目前生产的定期器有双极型和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，双极型定期器具有较大的驱动能力，而CMOS定期器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定期器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定期器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定期器电源电压范围为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期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) -这个接脚和重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定期器原理图 图3.1-2：555定期器引脚图
上面图是555定期器内部组成框图。它重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5KΩ电阻的分压器而构成。
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。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。正常工作时，=1。
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：

表3.1-1：555定期器功能表
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。
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，在一个封装中具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,电路才会处在计数状态.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未设立进位端，但可运用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。因素在于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。对的接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS。

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
与非门
Y=A×B的逆

A B
Y
0 0
1
0 1
1
1 0
1
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 18Ｖ
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℃
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；假如此刻按下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，

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连续时间。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。假如运用外接电路改变端(5号端)的电位，则可以改变多谐振荡器高触发端的电平，从而改变振荡周期T。
在实际应用中，经常需要调节和。在此，引进占空比的概念。输出脉冲的占空比为:

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。其电路简朴并且频率稳定，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：

    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
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，电路处在计数状态。

4.4 显示器模块

图4.4-1：显示器电路
该数码管接受到计数器的信号，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
本课程设计规定运用多种数字逻辑芯片、555定期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。规定555定期器产生100HZ的多谐波信号。对于电路的控制方面还规定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定期器原理
针对规定，一方面我设计了一个由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
设计规定是100Hz，通过公式已在本报告4.2小节算出振荡频率，并且符合设计规定。
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，相称于解除自锁功能。4518BD开始累加，4518芯片是一种十进制累加芯片。
为了达成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。
最后一个规定就是当按下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。此时假如再按下J1可重新开始计时。
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：数字式定期器的设计，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 下运营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发明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运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，尚有通过查看相关的设计技术以及一些参考文献，再加之在老师的指导和周边同学的帮助下，使我对自己的本设计有了纯熟的掌握。
在整个的设计过程中我充满了激情和专心。记得在电子电工实习的时候，也是用满腔的热情来完毕各项实习任务，并在每项实习项目中都达成了优秀的成绩。 所以，我相信自己的实际动手能力，并历来的加强自己在这方面的努力。在这次的电子技术设计中亦是如此，用自己的双手和满腔的热情来完毕各个环节，不断的在图书管查看相关资料和期刊文献，特别在Internt上也收收获了很多新鲜的东西。这次设计更让我熟悉了一些常用集成逻辑电路和其相应芯片的使用。
虽然，在本设计中所用的方案不是最佳的，但我想其中的原理是最基本的；虽然其中也许出现的误差会计较大些，让我更加深刻地了解和结识到了自己的优点和局限性，通过这个课程设计我发现了我好多知识都不熟悉甚至有的东西我主线就不知道，这让我感到了要学习的东西尚有很多很多。因此使我更坚定了在以后的学习中要扎实好基础，阔广知识面。
通过这次对数字式定期器的设计，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于定期器的基本原理与设计理念，通过软件Multisim10实现。通过这次学习，让我对相关电路都有了大约的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应当自己坚持不懈、动手实际操作才会有深刻理解的。
7.附录与文献
7.1附录
电路中涉及到的元器件都以下的元件细表中：

元 件 名 称
型号、规格
数 量
十进制计数器
4518BD-5V
2片
数显管
DCD_HEX
2个
555定期器
LM555CM
1片
与非门
4011BD-5V
1个（3）
电阻
10K
3个
电阻
5K
1个
电阻
4.3K
1个
电阻
1K
1个
电容
1uF
1个
电容
10nF
1个
电容
470nF
1个
按钮
PB-DPST
2个
电源
5V
5个
表7.1-1 电路所用元件细表
7.2参考文献
1.《电子技术基础》数字部分，五版，主编：康华光，高等教育出版社；
2.《电子技术基础》模拟部分，五版，主编：康华光，高等教育出版社；
3.《Multisim电路仿真技术应用》主编：赵永杰，王国玉,电子工业出版社；
4.吕思忠 施齐云.数字电路实验与课程设计.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社；
5.毛期俭等；数字电路与逻辑设计实验及应用.北京；人民邮电出版社； 电子电路图站；
7. 电子之城；
8. .com 电子爱好者。