定时器电子课程设计.doc
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目录
摘要 2
1.Multisim软件的简介 3
2.系统设计总体方案 3
2.1设计基本思路 3
2.2设计总流程图 4
3.555定时器，CD4518和CD4011介绍 4
3.1555定时器 4
3.2CD4518 6
3.3CD4011引脚图 8
4.数字逻辑控制，脉冲信号产生，计数器计数和数码管显示模块电路图 9
4.1数字逻辑控制模块 9
4.1.1数字逻辑控制模块电路图 9
4.1.2数字逻辑控制模块原理 10
4.2脉冲信号产生模块 10
4.2.1脉冲信号产生模块电路图 10
4.2.2冲信号产生模块原理 11
4.3计数器计数模块 12
4.3.1计数器计数电路图 12
4.3.2计数器计数模块原理 13
4.4显示器模块 13
5.电路的总体设计与调试 14
5.1总体电路原理图 14
5.2总电路工作原理 14
6.课程设计收获与体会 15
7.参考文献 15
摘要
本次课程设计利用555定时器以及数字逻辑芯片和数码管实现数字电子计时器功能，计时器显示0~99计数，在实际生活中应用很广。
根据日常生活中观察，数字式计时器设计成型后供扩展的方面很多，例如自动报警、按时自动打铃等。
因此，与机械式时钟相比具有更高的可视性和精确性，而且无机械装置，具有更长的使用寿命，所以研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实和实际的意义。
目前，数字计数器的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。
但从知识储备的角度考虑，本设计是以中小规模集成电路设计数字钟的一种方法。
数字计数器包括组合逻辑电路和时序电路。
1.Multisim软件的简介
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。
软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。
一、Multisim的主窗口界面。
界面由多个区域构成：
菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。
通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。
用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。
二、菜单栏
菜单栏位于界面的上方，通过菜单可以对Multisim的所有功能进行操作。
不难看出菜单中有一些与大多数Windows平台上的应用软件一致的功能选项，如File，Edit，View，Options，Help。
此外，还有一些EDA软件专用的选项，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。
三、工具栏
Multisim提供了多种工具栏，并以层次化的模式加以管理，用户可以通过View菜单中的选项方便地将顶层的工具栏打开或关闭，再通过顶层工具栏中的按钮来管理和控制下层的工具栏。
通过工具栏，用户可以方便直接地使用软件的各项功能。
顶层的工具栏有：
Standard工具栏、Design工具栏、Zoom工具栏，Simulation工具栏。
Multisim特点：
直观的图形界面，丰富的元器件，强大的仿真能力，丰富的测试仪器，完备的分析手段，独特的射频（RF）模块，强大的MCU模块，完善的后处理，详细的报告，兼容性好的信息转换。
2.系统设计总体方案
2.1设计基本思路
任务书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，并且要求555定时器电路产生频率为100Hz的多谐波信号，通过后续电路实现0至99个脉冲的计时功能，电路还应具有计时时间到自动停止和开关重新开始计时功能。
从而完成此课题，可以将这整个计数系统，分为几个模块进行分析。
首先是数字逻辑控制模块，通过使用门电路来控制计时器进位及清零。
然后是脉冲信号产生模块，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。
再者是计时数计数模块，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。
最后是译码显示模块，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，实现计数。
2.2设计总流程图
数字逻辑
控制模块
脉冲信号
产生模块
计数器计
数模块
数码管显
示模块
图1设计总流程图
3.555定时器，CD4518和CD4011介绍
3.1555定时器
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极型（TTL）工艺制作的称为555，用互补金属氧化物（CMOS）工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，
可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
2脚：
低触发端。
3脚：
输出端Vo。
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：
TH高触发端。
7脚：
放电端，该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
图2555定时器引脚图
图3555定时器原理图
3.2CD4518
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：
图4CD4518芯片
1CP、2CP：
时钟输入端。
1CR、2CR：
清除端。
1EN、2EN：
计数允许控制端。
Q1A～Q4A：
计数器输出端。
Q1B～Q4B：
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VSS。
3.3CD4011引脚图
图5CD4011芯片功能图
图6CD4011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
VDD电源正VSS地VDD电压范围：
－0.5vto18v
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℃
X
Y
Q
动作
0
0
1
禁止
0
1
1
设定
1
0
0
重置
1
1
不变
无
表1CD4011真值表
（1）当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。
如真值表第一列。
（2）当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为“1”，使得NAND-B的两个输入均为“1”，因此NAND-B的输出为“0”，如真值表第二列。
（3）当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为”1”，使得NAND-1的两个输入均为“1”，因此NAND-A的输出为“0”，如真值表第三列。
（4）当X=1、Y=1时，因为一个“1”不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。
4.数字逻辑控制，脉冲信号产生，计数器计数和数码管显示模块电路图
4.1数字逻辑控制模块
4.1.1数字逻辑控制模块电路图
图7数字逻辑电路
4.1.2数字逻辑控制模块原理
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1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4端为低电平，发出脉冲到U2B,而1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脉冲信号产生模块
4.2.1脉冲信号产生模块电路图
图8脉冲信号产生电路图
下图是该频率波形图：
图9振荡器输出波形图
4.2.2冲信号产生模块原理
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。
图10振荡器电路图
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=10k，R11=2.21k左右，其输出的频率为f=100Hz.
4.3计数器计数模块
4.3.1计数器计数电路图
图11计数器电路
4.3.2计数器计数模块原理
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12显示器电路
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
图11总体电路原理图
5.2总电路工作原理
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。
6.课程设计收获与体会
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关数字电路方面的知识，
掌握了555定时器的原理和使用方法，以及了解数字逻辑芯片的结构和作用，同时掌握Multisim软件的使用方法，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
课程设计的过程虽然比较艰难，但是可以学到很多很多的东西，学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
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。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教老师同学或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
同时，老师的悉心指导给了我很大的帮助，在此非常感谢。
7.参考文献
1.《Multisim电路仿真技术应用》主编：
赵永杰，王国玉,电子工业出版社；
2.《电工学简明教程》秦曾煌编，高等教育出版社出版；
3.《数字电子技术基础教程》夏路易，电子工业出版社；
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