电气制图及CAD实验报告苏伟杰101045.docx
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电气制图及CAD实验报告苏伟杰101045
电气制图及CAD结课论文
数字秒表—电子计数器
姓名：
苏伟杰
学号：
1010200145
学院：
自动化学院
专业：
自动化
指导老师：
吴益飞
目录
一、摘要…………………………………………………………………………………………2
二、实验所用元器件及功能介绍………………………………………………………………3
2.1、元器件清单………………………………………………………………………………3
2.2、主要芯片引脚图及功能表………………………………………………………………3
2.2.1、CD4511译码器……………………………………………………………………3
2.2.2、CD4518计数器……………………………………………………………………4
2.2.3、CD4040分频器……………………………………………………………………5
2.2.4、NE555定时器………………………………………………………………………5
2.2.5、74LS74D触发器…………………………………………………………………6
2.2.6、74LS00双四与非门………………………………………………………………6
2.2.7、74LS20四入双与非门……………………………………………………………7
2.2.8、74LS21四入双与门………………………………………………………………7
三、电路设计分析与结果………………………………………………………………………8
3.1数字秒表原理图……………………………………………………………………………8
3.2数字秒表PCB板布线图……………………………………………………………………8
3.3数字秒表PCB板3D图………………………………………………………………………8
3.4电子计时器设计原理………………………………………………………………………9
3.4.1、各部分电路解析……………………………………………………………………9
3.4.1.1、脉冲发生电路………………………………………………………………9
3.4.1.2、计时电路……………………………………………………………………9
3.4.1.3、译码显示电路………………………………………………………………10
3.4.1.4、报时电路……………………………………………………………………11
3.4.1.5、控制电路……………………………………………………………………11
3.4.1.5.1、校分电路……………………………………………………………11
3.4.1.5.2、清零电路……………………………………………………………12
3.4.2、整体电路及PCB板…………………………………………………………………12
3.4.2.1、电子计时器multisim模拟仿真电路……………………………………12
3.4.2.2、电子计时器Protel原理图………………………………………………13
3.4.2.3、电子计时器PCB板布线图…………………………………………………14
3.4.2.4、电子计时器PCB板3D图…………………………………………………15
4、实验感想与总结……………………………………………………………………………16
4.1、实验感想……………………………………………………………………………………16
4.2、实验总结……………………………………………………………………………………16
五、参考文献……………………………………………………………………………………16
1、摘要
本文给出了两个电路的设计，数字秒表与电子计时器。
由于实验时间限制，笔者在实验室选择了较为简单的数字秒表实验，并完成了数字秒表的原理图绘制与PCB板制作。
后期在数字秒表的基础上，加上部分元器件完成了功能更加复杂的电子计数器的原理图绘制与PCB板的制作。
由于两个电路的工作原理相似，电子计数器包涵了数字秒表的功能，本文在给出数字秒表的原理图与PCB板之后，着重从电子计数器进行详细介绍。
包括电子计数器原理图的multisim软件仿真，电路各个模块功能的分析，主要芯片的功能介绍以及内部封装和引脚分布，之后利用protel软件绘制出电子计数器的原理图与PCB板。
数字秒表只能完成00到59秒的计时功能，而电子计数器则可以完成从00:
00到59:
59的计时功能，并在控制电路的作用下实现快速校分，清零，自动报时等功能。
关键字：
数字秒表电子计时器multisimprotel清零校分整点报时
二.实验所用元器件及功能介绍
2.1元器件清单
型号
数量
封装
NE555
1片
DIP8
CD4040
1片
DIP16
CD4518
2片
DIP16
CD4511
2片
DIP16
74LS00
3片
DIP14
74LS20
1片
DIP14
74LS21
3片
DIP14
74LS74
1片
DIP14
电容0.047uf
1个
0805
电阻150
4个
0805
电阻1k
1个
0805
电阻3k
1个
0805
单字屏共阴极数码管
4块
DIP8
蜂鸣器
1个
BUZZER
开关
2个
SWITCH
电源插槽
1个
INSERT
2.2、主要芯片引脚图及功能表
2.2.1、CD4511译码器
图2.2.1CD4511译码器引脚图
表2.2.1CD4511译码器功能表
输入
输出
LT
BI
LE
D4
D3
D2
D1
g
f
e
d
c
b
a
字符
测灯
0
×
×
×
×
×
×
1
1
1
1
1
1
1
8
灭零
1
0
×
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
锁存
1
1
1
×
×
×
×
显示LE=0→1时数据
译码
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
2
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
3
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
4
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
5
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
6
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
7
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
9
2.2.2、CD4518计数器
图2.2.2CD4518BCD码计数器引脚图
表2.2.2CD4518BCD码计数器功能表：
输入
输出
CR
CP
EN
Q3
Q2
Q1
Q0
清零
1
×
×
0
0
0
0
计数
0
↑
1
BCD码加法计数
保持
0
×
0
保持
计数
0
0
↓
BCD码加法计数
保持
0
1
×
保持
2.2.3、CD4040分频器
图2.2.3CD4040分频器引脚图
2.2.4、NE555定时器
图2.2.2NE555定时器引脚图
表2.2.2NE555定时器功能表
（引脚4）
Vi1（引脚6）
Vi2（引脚2）
VO（引脚3）
0
×
×
0
1
>2/3Vcc
>1/3Vcc
0
1
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
1
<2/3Vcc
>1/3Vcc
不变
2.2.5、74LS74D触发器
图2.2.574LS74D触发器引脚图
表2.2.574LS74D触发器功能表
输入
输出
CP
D
清零
×
0
1
×
0
1
置“1”
×
1
0
×
1
0
送“0”
↑
1
1
0
0
1
送“1”
↑
1
1
1
1
0
保持
0
1
1
×
保持
不允许
×
0
0
×
不确定
2.2.6、74LS00双四与非门
图2.2.674LS00双四与非门引脚图
2.2.7、74LS20四入双与非门
图2.2.774LS20四入双与非门引脚图
2.2.8、74LS21四入双与门
图2.2.874LS21四入双与门引脚图
3、电路设计分析与结果
3.1数字秒表原理图
3.2数字秒表PCB板布线图
3.3数字秒表PCB板3D图
3.4电子计时器设计原理
3.4.1、各部分电路解析
3.4.1.1、脉冲发生电路
脉冲发生电路即为电子计时器产生脉冲的电路，本文采用NE555振荡器和CD4040分频器产生实验所需要的脉冲信号频率其中：
f0=1.44/[（R1+2R2）C]=4.38kHzR1=1KΩ,R2=3KΩ,C=0,047uF。
12
CD4040的最大分频系数是2
，即Q12=f0/2
=1Hz（理论值为1.068579Hz，每小时慢231.04秒），从Q12可以输出1Hz，从Q11可以输出2Hz，从Q6可以输出500Hz，从Q7可以输出1kHz。
Multisim仿真电路如图1：
图1
3.4.1..2、计时电路
本文采用二—十进制加法计数器CD4518来实现来实现计时电路。
CD4518时一种常用的8421BCD码加法计数器。
每一片CD4518集成电路中集成了两个相互独立的计数器，正好作为计时器的分位（00—59）与秒位（00-59）的计数。
当清零端输入1，EN端为1且CP端输入时钟信号。
其输出端Q3Q2Q1Q0输出从0000到1001（即十进制中的0到9）的循环。
所以当使用其作为分和秒的个位进行计数时不需对其进行反馈清零，而用其进行分和秒的十位计数时，需要在Q3Q2Q1Q0输出0110时（即十进制中的6），对其进行清零（因为CD4518是异步清零）。
Multisim仿真电路如图2：
（由于截图限制，只截下了部分电路，下同）
图2
3.4.1.3、译码显示电路
本文选用CD4511数码管驱动芯片，将计数电路产生的即使信号转化为数码管的显示信号。
此处数码管选用共阴双字显示器，来自计数电路的信号通过译码器CD4511，为了避免电路中的电流过大而烧坏电路，本实验中在数码管的每一个显示输入端加上了限流电阻（约330欧姆）。
Multisim仿真电路如图3：
（同上，只截下分位电路）
图3
3.4.1.4、报时电路
记蜂鸣器的符号为W，根据报时要求实现三低一高整点报时（59分53秒、59分55秒、59分57秒低声报时，59分59秒高声报时）。
得到报时电路的表达式如下：
W=59′53″*f3+59′55″*f3+59′57″*f3+59′59″*f4
=59′53″（2″*f3+4″*f3+6″*f3+8″*f4）
本模块中采用74LS00、74LS20、74LS21、蜂鸣器的组合产生了需要的电路。
Multisim仿真电路如图4：
图4
3.4.1.5、控制电路
3.4.1.5.1、校分电路
为了快速对计时器进行调时，并且检测的电路报时功能。
在该电子计时器中设计了快速较分电路。
校分电路要实现的功能为：
当开关打到“0”时，计数器能够正常计数；当开关打到“1”时，分计数器输入2Hz的脉冲实现快速的计数，调整分位的显示，而秒位则保持不变。
考虑到事件情况中容易出现抖动的现象，电路中引入了D触发器，由于D触发器的输出端只在时钟的上升沿变化，而其他时刻保持上一次的电平，很好的实现了防抖动的功能。
相对应的在清零电路中也可以采用同样的方式解决抖动的问题。
图5
3.4.1.5.2、清零电路
考虑到电子计数器功能的完整性，应该具备在任意时刻将计时器复位的功能，因此设计了清零电路，来实现这一功能。
因为前面74LS74还有一端没有用着，正好可以利用剩余的部分接到开关上来实现同步清零。
（实际连接中发现，此处可以不设置防抖动电路）（此处由于截图不变略去，见总图6）
3.4.2、整体电路及PCB板
3.4.2.1、电子计时器multisim模拟仿真电路
由于软件的原因部分元器件的符号与实际芯片有所差异，对部分进行了等效替代，但是实现了相同的功能，因此验证了实验电路的正确性。
原理图见图6：
图6
3.4.2.2、电子计时器Protel原理图
图7
3.4.2.3、电子计时器PCB板布线图
图8
3.4.2.4、电子计时器PCB板3D图
图9
四、实验感想与总结
课程的时间从头到尾只有一个星期的时间，由于对软件本身的不熟悉，实验的过程中遇到了了不少的困难。
最显著的问题是由于系统与软件的兼容问题导致制图过程中经常会出现一些意想不到的问题，比如显示网络断开等情况，感谢老师从旁的细心指导才能使我完成了第一部分数字秒表的制作。
虽然时间有点仓促加上经验的不足，在第一部分电路的制作中花费了大量的经历，但是也使我积累了不少的制图技巧，这也为我后来制作电子计数器奠定了实践基础。
在制作电子计数器的过程中，很幸运正好开始了电工电子实验课程，给了我一个实际操作的机会，验证了电路设计的正确性。
同时意识到译码器与数码管之间应增加限流电阻，才能防止数码管烧坏。
完成了multisim仿真与实际的搭线实验之后，我详细的学习了用Protel绘制电路原理图和制作PCB板的详细过程，做好充足准备之后我开始了对数字秒表电路的改进开始绘制电子计时器。
绘图的过程中遇到了一个不小的麻烦，由于元器件数量比数字秒表明显增加，使得导入PCB之后令人眼花缭乱，无从下手。
为了兼顾布局的美观与线路的清晰简洁。
我决定按照原理图的布局进行PCB板布局，再通过细微部分的调节尽量缩小板子的尺寸。
板子尺寸的缩小给后期的布线增加了工作量，经过反反复复很多次的尝试之后，我选择了自动布线。
但是效果并不理想，因此我又在这基础上，对部分线路进行了调整，得到了一个较为理想的线路图。
完成整体布局与布线之后，我由在PCB板上增加了“泪滴”效果，对焊盘附近的线路进行了加粗。
为了方式电流过大烧坏电路，之后又将电源与地线进行了加粗。
通过本课程的课堂教学和实验操作，我学会了Protel的一些基本操作方法但要熟练掌握这款软件，我知道自己很有很多的不足，还需要更多的实践训练。
最后，感谢所有给我提供帮助的老师与同学。
五、参考文献
【1】江思敏、姚鹏翼、胡荣等编著.《Protel电路设计教程》[M]，北京：
清华大学出版社，2002.9
【2】蒋立平主编.《数字逻辑电路与系统设计》[M]，北京：
电子工业出版社，2008.7
【3】王建新、姜萍编著.《电子线路实践教程》[M],北京：
科学出版社，2003.9
【4】陈洁编著.《EDA软件仿真计数快速入门》[M],北京：
中国电力出版社，200910
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