0 前情提要

这是徐州工程学院2021年的电子工艺实习课程作业之一，我是20级计嵌专业的学生。电路方面的东西并不是我们的主修课程，所以在完成这项作业的过程中遇到了许多困难（特别是在查不到样板的情况下 ）。网上也找到过一位仁兄的案例，不过并没有详细的电路运行原理和操作步骤。所以我想将我遇到的问题与解决之道分享出来，以帮助需要的人。
（如果你是想要深入、严谨地理解这项电路设计，可能我没法讲的非常清楚，但也希望能给你带来一点帮助。）
在仿真和实践中遇到的问题和解决方法都在最后的补充中，以下是报告主体。
另：总电路图下黄色部分为电路主要原理

1 设计任务及系统功能简介

1.1 设计任务及基本功能

• 本系统主要由脉冲定时模块、计数模块、进制切换模块、数显模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。能在30秒计时和60秒计时间进行切换，并按下清零按钮后，七段数码管又将会从0开始，直到30或60秒计时完成。

1.1.1 脉冲定时模块

• 使用NE555构成单稳态触发器，NE555是一个时基电路，它具有电源电压范围宽,兼容性，带负载能力强的特点，因此被广泛应用。而单稳态触发器是广泛应用于脉冲整形、定时和延时的常用电路。因此，采用NE555构建单稳态触发器。

1.1.2 计数模块

• 计数模块采用CD4518。CD4518是由两个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。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,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，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。

1.1.3 进制切换模块

• 在进行进制的切换设计时，采用了CD4011即几个与非门，当计数达到了所需计数值时，按相对应的BCD码产生对应的反馈信号，进入计数器的复位端，达到清零的目的。

1.1.4 数显模块

• 采用CD4511作为驱动译码器，二进制数通过在七段数码管上显示出来。当选择在不同的线路，则会通过CD4011来实现。

1.2 系统功能

1.2.1 主要实现的基本功能

(1)计数器采用同步加法计数器CD4518进行计数。
(2)CD4518是十进制加法计数器，内含2个相同的计数器，每个单元各有一个时钟输入端。
(3)RESET为计数器清零端，计数脉冲由NE555发出，计时器每收到一个脉冲则加一，开关S1用于控制30S或60S显示。

2 实现的原理和电路

2.1 30-60秒计数器总体方框图

• 由NE555构成的信号输入端发出定时脉冲，进入由两个CD4518级联而成的计数器部分，计数器每收到一次脉冲则加一，当达到计数要求时与非门CD4011反馈信号使CD4518停止计数，或是按下清零按钮达到清零目的。

2.2 主要芯片及其功能

2.2.1 NE555

• 555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。本电路采用555定时器构成的多谐振荡器产生脉冲信号。

555定时器可工作在三种工作模式下：

• 单稳态模式：在此模式下，555功能为单次触发。应用范围包括定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等。
• 无稳态模式：在此模式下，555以振荡器的方式工作。这一工作模式下的555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成温度传感器，其输出信号的频率由温度决定。
• 双稳态模式（或称施密特触发器模式）：在DIS引脚空置且不外接电容的情况下，555的工作方式类似于一个RS触发器，可用于构成锁存开关。
  555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成。

2.2.2 CD4518

• CD4518是二、十进制（8421编码）同步加计数器，内含两个单元的加计数器，如图2-4，每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。由表可知，若用ENABLE信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”；若用CLOCK信号上升沿触发，触发信号由CLOCK端输入，ENABLE端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各端输出端Q1～Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CD4518才开始计数。具体功能如表2-5所示。

2.2.3 CD4011

• 如图2-6所示，CD4011内部为4组与非门，供电为14正，7负，123脚是一组与非，12脚同时高电平，3脚为低电平，12脚别的状态3脚都是高电平，另外三组在电路中为反相器，也就是11脚和3脚是相反的，3高11低，3低11高，1脚外接光控，2脚为触发延时。具体功能如表2-7所示。

2.2.4 CD4511

CD4511是一片CMOS BCD—锁存7段译码驱动器，用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码-七段码译码器。具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动共阴LED数码管。其中ABCD 为 BCD 码输入，A为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， BI端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。A~G是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。

2.3 总电路图与仿真实验

2.3.1 总电路图

Multisim是Interactive 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。整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的。本实验用到了NE555,4518BD,4011BD，4511BD等芯片， LED灯，七位共阴极数码管等元器件。Multisim仿真总电路图如图2-9所示。本实验用到的仿真软件版本为NI Multisim14.0。

• 由NE555组成的多谐振荡器发出定时脉冲到U3B的CP端，此时U3B的EN端接S1，通过U5A和U5B与U3A的输出端相连，U3A的输出D端接U3A的EN端,U3A的CP端接地。由CD4518的特性表可知，当CP端接地或接低电平时，EN端收到下降沿的脉冲信号可实现计数的功能，当U3B计数从1001返回到0000时，正好在输出D端输出一个下降沿信号，实现进位的功能，以此实现两片CD4518的级联。U5A接U3A的输出A和B端，U5B接U3A的输出B和C端，前者在计数到3之前通过U5A输入到U3B的EN端的信号都为1，当计数到3时信号变为0；后者则是计数到6时。根据CD4518的特性表可知，当EN端输入为高电平时，CP端接收上升沿信号实现计数，而当EN端接低电平时，则CD4518保持状态，以此实现电路的30s和60s模式，并使其能在到达规定时间时保持状态停止计数。
• 两片CD4518的MR端为清零端通过按钮S2接VCC，实现按下S2异步清零的功能。译码驱动器U1和U2接计数器和数显模块，将信号传输给共阴极数码管，实现数显，数码管CK端接地。具体接线如图2-9所示。

2.3.2 仿真调试

• 图2-10为运行4秒后的状态，此时U3B的EN端输入信号为1，CD4518的CP端正常工作，每接收一次上升沿脉冲，计数就加一。
  
• 图2-11为计数到30s时的状态，此时S1拨到上方表示30s模式，即U3A的A和B端接与非门，到30时，U3B的EN端信号为0，实现保持功能，数码管上的数字停留在30保持不变。
  
• 图2-12为电路的清零功能，按下S3后，两片CD4518的MR端均为高电平，使计数器异步清零，数码管显示的数字变为00。

• 图2-13为计数到60s时的状态，此时S1拨到下方表示60s模式，即U3A的B和C端接与非门，到60时，U3B的EN端信号为0，实现保持功能，数码管上的数字停留在60保持不变。

3 电路的焊接制作与调试

3.1 电路的焊接

3.1.1 元器件清单

• 此计时器的设计采用模块化结构,主要由以下4个部分组:秒信号产生模块、计时模块、控制模块以及译码显示模块。主要元器件有电阻、电容、轻触开关、LED数码管、7段数码管、CD4511、CD4518、CD4011、NE555、接线端子和电路板等，具体详见表3-1。

3.1.2 焊接注意事项

在线路板上进行合理有序的器件布局，注意上面对应的每个元件焊接的位置和方向，具体焊接注意事项：
（1）用万用表确定每个电阻的阻值；
（2）LED灯和电解电容，长条对应正极，短条对应负极；
（3）7段数码管的摆放正确。

3.2 电路的调试

1. 在为电路通电前，检查焊接后的元件位置与方向是否正确，观察电路板背面是否存在虚焊和短路的问题。

2. 使用四节电池为电路供电，观察7段数码管显示的数字。电路从00开始0计时。调整短路帽位置使处于30s计时模式，数码管应显示到数字30后停止变化。

3. 按下S2,计数器复位，数码显示管回到00。调整短路帽位置使处于60s计时模式, 数码管应显示到数字60后停止变化。

4. 电路调试运行基本成功。

3.3 焊接成品

4 设计总结

• 在本次设计中，我们原先设计的电路结构过于复杂，为后来的软件仿真连线带来了许多的困难，之后采用集成芯片简化电路后，情况得到极大改善。通过本次设计，使我们的思维更加开阔，也明白了电路设计为何要力求简洁的原因。也明白了相同逻辑的电路可以有多种不同的电路设计。
• 电路初步完成后，部分地方的思考不够缜密导致电路还不够完善，在运行过程中出现了一些问题，如：二极管不亮。后来经过仔细检测和校正，发现二极管电流未达到工作电流，以及仿真时长过小，于是对电路进一步完善并使之能够正常工作。在其中遇到一些凭一己之力难以解决的问题时，我们都认真分析讨论，通过大家的力量解决问题。
• 在仿真功能实现后，就开始进行焊接制作与处理。焊接时，由于对焊接不熟悉，易发生虚焊及堆焊等情况。所以应先将电烙铁加热，大约两秒后，接焊锡丝，左手持锡丝，右手持电烙铁，将烙铁头的斜面靠在原件引脚上，用锡丝抵在另一端，同时观察锡丝的多少，不能太多，造成堆焊；也不能太少，造成虚焊。同时，应注意电容，二极管，蜂鸣器等的正负极，若焊反，则易导致短路，不能实现其实际功能。由于所给电阻未标明具体阻值，所以可以使用万用表测其阻值，再焊入电板。
• 通过此次电路设计，我加深了对课本知识的认识和理解，对课本中学习过的一些芯片的用法和原理、电路原理以及电路设计方法也有了更深一步的认识。随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用。

参考文献

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[7]李垦,曹兆楼.基于Multisim仿真的电路定理实验教学设计[J].科技风,2020(36):113-114.
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[9]常炳双.数电设计秒脉冲电路的选取[J].现代农村科技,2015(22):67.

（补充）

我们当时是根据老师给的套件里的原理图画的仿真图，用的仿真软件是NI Multisim14.0。（软件可以在微信公众号：软件管家里弄到中文版白嫖 ）

A 仿真电路设计难点

1. 在Multisim中元件的名称和图形与原理图存在区别。以NE555为例，在Multisim中你可以自己配置定时器电路，也可以用软件提供的模板，但在软件中并没有NE555这一元件。 Multisim中，在“Mixed（混合）”元件库—“Timer”库里。LM555CN是定时器（Timer），可构成方波振荡器、单稳态触发器和施密特触发器。（其他元件也比较难找，可以参考上面报告中的仿真图）

2. 数码管显示异常。实际上原理图和仿真图中最大的区别就是译码器和数码管之间的一排330Ω电阻。一开始因为我就是仿照原理图绘制的仿真图，但是运行起来发现数码管只有1和7能正常显示，其他数字都无法显示。百度上说是因为数码管电压过大了，所以显示会异常。之后加上电阻显示就正常了。不过套件里是不存在这个电阻的。（也就是说其实只要用到了所要求的元件，细节上是允许存在一些不同的。毕竟让每个人都弄定制的电路板不太现实 ）

B 焊接

1. 色环电阻该电路套件中有四种色环电阻，它们都比较小且颜色相近。所以我简单标记了一下，方便辨认。

2. 焊接上我建议没用过电烙铁的兄弟先看看教学视频（B站啥的上面都有），然后拿到电烙铁再找个东西试试手（冒然动手容易废电路板 ）。焊之前记得给烙铁头沾点锡，不然不好焊，而且焊点还丑。