四位二进制计数器设计课程设计论文 精品.docx

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四位二进制计数器设计课程设计论文精品

课程设计

系部：

自动化系

专业班级：

11电子301班

指导教师：

裴玉玲

二O一二年五月二十五

课程设计任务书

课题名称

四位二进制计数器设计

内容及

要求

本课题是四位二进制计数器设计。

它是我院自动化系老师为培养和提高学生CAD设计及操作水平而设计的，其目的是

1、了解四位二进制计数器电路组成

2、分析四位二进制计数器电路的工作原理

3、掌握四位二进制计数器电路原理图、层次图和印制电路板的设计步骤和方法

4、用电子CAD技术绘制原理图，进行层次图设计

5、进行元件封装的选择

6、进行自动布局和手工调整

7、自动布线和演示三维效果

8、编写设计说明书，具体内容包括：

（1）计数器的工作原理

（2）计数器的基本结构

（3）总体设计思路、模块设计及分析

（4）阐明计数器电路组成

（5）简述所设计电路的工作原理

（6）对电路元件参数进行计算

（7）用电子CAD技术绘制电路图

（8）选择封装、正确布线

（9）通过电脑演示三维动画效果

（10）电器元件清单

（11）参考资料目录

（12）其他认为需要说明的问题

技术指标：

Ⅰ、电路规模：

3个元件左右

Ⅱ、原理图绘制：

层次图

Ⅲ、印制电路：

采用双面板

一般线宽12mil

最小安全距离7mil

输入、输出和电源及地线线宽30mil

线路拐弯角度≥900

Ⅳ、其它要求

●尽量采用自动布线

●尽量采用规范封装形式

●布局合理

●布线尽量不重叠

基本工作量要求

1-6周，每周10学时以上，完成原理图层次图设计、PCB自动布线设计。

进度计划

起止时间

工作内容

第1周：

9..6-9.10

第2-3周：

9.13-9.24

第4周：

9.27-9.30

第5-6周;10.4-10.15

接受任务书、收集资料、整理资料

分析电路功能、层次图设计

PCB设计

设计资料整理、论文写作

参考文献

《电子线路辅助设计Protel99SE》、《电路设计与制版——Protel99》、《Protel99PCB设计与应用技巧》、《融会贯通Protel99电路设计》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》

【摘要】随着多频彩显技术的不断发展，在日常生活中的应用越来越广泛，但到目前为止彩显显示器的概念还没有统一的说法，但对其认识却大都相同，顾名思义它应该是将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的一种显示工具。

从广义上讲，街头随处可见的大屏幕，电视机的荧光屏、手机、快译通等的显示屏都算是彩显显示器的范畴，但目前一般指与电脑主机相连的显示设备。

它的应用非常广泛，大到卫星监测、小至看VCD，可以说在现代社会里，它的身影无处不在，其结构一般为圆型底座加机身，随着彩显技术的不断发展，现在出现了一些其他形状的显示器，但应用不多。

作为一个经常接触电脑、电视、手机的人来说，显示器则必须是他要长期面对的，每个人都会有这种感觉，当长时间看一件物体时，眼睛就会感觉特疲劳，显示器也一样，由于它是通过一系列的电路设计从而产生影像，所以它必定会产生辐射，对人眼的伤害也就更大。

因为人的眼睛直接看着彩显显示器，伤害比较大。

为了减小这些伤害和彩显技术在这方面的不足，做到显示器视觉广、画质好、画面稳定、辐射小等。

故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得彩显技术有更好的发展空间。

【关键词】计算机辅助设计层次图设计印制电路板设计

前言

计算机辅助设计系统一般以工程数据库和元件库为支持，包括交互式图形设计、几何造型、工程分析与优化设计、人工智能与专家系统等功能。

随着计算机辅助设计在企业的推广应用，人们日益重视它与计算机辅助制造之间的信息集成。

这种信息集成避免了产品信息的重复输入，可以提高产品质量、缩短产品开发周期、大大提高企业产益。

为此，国内外近期着重发展产品整个生命期内的产品数据描述与交换技术。

如果再进一步实现计算机集成制造系统，将极大地改变企业面貌。

并行设计与并行工程技术力图在产品设计阶段尽可能早地解决后续加工制造、维护等阶段所发生的问题，将使新产品的开发发展到更高的水平。

此外，进一步引入人工智能与专家系统技术，将增强计算助设计智能化。

课题（课题背景和意义）机辅：

计算机辅助设计设计人员借助于计算机进行设计的方法。

其特点是将人的创造能力和计算机的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来。

在工程和产品设计中，许多繁重的工作，例如非常复杂的数学和力学计算，多种设计方案的提出、综合分析比较与优化，工程图样及生产管理信息的输出等，均可由计算机完成。

设计人员则可对计算、处理的中间结果作果作出判断、修改，以便更有效地完成设计工作。

计算机辅助设计能极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造了有利条件。

特别是电路仿真设计的应用,大大降低了成本,提高了设计效率。

同时为修订电路设计提供便捷，经济效益明显。

目前，在我国计算机辅助设计正受到企业的欢迎和重视，已广泛被应用于电子、机械和其它多种行业。

第一章：

计算机辅助设计的特点及应用

1．1计算机辅助设计（CAD）的特点

在CAD应用工程实施过程中，国家科技部和国家质量技术监督局都非常重视CAD标准化工作，在“八五”期间组织我国有关单位制订了适用于我国的指导性文件《CAD通用技术规范》，并且在国家“九五”科技攻关项目中把《CAD通用技术规范》制订成国家标准GB/T17304。

该项目还开展了CAD标准体系的研究，其成果收入了《CAD通用技术规范》国家标准的附录A。

 本部分以《CAD通用技术规范》为主线，主要介绍CAD技术标准化的内容，CAD软件开发和企业的CAD技术应用应该采用的标准。

主要包括：

CAD通用技术规范、CAD开发和应用标准化，以及CAD制图标准、CAD数据交换标准、CAD标准件标准、CAD文件管理、光盘存档标准和CAD一致性测试等内容。

1．2计算机辅助设计（CAD）的应用

计算机辅助设计（CAD）是电路设计和制造业企业产品设计时非常重要的工具，运用大量的、非常复杂的数学模型进行计算，大大减轻了手工绘图的设计模式时代的工作量，极大地提高了设计效率。

特别是在电子线路计算机辅助设计（简称电子CAD）中，电路仿真技术的实施，不但能及时看到电路设计的效果，并对不理想的结果进行元件的调整或参数上的修改，提高设计效率，而且大大地节约了设计成本，这对于企业和国民经济有着及其深远的影响。

因此做好预算也是成功实施ERP和类似管理系统的重要保证，上述各类软件系统可能有相互交叉、相互包含的部分。

一般地来说，ERP系统的投资至少在几十万的数量级，几百万的也不在少数，有的甚至达到几千万，主要看涉及的规模大小。

通常的报价方式有按模块或按用户数来报价，所以，企业在选型的过程中，可以按照自己的需求规模，先解决什么问题，再解决什么问题，并根据这些考虑决定先买什么模块，再买什么模块；或者先买少量的用户数，将来再增加用户数，这样可以循序渐进地投入，比较流行的说法是“总体规划、分步实施”。

第二章：

计数器的基本工作原理

2.1计数器概述

2.1.1计数器的功能

计数器的基本功能就是计算输入脉冲的个数。

计数器是数字系统中应用最广泛的时序逻辑部件之一，除了计数之外，还可以用作定时、分频、信号产生和执行数字运算等，是数字设备和数字系统中不可缺少的组成成分。

2.1.2计数器的分类

计数器的分类很多，分类方法也不相同。

、根据计数脉冲的输入方式不同，可分为同步计数器和异步计数器。

计数器是由若干个基本逻辑单元——触发器和相应的逻辑门组成。

如果计数器的全部触发器共用同一个时钟脉冲，而且这个脉冲就是计数输入脉冲时，这种计数器就是同步计数器。

如果计数器中只有部分触发器的时钟是计数输入脉冲，另一部分触发器的时钟脉冲是由其他触发器的输入信号提供的，则这种计数器就是异步计数器。

2、根据计数器进制不同，分为二进制、十进制、任意进制计数器。

各计数器按各自的计数进制规律进行计数。

3、根据计数过程中计数的增或减，又分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。

对输入脉冲进行递增计数的计数器叫做加法计数器，进行递减计数的计数器叫做减法计数器。

如果在控制信号作用下，即可以进行加法计数又可以进行减法计数的计数器叫做可逆计数器。

2.1.3计数器的工作原理

JK触发器构成的T′触发器是翻转型触发器，即输入一个CP脉冲，该触发器的状态就翻转一次。

如果T′触发器的初始状态为0，在逐个输入CP脉冲时，其输出状态就会由0→1→0→1不断变化，此时称触发器工作在计数状态，即由触发器输出状态的变化，可以确定输入CP脉冲个数。

一个触发器能表示一位二进制数的两种状态，两个触发器能表示两位二进制数的4种状态，n个触发器能表示n位二进制的二的N次方种状态，即能计二的N次方个数，以此类推。

2.1.4计数器的一般模型

计数器的一般模型如图所示，CLK1、CLK2分别为加法计数脉冲输入端和减法计数端。

TCU、TCD分别为加法计数进位端和减法计数借位端。

D0～Ｄｎ为数据加载端，在其上加载的数据决定了计数的初始值。

Q0～Qn为计数输出端，计数器的输出数据由此取出。

MR为清零端。

每个计数器不一定有图一所示控制端，可能有的还会有自己独特的控制端，合理利用这些控制端，可以用一个计数器实现多种进制的计数。

图1计数器模型

第三章四位二进制计数器的设计介绍

3.1二进制计数器的逻辑功能及特点

3.1.1二进制计数器的逻辑功能

与其他进制计数器相比较，二进制计数器低电平异步清零，低电平同步预置数。

3.1.2二进制计数器的种类

，同步二进制计数器：

74HC161、74HC163、

CD40161、CD40163

计数器

异步二进制计数器：

CD4040、CD4060、74HC393

3.2四位二进制计数器的基本构成

3.2.1四位二进制计数器的简介

四位二进制计数器中以74HC161为例，各引脚功能和符号说明如下：

Po～P3并行数据输入端

Qo～Q3数据输出端

CET、CEP——计数控制端

CLK——时钟输入端，即CP端（上升沿有效）

TC——进位输出端（高电平有效）

___

MR——异步清除输入端（低电平有效）

___

PE——同步并行置数控制端（低电平有效）

图274HC161的逻辑图

74HC161的功能特点如下：

1、预置并行数据输入。

在实际工作中，有时在开始计数前，需要将某一设定数据预先写入计数器中，然后在计数脉冲

2、异步清零。

3、计数控制。

4、进位。

表174HC161的逻辑功能

输入

输出

2、用二极管改善的互补推挽功放电路工作原理

（1）由于T1、T2的工作电压均为0.5Vcc，因而PO、PT、PV等的计算，只须将乙类互补电路指标计算中的Vcc代之以0.5Vcc即可。

（2）由于互补对称电路中的晶体管都采用共集电极的接法，所以输入电压必须稍大于输出电压。

为此，输入信号需经1-2级电压放大后，再用来驱动互补对称功率放大器。

（3）应采取复合管解决功率互补管的配对问题。

异型管的大功率配对比同型管的大功率配对困难。

为此，常用一对同型号的大功率管和一对异型号的互补的小功率管来构成一对复合管取代互补对称管。

静态时　

当R3C3足够大时，VC3不随vi变化，可认为基本不变。

这样，当vi为负时，T1导电，vK将由VCC/2向更正方向变化，考虑到vD=vC3+vK=VC3+vK，显然，随着K点电位升高，D点电位vD也自动升高。

因而，即使输出电压幅度升得很高，也有足够的电流iB1，使T1充分导电。

这种工作方式称为自举，意思是电路本身把vD提高了。

电路特点：

（1）静态时RL上无电流；

（2）D1、D2（或R，或R、D）供给T1、T2两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态，即工作于甲乙类状态；

　　（3）RC3是T3的集电极负载电阻，b1、b2两点的直流电位差始终为1.4V左右，但交流电压的变化量相等；

　　（4）仅需使用单电源，但增加了电容器C,C的选择要满足?

=RLC足够大（比vi的最大周期还要大得多），使VC=0.5VCC；

　　（5）T3的偏置电压取自K点,具有自动稳定Q点的作用，调节R2可以调整VK。

第四章多频彩显电路原理图设计

4.1多频彩显电路原理图设计步骤：

1、创建原理图先在操作桌面上打开电路设计辅助软件PROTEL99，进入到设计程序中。

命名原理图的文件名。

2、设置图样参数。

单击“DOCUMENTOPTIONS”，将会出现相应的设置参数对话框，在“STANDARED”里面选择，将默认的图样面“B”改为“A4”。

3、添加元件库。

单击屏幕左侧元件库浏览器“BROWSESCH”标签，在按下栏中的“ADD/REMOVE”，从中选择进行所需要的原理图元件库，按下ADD完成所需的添加。

4、放置元件。

单击工具栏内的“WIRINGTOOLS”中取用文件图表，会出现相应的，放置元件对话框，在其中填入元件名称按下“OK”，即可放置完毕。

5、编辑元件。

双击要编辑的元件的符号，会弹出一个关于该元件的属性的对话框。

然后按照有关选项定义对每个元件元件进行编辑，就完成了所需要的操作。

6、放置连线和节点。

用绘图工具栏进行元件连线和放置节点，要注意用实线。

7、放置电路输入输出点。

8、画图和放置文字。

4.1.1创建元件库的步骤

1、启动PROTEL99，进入主窗口。

2、执行菜单命令FILE/NEWDESIGN，输入设计元件库的数据库名，后缀为.DDB.

3、执行菜单命令FILE/NEW打开新建文件对话框，选中原理图元件库文档图标。

4、直接双击选中的图标，进入原理图元件编辑主窗口。

4.1.2创建元件并进行设置

1、进入PROTEL99编辑器主窗口，PROTEL99会自动生成元件绘图页面。

2、将元件绘图页放大到满意程度，然后开始绘制矩形框。

3、在绘制好的矩形框外添加“—”字样。

4、绘制元件的引脚，然后完成后存盘。

4.2多频彩显电路原理图

第五章层次图的设计

5.1层次图的运用

5.1.1层次电路图的结构分析

对于一个大型的电路设计，可以称它为项目。

大型项目不可能将所有的电路图画在一张图纸上，更不可能由一个人单独完成。

通常将这种很庞大的设计项目划分为很多的功能模块，由不同的设计人员分别完成，然后通过层次电路图把整个设计综合到一起。

这样可以大大提高设计速度，做到多层次模块化并行设计。

层次电路图的设计中，信号的传递主要靠放置电路方块图、方块进出点和电路输入输出点（统称页间连接符）来实现。

这三者之间有着密切的联系，要做层次设计首先要理解这三者的关系。

同时要区分开电路进出点与网络名称的关系。

图一:

电路方块图、方块进出点、电路输入输出点与网络名称的关系

此主题相关图片如下：

图中：

1，为方块进出点2，为电路输入输出点3，为网络名称上图为一张层次电路图结构说明，LAYER1代表最上层的总SCH模块图，LAYER2代表第二层SCH分页图，也就是LAYER1里面的电路方块图分页。

只要有电路方块图，则必定有与之相对应的电路图存在（且必须在同一个文件夹下），并且电路方块图中必须有方块进出点，同时此电路方块图对应的电路图中必须有相同名称的输入输出点与之相对应（如图中左边两条蓝线所表示的A1、A2点）。

在电路方块图与其多代表的分页原理图中，同名的页间连接符（即方块图进出点和分页电路图中的输入输出点）被指定为相互连接的，而不管网络名称是否相同，如左边两条蓝线所表示。

注意此处与网络名称的区别！

在一张原理图中，具有相同网络名称的线路被认为是相互连接的（电路输入输出点有同样功能），但范围仅限于这一张图纸中，如果一个项目里的两张图纸中出现相同的网络名称，则系统会报告有重复网络的错误（NETALREADYEXIST）。

而页间连接符则可以用于上下层图页之间的电气连接。

所以不同的图页之间一定要用页间连接符来连接。

不要出现图中“4”位置所表示的情况。

上图LAYER1中的A1点的网络名称虽然和LAYER2A中的A2点相同，但是由于是处于不同图页中，且没有页间连接符连接，所以它们之间没有联系。

但是在实际设计时最好不要这样命名，以免出现混乱。

应该按照右边的蓝色线条表示的方式命名。

5.1.2层次原理图设计方法

层次原理图的设计方法有两种：

1、自上而下的设计方法：

顾名思义，自上而下设计就是说先绘制最上层的原理图，也就是总的模块连接结构图，然后在向下一级分别绘制各个模块的原理图。

此方法适用于展开一个全新的设计，从上往下一级一级完成设计。

2、自下而上的设计方法：

自下而上的设计就是指先绘制各个模块的原理图，或者说有全部或部分的模块图已经绘制完成。

然后在绘制上层总的模块连接结构图。

两种方法的结果相同，只是中间的操作过程有些差异。

1、自上而下的设计步骤：

（1）.新建一个SCH设计文件（总模块图）

（2）.放置电路方块图（PLACE-SHEETSYMBOL）-TAB-定义文件名（FILENAME）注意此处的"FILENAME"项目非常重要，定义完成后不要随便改动，因为是它指定了方块图寻找下层分页图的路径，如果方块图的"FILENEMA"和下层分页图的文件名不对应，那么生成网络的时候将会丢失整个分页模块。

整个项目准备划分几个模块就放置几个方块图。

（3）.放置方块图进出点（PLACE-ADDSHEETENTRY）放置各个模块之间需要连接的网络连接点，可以是单线或总线。

（4）.放置外部元件并连接各部分网络。

（5）.※生成分页原理图（DESIGN-CREATESHEETFROMSYMBOL）点击想要生成的方块图，则系统自动根据方块图的"FILENAME"生成文件名对应的原理图，且原理图中会自动产生与方块图名称相同的电路输入输出点。

（6）.完成分页原理图绘制。

（7）.当全部的分页都绘制完成后，便可以在总模块图中生成网络表，或UPDATEPCB。

2、自下而上的设计步骤：

（1）.首先建立所有的分页原理图并完成绘制工作。

（2）.放置分页图电路输入输出点（PLACE-ADDSHEETENTRY）。

（3）.新建一个SCH设计文件（总模块图）。

（4）.※在总模块图中生成分页原理图的电路方块（DESIGN-CREATESYMBOLFROMSHEET）在弹出的对话框中依次选择绘制好的分页图，然后放置于模块图适当位置。

（5）.放置外部元件并连接各部分网络。

（6）.当外部网络绘制完成后，便可以在总模块图中生成网络表，或UPDATEPCB。

首先关于层次图的创建有两种方法：

1.自顶而向下设计;2.自低向上设计;不管那种设计方法,你必须清楚各个原理图之间的信号输入输出的关系.在各个SCH中要放置PORT;在主电路图中SheetSymbol中要放置SheetEntry;

以下介绍两种方法的创建，我本人比较推荐第二种方法：

（1）、自顶而向下设:

新建一sch文件,该sch为顶层图.在该sch中放置SheetSymbol如下图所示:

两次点击Design->CreateSheetFromSymbol;则会生成SCH1.sch和SCH2.sch,并且自动产生输入输出口.

该方法的关键在于一开始要在SheetSymbol中放置SheetEntry,对系统的熟悉和分配很重要.

（2）、自低向上设计:

要创建的层次如上图所示,分别新建原理sch1.sch和sch2.sch.在原理图sch1.sch中放置PORT端口:

M13,M14,M15（可以自定义）,属性为OutPut.在原理图sch2.sch中放置PORT端口:

M13,M14,M15（可以自定义）,属性为InPut.

新建一sch文件,该sch为顶层图,两次点击Design->CreateSymbolFromSheet;则生成Sheetsymbol和SheetEntry.

最后,在顶层图中将各SheetEntry用Net或Wire或BusWire电气联接。

第六章多频彩显电路的PCB设计

6.1PCB设计步骤

1、建立PCB文档和非标准元件PCB，并设置电路板参数。

（在设计主窗口下，点击File文件→new，打开NewDocument对话框，选取新建一个.PCB文件。

）

2、设置PCB设计环境和大小等

进入PCB系统后的首要任务是设置PCB工作的环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等。

其次是规划电路板，主要是确定电路板的边框，包括电路板的尺寸大小等等。

在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。

注意：

在绘制电路板的边框前，一定要将当前层设置成KeepOut（禁止布线）层。

3、导入元器件

在利用原理图设计工具绘制原理图时，生成对应的网络表，PCB设计时直接导入这些元器件的网络表。

这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计和PCB板设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路板的布线。

在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。

因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在导入网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。

4、元器件布局

Protel99SE可以进行自动布局，也可以进行手动布局。

如果进行自动布局，运行“Tools”下面的“AutoPlace”命令。

布局是布线的基础，大多数自动布局后的电路，均需手动调整，当手动调整时，用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到目的地，放开左键，将该元件固定。

注意：

零件布局时，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。

5、布线规则设置

布线规则是设置布线的各个规范（点击Design→Rules规则，打开规则设置对话框，对相应的参数进行设置。

）

规则：

走线线宽（RoutingWidth标签的Constraint）12mil

最小安全距离（RoutingClearanceConstraint）8.5mil

输入、输出和电源及地线线宽30mil

线路拐弯角度≥90

其余各项一般可用它原先的缺省值，而象布线的拓补结构、电源层的间距和连接形状匹配的网络长度等各项可根据需要设置。

6、自动布线与手工调整

自动布线（选择AutoRoute→All，再点击RouteAll进行自动布线）

对布线进行手工调整

7、添加输入、输出封装并进行总线连接

8、保存CLS-3开关电源的印制电路板设计（如图4.4所示）、

9、生成DRC设计规则检查表（在Tools工具栏里选择DesignRuleCheck设计规则检查，如图4.5所示）

6.2PCB设计规则

PCB印制电路板（双面板）

最小安全距离

5mil

线宽

11mil

线路拐弯角度

≥900

加粗

VCC（20mil）输入、输出（30mil）

6.2生成各种PCB报表

1.生成已选取管教的报表（例如查阅U1的哪些管教在Vcc网络中）

执行菜单命令“Edit\SelectedNet”选取电路板中的网络。

再执行菜单命令“Report\SelectedPins”,弹出对话框列出所有被选取