课程设计报告：数字式计时器电路555定时器

1、目录目录 11 .系统设计思路与总体方案21.1 设计思路与流程图 22 .Multisim软件的简介32.1 Multisim 概貌及特点 33.555 定时器， CD4518 和 CD4011 介绍 7.1.1 555 定时器 71.2 CD4518 引脚功能 1.11.3 CD4011 引脚图 1.24 . 数字逻辑，振荡器，计数器和显示电路图 144.1 数字逻辑模块 1.44.2 振荡器模块 1.44.3 计数器模块1.94.4 显示器模块2.05 . 电路的总体设计与调试205.1 总体电路原理图 2.05.2 总体电路工作原理2.16 .课程设计感受 226.1 课程设计中的收获

2、和体会2.27 .附录与文献247.1 附录 2.47.2 参考文献 2.51 .系统设计思路与总体方案1.1 设计思路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， 从而达到计数。 从而完成此课题，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。接收计

3、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。该数字式定时器，需要用到 555 定时器，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：Word 文档Word文档图1.1-1 :总体方案流程图2.Multisim软件的简介2.1 Multisim概貌及特点Multisim是美国仪器（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

4、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仿真的复杂容，这样工程师无需懂得深入的SPICER术就 可以很快地进行捕获、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成从理论 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

5、2007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，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机结构、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 所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快 的特点，可对设计

6、方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数 据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要 技术手段。美国NI公司（美国仪器公司）的 Multisim 9软件就是这方面很好的 一个工具。而且Multisim 9计算机仿真与虚拟仪器技术 （LABVI EW 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创造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主动学习。 这些在教学活动中已 经

7、得到了很好的体现。还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捉和功能强大的仿真，能够快速、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，并利用工业标准SPICE真拟器模仿电路行为。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 Lab VIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的 设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。Multisim 是 Interactiv

8、e Image Technologies （Electronics Workbench ） 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。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

9、的形式管理元器件，使得用户能够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 库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中 Multi

10、sim Master时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色，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示方法。在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于： 一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件， 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对应性，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， 不与实际器件对应，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

11、们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。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下运行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创造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

12、软件工具。Multisim的特点可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；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；所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。3.555定时器，CD4518和CD4011介绍3.1 555定时器555定时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定时器产品有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

13、全相同。555定时器的电路如图9-28所示。它由三个阻值为5k?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定时器（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路。555定时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。目前生产的定时器有双极型和 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，双极型定时器 具有较大的驱动能力，而 CMOS定时器具

14、有低功耗、输入阻抗高等优点。555定 时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压围 为516V,最大负载电流可达200mA; CMOS定时器电源电压围为318V,最 大负载电流在4mA以下。555的弓唧图如图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

15、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时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）-这个接脚和主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

16、 +）-这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的围是 +4.5伏特（最 小值）至+16伏特（最大值）。555的部电路和功能：图3.1-1 : 555定时器原理图图3.1-2 : 555定时器引脚图上面图是555定时器部组成框图。它主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5KQ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。Rd是复位输入端。当RD=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，RD =1 ou11和u12分别为

17、6端和2端的输入电压。2、，1,cVccJcc当u11 3, u123 时，C1输出为低电平，C2输出为局电平，基本RS触发器被置0,晶体管T导通，输出端u0为低电平。21八 Vcc-Vcc当u11 3, u12 3 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。2 V当 u11 3VCC1 VCC、一 u12 3 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2、，1、，一 V CC , 八 VCC为33的情况下，其功能如下表:输 入输出复位商P%u15输出土晶体管

18、T10XX0导通1%0导通13n£ 3 E1截止1一% '3 Ey-Urc )3 rr保持保持表3.1-1 : 555定时器功能表3.2CD4518引脚功能TOP VIEW叵叵巨叵臣叵叵叵 aaaaas Q1W m metvsCLOCK AENABLE Aw voo 日 RESETS 到040 回QJB 回Q2B 可Q恺 ENAQLL B T1CLOCK B图3.2-1 : CD4518弓 I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

19、控制端。1Q01Q3:计数器输出端。2Q02Q3: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17和915.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

20、作。将数片CD4518用行级联时，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乍用下产生正跳变的，具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USS。3.3 CD4011引脚图IB tY 2Y 2A 铝E 匚 匚C1413121110VSs Q7Vg4B4A4¥3Y3B3A图3.3-1芯片功能图图3.3-2引脚图管脚功

21、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iA式逻辑图功能表与非Y=A XB 的U1AABY门逆4O11BD_SV001011101110表3.3-1 :逻辑表达式VDD电源正VSS地VDD 电压围：一0.5V to 18 V功耗：双列普通封装 700mW小型封装 500mW工作温度围： CD4011BM -55 C - +125 C CD4011BC -40 C - +85 C4 .数字逻辑，振荡器，计数器和显示电路图4.1 数字逻辑模块R1 1kDC1470

22、nF4011 肛 5VU2C H 4011BD 5VKey - DJ12Bx>4011BD_5VR9VA 10kQ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；如果此刻按下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

23、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持续时间。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：T t1 t2 0.7 R1 R2 c 0.7R2C 0.7(R1 2R2)C改变R1、R2和C的值，就可以改变振荡器的频率。如果利用外接电路改变CO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To在实际应用中，常常需

24、要调节t1和t2。在此，引进占空比的概念。输出脉冲 的占空比为:tiRi R2qt1 t2R1 2R2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。其电路简单并且频率稳定，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，止匕时V0为低电平，电容C3通过R和T放电，使vc下降。当vc下降到小于1/3Vcc时，触发器被置位，V。翻转为高电平。电容器C3放电结束,所需的时间为tPL -0

25、7月/0-l/37rr当C3放电结束时，T截止，Vcc将通过R、R2向电容器C3充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时为：/ -1/空儿二（寸&）。=宣二困+ &）超他咽+娇当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1 如 1.43£阳+如因+ 282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5V U10AESI 蛎AIB IC ID4518BD 5Vv

26、cfevR810kQM4rmi1489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申行级联时，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U10B451SBD_5VVCCli'lEll?!U4DCD HEXVC=R6>10kOIL K21t-图4.4-1 :显示器电路该数

27、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95 .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：>R1 C1Ikn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，并且计时时间为99个脉冲信号。要求555定时器产生100Hz的 多谐波信号。对于电路的控制方面还要求电路具有计时时间到后自动停止和开关

28、 按下后重新开始从0计时。5.2.1 555定时器原理针对要求，首先我设计了一个由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。止匕时 C通过R2和T放电，放电回路为 CR2T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设计要1

29、00Hz,通过公式已在本报告 4.2小节算出振荡频率，并且符合 设计要求。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

30、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：数字式定时器的设计，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下运行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创造出真正属于自 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 锻炼和培养了自己利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