555定時(shí)器電子課程設(shè)計(jì)

1、常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙目錄摘要 .21.Multisim軟件的簡介 .32.系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案 .32.1設(shè)計(jì)基本思路 .32.2設(shè)計(jì)總流程圖 .43.555定時(shí)器， CD4518和 CD4011介紹 .43.1 555 定時(shí)器 .43.2 CD4518 .63.3CD4011 引腳圖 .84.數(shù)字邏輯控制，脈沖信號(hào)產(chǎn)生，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和數(shù)碼管顯示模塊電路圖. 94.1數(shù)字邏輯控制模塊 .94.1.1數(shù)字邏輯控制模塊電路圖 .94.1.2數(shù)字邏輯控制模塊原理 .104.2脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊 .104.2.1脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊電路圖 .104.2.2沖信號(hào)產(chǎn)生模塊原理 .114.3計(jì)

2、數(shù)器計(jì)數(shù)模塊 .124.3.1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)電路圖 .124.3.2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)模塊原理 .134.4顯示器模塊 .135.電路的總體設(shè)計(jì)與調(diào)試 .145.1總體電路原理圖 .145.2總電路工作原理 .146.課程設(shè)計(jì)收獲與體會(huì) .157.參考文獻(xiàn) .15共15頁， 第1 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙摘要本次課程設(shè)計(jì)利用555 定時(shí)器以及數(shù)字邏輯芯片和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子計(jì)時(shí)器功能，計(jì)時(shí)器顯示099 計(jì)數(shù)，在實(shí)際生活中應(yīng)用很廣。根據(jù)日常生活中觀察，數(shù)字式計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)成型后供擴(kuò)展的方面很多，例如自動(dòng)報(bào)警、 按時(shí)自動(dòng)打鈴等。因此，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的可視性和精確性，而且無機(jī)械裝置，

3、具有更長的使用壽命，所以研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用， 有著非?，F(xiàn)實(shí)和實(shí)際的意義。目前，數(shù)字計(jì)數(shù)器的功能越來越強(qiáng)， 并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。但從知識(shí)儲(chǔ)備的角度考慮，本設(shè)計(jì)是以中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的一種方法。數(shù)字計(jì)數(shù)器包括組合邏輯電路和時(shí)序電路。共15頁， 第1 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙1. Multisim軟件的簡介Multisim是美國國家儀器（ NI ）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬 / 數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。軟件以圖形界面為主，采用菜單、

4、工具欄和熱鍵相結(jié)合的方式，具有一般Windows應(yīng)用軟件的界面風(fēng)格，用戶可以根據(jù)自己的習(xí)慣和熟悉程度自如使用。一、 Multisim 的主窗口界面。界面由多個(gè)區(qū)域構(gòu)成：菜單欄，各種工具欄，電路輸入窗口，狀態(tài)條，列表框等。通過對(duì)各部分的操作可以實(shí)現(xiàn)電路圖的輸入、編輯，并根據(jù)需要對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的觀測和分析。用戶可以通過菜單或工具欄改變主窗口的視圖內(nèi)容。二、菜單欄菜單欄位于界面的上方，通過菜單可以對(duì)Multisim的所有功能進(jìn)行操作。不難看出菜單中有一些與大多數(shù)Windows平臺(tái)上的應(yīng)用軟件一致的功能選項(xiàng)， 如File ，Edit ，View，Options ，Help 。此外，還有一些EDA軟件專

5、用的選項(xiàng)，如Place ，Simulation ， Transfer以及 Tool 等。三、工具欄Multisim提供了多種工具欄，并以層次化的模式加以管理，用戶可以通過View 菜單中的選項(xiàng)方便地將頂層的工具欄打開或關(guān)閉，再通過頂層工具欄中的按鈕來管理和控制下層的工具欄。 通過工具欄，用戶可以方便直接地使用軟件的各項(xiàng)功能。頂層的工具欄有： Standard 工具欄、 Design 工具欄、 Zoom工具欄，Simulation工具欄。Multisim特點(diǎn)：直觀的圖形界面，豐富的元器件，強(qiáng)大的仿真能力，豐富的測試儀器，完備的分析手段，獨(dú)特的射頻（RF）模塊，強(qiáng)大的 MCU模塊，完善的后處理，詳

6、細(xì)的報(bào)告，兼容性好的信息轉(zhuǎn)換。2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案2.1 設(shè)計(jì)基本思路任務(wù)書要求利用多種數(shù)字邏輯芯片、555 定時(shí)器和數(shù)碼管設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式計(jì)共15頁， 第3 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙時(shí)器電路，并且 要求 555 定時(shí)器電路產(chǎn)生頻率為 100Hz的多諧波信號(hào)，通過后續(xù)電路實(shí)現(xiàn) 0 至 99 個(gè)脈沖的計(jì)時(shí)功能，電路還應(yīng)具有計(jì)時(shí)時(shí)間到自動(dòng)停止和開關(guān)重新開始計(jì)時(shí)功能。從而完成此課題， 可以將這整個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)， 分為幾個(gè)模塊進(jìn)行分析。 首先是數(shù)字邏輯控制模塊， 通過使用門電路來控制計(jì)時(shí)器進(jìn)位及清零。 然后是脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊，由一個(gè)振蕩電路來產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的脈沖信號(hào)， 作為計(jì)時(shí)器的

7、時(shí)基信號(hào)。再者是計(jì)時(shí)數(shù)計(jì)數(shù)模塊， 接收計(jì)時(shí)及中斷信號(hào)脈沖， 從而控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，且有清零功能， 該模塊選用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 最后是譯碼顯示模塊， 該模塊要顯示 00 到 99 的數(shù)字，選用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上，通過它們之間的級(jí)聯(lián)，最終顯示相應(yīng)數(shù)字，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。2.2 設(shè)計(jì)總流程圖數(shù)字邏輯脈沖信號(hào)控制模塊產(chǎn)生模塊計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)模塊數(shù)碼管顯示模塊圖 1設(shè)計(jì)總流程圖3.555 定時(shí)器， CD4518和 CD4011介紹3.1 555 定時(shí)器555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型（ TTL）工藝制作的稱為 555 ，用 互補(bǔ)金屬氧化物（ CMOS）工藝制作的稱為 7555 ，除單

8、定時(shí)器外， 還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556 。555 定時(shí)器的電源電壓范圍寬，共15頁， 第4 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為200mA，因而其輸出可與 TTL 、CMOS或者模擬電路電平兼容。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻， 一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器 C1 的反相輸入端

9、的電壓為 2VCC /3 ，C2 的同相輸入端的電壓為 VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于 VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0 ，可使 RS 觸發(fā)器置 1 ，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于 VCC/3 ，則 C1 的輸出為 0 ，C2 的輸出為 1 ，可將 RS 觸發(fā)器置0，使輸出為 0 電平。它的各個(gè)引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端。3腳：輸出端 Vo。4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)

10、應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。 若此端外接電壓， 則可改變內(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01 F 電容接地，以防引入干擾。6腳： TH高觸發(fā)端。7腳：放電端，該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。8腳：外接電源 VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是 4.5 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為 3 18V 。一般用 5V。共15頁， 第5 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙圖 2 555 定時(shí)器引腳圖圖 3 555定時(shí)器原理圖3.2 CD4518CD4518是一個(gè)雙 BCD同步加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4 級(jí)計(jì)數(shù)器組成。CD4518

11、引腳功能（管腳功能）如下：共15頁， 第6 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙圖 4 CD4518 芯片1CP 、2CP：時(shí)鐘輸入端。1CR、2CR：清除端。1EN、2EN：計(jì)數(shù)允許控制端。Q1A Q4A：計(jì)數(shù)器輸出端。Q1BQ4B：計(jì)數(shù)器輸出端。Vdd：正電源。Vss：地。CD4518是一個(gè)同步加計(jì)數(shù)器，在一個(gè)封裝中含有兩個(gè)可互換二/ 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其功能引腳分別為 17和915，該 CD4518計(jì)數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或 2腳， 9腳或 10腳），4路 BCD碼信號(hào)輸出（ 3腳 6腳， 11腳 14腳）。CD4518控制功能： CD4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端 CP和 EN,

12、若用時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，信號(hào)由 CP輸入，此時(shí) EN端為高電平（ 1） , 若用時(shí)鐘下降沿觸發(fā)，信號(hào)由 EN輸入，此時(shí) CP端為低電平（ 0）, 同時(shí)復(fù)位端 Cr 也保持低電平（ 0）, 只有滿足了這些條件時(shí) , 電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，否則沒辦法工作。將數(shù)片 CD4518串行級(jí)聯(lián)時(shí)，盡管每片 CD4518屬并行計(jì)數(shù)，但就整體而言已變成串行計(jì)數(shù)了。需要指出， CD4518未設(shè)置進(jìn)位端，但可利用 Q4做輸出端。有人誤將第一級(jí)的 Q4端接到第二級(jí)的 CP端，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)變成“逢八進(jìn)一”了。原因在于 Q4是在 CP8作用下產(chǎn)生正跳變的， 其上升沿不能作進(jìn)位脈沖， 只有其下降沿才是“逢十進(jìn)一” 的進(jìn)位信號(hào)。

13、正確接法應(yīng)是將低位的 Q4端接高位的 EN端，高位計(jì)數(shù)器的 CP端接 VSS。共15頁， 第6 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙3.3 CD4011 引腳圖圖 5 CD4011 芯片功能圖圖 6CD4011 引腳圖管腳功能：1A 數(shù)據(jù)輸入端 2A數(shù)據(jù)輸入端 3A數(shù)據(jù)輸入端 4A數(shù)據(jù)輸入端1B 數(shù)據(jù)輸入端 2B數(shù)據(jù)輸入端 3B數(shù)據(jù)輸入端 4B數(shù)據(jù)輸入端1Y 數(shù)據(jù)輸出端 2Y數(shù)據(jù)輸出端 3Y數(shù)據(jù)輸出端 4Y數(shù)據(jù)輸出端VDD 電源正 VSS 地VDD電壓范圍： 0.5v to 18v功耗：雙列普通封裝700MW小型封裝 500MW工作溫度范圍： CD4011BM -55 - +125

14、CD4011BC -40 - +85 XYQ動(dòng)作001禁止共15頁， 第6 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙011設(shè)定100重置11不變無表 1 CD4011 真值表(1) 當(dāng) X=0、Y=0 時(shí)，將使兩個(gè) NAND門之輸出均為 1，違反觸發(fā)器之功用，故禁止使用。如真值表第一列。(2) 當(dāng) X=0、Y=1時(shí)，由于 X=1 導(dǎo)致 NAND-A的輸出為“ 1”，使得 NAND-B的兩個(gè)輸入均為“ 1”，因此 NAND-B的輸出為“ 0”，如真值表第二列。(3) 當(dāng) X=1、Y=0時(shí)，由于 Y=0 導(dǎo)致 NAND-B的輸出為” 1”，使得 NAND-1的兩個(gè)輸入均為“ 1”，因此 NA

15、ND-A的輸出為“ 0”，如真值表第三列。(4) 當(dāng) X=1、Y=1 時(shí)，因?yàn)橐粋€(gè)“ 1”不影響 NAND門的輸出，所以兩個(gè) NAND門的輸出均不改變狀態(tài)，如真值表第四列。4. 數(shù)字邏輯控制，脈沖信號(hào)產(chǎn)生，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和數(shù)碼管顯示模塊電路圖4.1 數(shù)字邏輯控制模塊4.1.1數(shù)字邏輯控制模塊電路圖共15頁， 第6 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙圖 7數(shù)字邏輯電路4.1.2數(shù)字邏輯控制模塊原理在點(diǎn)擊綠色箭頭開始，電容開始充電，此時(shí)J1 按下時(shí)，電阻下端1 為低電平，電容下端6 為低電平，繼而U2B端為低電平；如果此刻按下J2，則 4 端為低電平，發(fā)出脈沖到U2B,而 1 和 6 輸出

16、低電平到與非門U2A，U2A輸出高電平到U2B，此時(shí) 0 和 1 輸入到與非門 U2B ，繼而 U2B輸出高電平。4.2 脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊4.2.1脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊電路圖共15頁， 第6 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙圖 8脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路圖下圖是該頻率波形圖：圖 9振蕩器輸出波形圖4.2.2沖信號(hào)產(chǎn)生模塊原理共15頁， 第6 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙振蕩器是計(jì)時(shí)器的核心， 振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的精確度決定了計(jì)時(shí)器的準(zhǔn)確度。圖 10振蕩器電路圖接通電源后，電容C3被充電， vC上升，當(dāng) vC 上升到大于 2/3V CC時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，放電管 T 導(dǎo)通，此

17、時(shí) v0 為低電平，電容 C3通過 R2 和 T 放電，使 vC下降。當(dāng) v下降到小于 1/3V 時(shí)，觸發(fā)器被置位， v翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C3放電結(jié)CCC0束 , 所需的時(shí)間為：t1 R2 C ln2 / 3VccR2 C ln 2 0.7R2 C1/ 3Vcc當(dāng) C3放電結(jié)束時(shí)， T 截止， VCC將通過 R1、R2 向電容器 C3充電， vC由 1/3V CC上升到 2/3V 所需的時(shí)為：CCt2 R1R2 C ln Vcc1/ 3VccR1 R2 C ln 2 0.7 R1 R2CVcc2 / 3Vcc當(dāng) vC 上升到 2/3V CC時(shí)，觸發(fā)器又被復(fù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)， 如此周而復(fù)始， 在輸出

18、端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為 :11.43fR1 R2 Ct1 t2本設(shè)計(jì)中，由電路圖和 f 的公式可以算出， 微調(diào) R10=10k，R11=2.21k 左右，其輸出的頻率為 f=100Hz.4.3 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)模塊4.3.1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)電路圖共15頁， 第6 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙圖 11 計(jì)數(shù)器電路4.3.2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)模塊原理CD4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端 CP和 EN,若用時(shí)鐘上升沿觸發(fā) , 信號(hào)由 CP輸入 , 此時(shí) EN端為高電平（ 1） , 若用時(shí)鐘下降沿觸發(fā) , 信號(hào)由 EN輸入 , 此時(shí) CP端為低噸平（ 0）, 同時(shí)復(fù)位端 Cr 也保持低電平（ 0）,

19、 將數(shù)片 CD4518串行級(jí)聯(lián)時(shí)，盡管每片 CD4518屬并行計(jì)數(shù)，但就整體而言已變成串行計(jì)數(shù)了，將低位的 Q4端接高位的 EN端，高位計(jì)數(shù)器的CP端接 USS，電路處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。4.4 顯示器模塊圖 12 顯示器電路共15頁， 第6 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙?jiān)摂?shù)碼管接收到計(jì)數(shù)器的信號(hào)，并將其顯示出來。此處加了兩個(gè)1N4148二極管，控制其進(jìn)位，最大數(shù)出值為1001=9，所以該數(shù)碼管的輸出為從0 到 9。5. 電路的總體設(shè)計(jì)與調(diào)試5.1 總體電路原理圖圖 11 總體電路原理圖5.2 總電路工作原理由 LM555CM芯片組成的產(chǎn)生多諧波信號(hào)的多諧振蕩器電路，在 VCC端給其

20、一個(gè) 5V 直流電源。接通電源后，電容C 充電。充電回路是VCC R1 R2 C地，當(dāng)Vc 上升到 2Vcc/3 時(shí)， Vo 為低電平，同時(shí)T 導(dǎo)通。此時(shí)C 通過 R2和 T 放電，放電回路為C R2 T地，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到VcVcc/3時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，放電管T 截止，電容再次充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。 由振蕩電路產(chǎn)生脈沖傳給數(shù)字顯示回路中的U10A的 cp1 端，cp1共 15頁，第 13 頁常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙端置高電平，4518BD 開始累加。但是當(dāng)開關(guān)A 沒有按下時(shí)，邏輯控制電路輸出端 U2B始終是高電平。只有當(dāng)開關(guān) J1 按下時(shí) U2A輸出端置 1， U2C輸出端也置 1。U2B為與非門輸出低電平，所以 4518 芯片 MR置 0，結(jié)束清零，相當(dāng)于解除自鎖功