课程设计总

引言

从18世纪法拉第发现了电磁现象以来，人类社会便进入了电子时代。经过不断发展，电子产品越来越多的呈现在我们眼前。由于电能的清洁高效、易于转变成其它形式的能源的特点，电子技术越来越被人们重视。

迈入21世纪，网络与通信技术、多媒体技术以及新型体系结构的计算机设计随时都在向系统级芯片的设计与制造提出新的挑战。现代电子产品的性能越来越高、复杂度越来越大、更新步伐越来越快。实现这种进步的主要原因就是微电子技术和电子设计技术的发展。于是人们的生活越来越离不开电子技术。人们由开始仅利用电子产品来进行发展生产到现阶段运用电子产品作为装饰品，走在街上四处可见：商店门前的闪光灯、过年过节热门家门上的七彩灯等等。相信以后还会有更多的电子产品出现服务于人类，也会有更多的人喜欢电子技术。

而且现代的企业都强调动手能力，具备良好的实践动手能力才能不断迎接新的挑战。面对如此激烈的市场竞争以及如此高的就业压力，我们电子类的学生必须更好的掌握必备的专业技能，为以后的就业以及人生的发展打下良好的基础。在我们生活的大千世界上，人类已进入了科学技术空前发展的信息社会。在这个瞬息万变的信息社会里，随着大规模集成电路广泛应用，许多电子产品出现了新型产品。这就需要我们电子类的学生多多实践、多多创新，创造出新型电子产品。

曾经中央电视台有一个很让我着迷的节目，叫做《智力快车》，就是选手抢答问题，答对了增加相应的分数，相反，答错了就减去相应的分数，每个选手面前都有一个计分器来统计选手的分数。而今天我们所设计的就是竞赛用的计分器。通过一学期的模拟电路、数字电路的学习，运用所学知识，搭建我们所设计的电路。一来训练我们的动手能力，二来让我们更好的理解掌握所学的知识。

利用集成电路搭建基本单元电路，如直流稳压源。熟练掌握常见集成芯片的工作原理以及如何运用芯片设计电路。通过查找资料，团队合作，拿出可行方案，再经过仿真模拟，实物制作调试，完成电路设计。

第1章整体设计

1.1.基本原理

一、基本原理

该电路应有显示器、译码器、可以进行加分和减分的可逆计数器以及代表加分或减分的脉冲信号的产生和输入设备。按一下按钮可以产生一个加分或减分的计数脉冲，这个要求可以由单稳态触发器来实现。

用两个译码驱动集成电路CD4543和3位LED数码管组成3位分数显示电路。

用可预置数的可逆计数集成电路CD40192（双时钟）完成计数电路。

用集成单稳态触发器完成分数的加与减。

CD40192作加计数器时，CPD接高电平，时钟脉冲由CPU端输入，计数器在上升沿的作用下作增量计数。作减计数时，CPU端为高电平，时钟由CPD端输入，在上升沿的作用下作减量计数。预置数时，只要在预置数控制端PE和Cr端加一低电平或负脉冲，即可将接在D1~D4上的预置数传送到各计数单元的输出端Q1~Q4。然后,当PE端恢复成高电平时，计数器即可在预置数基础上作加1或减1计数。清零时，只要在Cr端加一高电平或正脉冲，各输出端Q1~Q4就全部为“0”电平。为了级联的需要，电路还设有“进位输出端”QCO和“借位输出端”QBO。当加计数达到最大值（1001）且加计数时钟输入低电平时，QCO输出一个负脉冲；当减计数达到零（0000）且减计数时钟输入低电平时，QBO输出一个负脉冲。

单稳态触发器CD4098的触发脉冲由“TR+”或“TR-”端输入，上升沿在TR+端触发，下降沿则在TR-端触发。Rt和Ct是外接的定时阻容元件，决定输出脉冲的宽度即暂态时间。用CD4098可以避免因机械开关的毛刺造成计数错误。

按S1时，Q1输出一个负脉冲，利用其上升沿完成加计数；按S2时，Q2输出一个负脉冲，利用其上升沿完成减计数。

采用共阴极的LED显示器，最后一个数码管仅有一种状态，即“0”，前两个数码管可显示“0”～“9”十种状态，故该计分器的最高计分可达990分.

二、电路原理图

根据工作原理，设计的电路原理图如附录A所示

1.2设计流程

图1.1

第2章实验常用元器件介绍

常用器件主要有电阻、电容、二极管、集成电路、光电器件、电源器件等，下面对这些器件进行必要的介绍：

2.1．电阻

导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。

1．电阻的阻值标法通常有色环法，数字法和数码法。如下图2.1、图2.2所示：

图2.1直插式色环电阻

2．电阻的分类

（1）.按阻值特性

固定电阻、可调电阻

不能调节的,我们称之为固定电阻,而可以调节的,我们称之为可调电阻.常见的例如收音机音量调节的,主要应用于电压分配的,我们称之为电位器。

（2）.按制造材料

碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻，捷比信电阻，薄膜电阻等.

插件电阻、贴片电阻

图2.2 色环的识别方法

图2.3 贴片电阻图2.4 可变电阻（3）.按安装方式

（4）.按功能分

负载电阻，采样电阻，分流电阻，保护电阻等

3．电阻的主要参数

（1）.标称阻值：标称在电阻器上的电阻值称为标称值.单位: Ω, kΩ，MΩ。标称值是根据国家制定的标准系列标注的,不是生产者任意标定的. 不是所有阻值的电阻器都存在.

（2）.允许误差：电阻器的实际阻值对于标称值的最大允许偏差范围称为允许误差.误差代码:F 、G 、J、K…（常见的误差范围是：0.01%，0.05%，0.1%，0.5%，0.25%，1%，2%,5% 等）

（3）.额定功率：指在规定的环境温度下,假设周围空气不流通,在长期连续工作而不损坏或基本不改变电阻器性能的情况下,电阻器上允许的消耗功率.常见的有1/16W 、1/8W 、1/4W 、1/2W 、1W 、2W 、5W 、10W。

2.2．电容

电容是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。电容从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质。电容的用途较广，是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。

主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。电容的符号是C。

C=Q/U

在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F,常用的电容单位有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)(皮法又称微微法)等，换算关系是：1法拉(F)= 1000毫法(mF)＝1000000微法(μF)

1微法(μF)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF)。

常用的电容按照材料可分为纸介电容器、有机薄膜电容器、瓷介电容器、玻璃釉电容器、云母电容器、电解电容器等。电解电容器包括铝电解电容器和钽电解电容。其中瓷介电容器和铝电解电容器应用最为普遍。

按容值特性又可分为固定值电容和可变电容。可变电容器包括空气可变电容器、固体介质可变电容器和微调电容器，但可变电容器应用较少。

几种常见电容具体实物如图2.4所示：

瓷介电容钽电解电容铝电解电容

图2.4 各种材料电容

根据电容的封装方式，还可分为直插式电容和贴片式电容，图2.5所示为几种常见的贴片式电容：

瓷介贴片电容钽贴片电解电容铝贴片电容

图2.5 贴片电容

2.3．晶体二极管

晶体二极管是由一个PN结、管壳、外引线等构成。普通晶体二极管图形符号如图2.6所示：

图2.6 二极管示意图

根据二极管的用途不同，二极管的类型有很多，下面给出常用二极管，如整流二极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、光电二极管和发光二极管。

整流二极管：将交流电整流为直流电的二极管。

检波二级管：用于把叠加在高频载波上的低频信号检出来的器件。

开关二极管：在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管。特点是反向回复时间短，能满足高频和超高频应用的需要。

稳压二极管：利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点，达到稳压的目的。

光电二极管：可把光照强弱转变成电信号。其中PN结硅光敏二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件。

PIN型光敏二极管：为了提高PN结硅光敏二极管的时间响应，常采用在P区与N 区之间生成I型层。

APD型雪崩光敏二极管：由于PIN管提高了PN结光敏二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度，为了提高光敏二级管的灵敏度，设计了雪崩光敏二极管。

以下为各种二极管的实物图：

整流二极管检波二极管开关二极管

稳压二极管发光二极管光电二极管

PIN光敏二极管APD雪崩光电二极管

图2.7 各种二极管实物图

2.4．集成电路

集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母“IC”表示。

图2.8集成电路芯片实物图

这种器件打破了电路的传统观念，实现了材料、元器件、电路的三位一体。与分立元器件组成的电路相比，具有功能强、体积小、质量小、耗电量小、可靠性高、成本低等等许多优点。集成电路的实物图如图2.8所示。

集成电路根据用途的不同可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路主要有运算器、集成稳压电路、自动控制集成电路、信号处理集成电路等。数字集成电路主要有TTL、CMOS集成电路。本次课程设计主要用到的集成电路有CD40192、CD4098、CD4543、CW7806.

第3章显示电路

3.1译码器

4CD4543芯片的引脚图和功能表

CD4543芯片是BCD七段锁存译码,驱动器，既可以驱动LED数码管也可以

用来驱动LCD显示器。特点：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LED显示器。下图3.1为CD4543芯片引

图3.1CD4543封装及引角图

脚图，从它得封装结构上看，该芯片有十六个引脚，其中9—15脚为七段数码管显示编码输出端口；2—5脚为BCD码输入端口。当CD4543用于驱动LCD显示器时，它的PHASE 端作为外部脉冲的输入端，当驱动共阳极（anode）的LED数码管时PHASE端应接逻辑高电平，当驱动共阴极(cathode)的LED数码管时PHASE端应接逻辑低电平。

以A B C D表示译码器的输入的BCD代码，以a、b、c、d、e、f、g表示输出的7位二进制代码，并规定用1表示数码管中线段的亮点状态，用0表示线段的熄灭状态。则根据显示字形的要求便得到真值表：

表3-1 CD4543B芯片真值表

结合真值表和卡诺图，采用“合并0然后求反”的化简方法将a~b化简，得到：

a DCBA DA C A

=++

()

=++

b DB CBA CBA

()

c DC CBA

=+

()

=++

d CBA CBA CBA

()

=+

e CB A

()

=++

f DCA CB BA

()

=+

g DCB CBA

()

CD4543内部还有一个锁存控制端LE。当LE=1时，数据被送到输出端；LE=0时数据被锁存。一个消隐控制端BI。当BI=1时，显示器消隐；BI=0时，正常显示。一个共阴共阳极控制端DFI。当DFI=1时可接共阳极LED数码管；DFI=0时接共阴极数码管。

3.2.数码管

一．数码管的显示模块的功能介绍：

Vss:接地端。

Vdd：电源正。

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A、B、C、D: BCD码输入端

a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端。

二．显示模块

常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED；;液晶显示器，简称LCD；阴极射线CRT显示器等。由于LED数码管显示器具有价格低廉，配置灵活，连接方便等优点，结合本例实际的需要我选用了两位共阴极的LED显示器作为显示器件。

三． LED 的工作原理

LED数码管由多个发光二极管显示字段组成，分为共阴极和共阳极两种类型，如图3.2

图3.2

所示。共阴极LED的发光二极管的阴极连接在一起，用来接电源的

负极，当某字段发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的字段被显示。同样，共阳极LED的发光二极管的阳极连接在一起，用来接电源的正极，当某字段发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的字段被显示[16-17]。

常用的LED数码管有a，b，c，d，e，f，g共7个字段，构成字形“8”，外加一个小数点DP共8个发光二极管。

半导体数码管不仅具有工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高等有点，而且响应时间短（一般不超过0.1us）,高度也不较高。它的缺点是工作电流比较大，每一段的工作电流在10mA左右。四．LED的显示方法的选择

LED显示器的显示方法有静态和动态两种。静态显示就显示器的每一个字段都要独占一条I/O线，当CPU将要显示的字段码送到输出口上，显示器就可以显示出所要的字符，如果CPU不去改写它，它将一直保持下去。静态显示的优点是显示程序简单，亮度高，时时性好，但也有缺点，主要是显示位数较多时占用I/O较多，硬件复杂成本高。

动态扫描显示是单片机应用系统中最常用的显示方法，这种方法线路简单，成本低。所谓动态扫描显示方法是把所有LED数码管的8个段的各同段名端连接在一起，并把它们接到字段的输出口上。为了防止各数码管同时显示相同的数字，各个显示器的公共端COM还接到另外一组控制信号，即把它们接到位输出口上。这样，对于一组LED数码管需要由两组信号来控制，一组是字段输出口输出的字形码，另一组是位输出口输出的控制信号，用来选择第几位数码管工作，称为位码。在这两组信号的控制下，可以一位一位的轮流点亮各个数码管显示各个数码，及实现动态的扫描显示。如果要显示一组数字，即利用循环扫描的方法，各位显示器依次从左到右轮流点亮一遍，通过时间再使之显示一遍，如此不断的重复。在轮流点亮一遍的过程中，每位显示器点亮的时间是极为短暂的。由于LED具有余辉特性以及人眼视觉的惰性，尽管每位显示器实际上是分时断续的显示，但只要适当选取扫描频率，给人的视觉印象就像是连续稳定地显示[13-17]。

从结构上来讲，静态显示的方法电路结构复杂，需要用到锁存芯片作为辅助器件；动态扫描的方法电路结构相对简单。显示方法的选择应该根据实际需要来选取。五．LED数码管的结构及原理

LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图3.2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面将介绍常用LED数码管内部引脚图片

图3.3

每一笔划都是对应一个字母表示 DP是小数点.

LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。1．静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O 埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位*器*进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O

埠来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O埠才32个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。

2、动态显示驱动：

数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。

3.3 驱动集成电路

根据设计要求，可以将CD4543的DFI、BI、Vss接地，A、B、C、D接到输入端，Vcc、LE均接到电源，由于CD4543的输出是以a、b、c、d、e、f、g表示输出的7位二进制代码，并规定用1表示数码管中线段的亮点状态，用0表示线段的熄灭状态，根据CD4543 的引脚图正确接到数码管的a,b,c,d,e,f,g的相应引脚，即可正确显示数字。如图3.4

图3.4

第4章计数电路

4.1 CD40192的工作原理

40192------十进制同步加/减计数器（有预置端，双时钟）

简要说明：

40192 为可预置BCD 可逆计数器，其内部主要由四位D 型触发器组成，与一

般计数器不同之处在于加计数器和减计数器分别由两个时钟输入端。

40192 具有复位CR、置数控制/LD、并行数据D0~D3、加计数时钟CPu、减

计数时钟CP D 等输入，当CR 为高电平时，计数器置零。当/LD 为低电平时，进行预置数操作，D0~D3 上的数据置入计数器中，计数操作由两个时钟输入控制。当CP D＝“1”时，在CPu 上跳变时计数器加1 计数；当CPu＝“1”时，在CP D 上跳变计数器减1 计数。

除四个Q 输出外，40192 还有一个进位输出/CO 和一个借位输出/BO，/CO 和

/BO 一般为高电平，只有在加计数模式，当计数器达到最大状态时，/CO 输出一个宽度为半个时钟周期的负脉冲，在减计数模式，当计数器全为零时，/BO 输出一个宽度为半个时钟周期的负脉冲。

引出端符号：

CR 清除端

CP D 减计数时钟输入端

CPu 加计数时钟输入端

D0~D3 并行数据输入端

Q0~Q3 计数器输出端

/BO 借位输出端

/CO 进位输出端

V DD 正电源

Vss 地

推荐工作条件：

电源电压范围…………3V～15V

输入电压范围…………0V～V DD

工作温度范围

M类…………－55℃～125℃

E 类………….－40℃～85℃

极限值：

电源电压…...－0.5V～18V

输入电压……－0.5V~V DD+0.5V

输入电流…………….±10mA

储存稳定…………－65℃～150℃

CC40192(74LS192)是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数

等功能，其引脚排列如图4.1所示。 图中LD -置数端，CP UP -加计数端，CP DOWN -减计数端，

CO-非同步进位输出端，BO-非同步借位输出端， Q 0、Q 1、Q 2、

Q 3-数据输出端D 0、D 1、D 2、D 3-计数器输入端，CLR-清除端

CC40192(74LS192)的功能表如表4-1，说明如下：

表4-1

图4.2

图4.3

4.2计数电路的设计

4.2.1加计数

CD40192作加计数器时，CPD接高电平，时钟脉冲由CPU端输入，计数器在上升沿的作用下作增量计数。预置数时，只要在预置数控制端PE和Cr端加一低电平或负脉冲，即可将接在D1~D4上的预置数传送到各计数单元的输出端Q1~Q4,输送给译码驱动集成电路CD4543的输入端ABCD。然后,当PE端恢复成高电平时，计数器即可在预置数基础上作加1。清零时，只要在Cr端加一高电平或正脉冲，各输出端Q1~Q4就全部为“0”电平。当加计数达到最大值（1001）且加计数时钟输入低电平时，“进位输出端”QCO 输出一个负脉冲；按S1时，Q1输入一个负脉冲，利用其上升沿完成加计数。

4.2.2减计数

CD40192作减计数器时，CPU端为高电平，时钟由CPD端输入，在上升沿的作用下作减量计数。预置数时，只要在预置数控制端PE和Cr端加一低电平或负脉冲，即可将接在D1~D4上的预置数传送到各计数单元的输出端Q1~Q4，输送给译码驱动集成电路CD4543的输入端ABCD。然后,当PE端恢复成高电平时，计数器即可在预置数基础上作

减1计数。清零时，只要在Cr端加一高电平或正脉冲，各输出端Q1~Q4就全部为“0”电平。当减计数达到零（0000）且减计数时钟输入低电平时，“借位输出端”QBO输出一个负脉冲。按S2时，Q2输入一个负脉冲，利用其上升沿完成加计数

第5章触发源

5.1双单稳态触发器CD4098

1.CD4098简要介绍

CD4098的触发脉冲由“TR+”或“TR-”端输入，上升沿在TR+端触发，下降沿则在TR-端触发。Rt和Ct 是外接的定时阻容元件，决定输出脉冲的宽度即暂态时间。用CD4098可以避免因机械开关的毛刺造成计数错误。

5.2 CD4098的引脚图及其逻辑图

图5.1 CD4098的引脚图

引出端功能符号：

Cext 外接电容端

Q 单稳脉冲输出端

Q’反相单稳脉冲输出端

Rd 复位端

Rext/Cext 外接电阻/电容端

TR+ 正脉冲触发输入端

TR- 负脉冲触发输入端

图5.2 CD4098芯片的逻辑图

2. CD4098的功能体现

图5.3 CD4098的功能表

当将D R端接到低电平，即有效电平时，触发器的输出即被置成低电平；在D R接无

效电平时，若从TR+输入脉冲触发信号，TR-接到高电平，触发器输出矩形脉冲；若从TR+输入脉冲触发信号，TR-接到低电平，触发器输出是原来状态的反状态; 若从TR-输入脉冲触发信号，TR+接到高电平，触发器输出是原来状态的反状态; 若从TR-输入脉冲触发信号，TR+接到低电平，触发器输出矩形脉冲。

5.2 触发电路的设计

单稳态触发器是广泛应用于脉冲整形、延时和定时的常用电路。单稳态触发器只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是0 ，要么是 1 。单稳

态触发器的工作特点是：

①在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；

②在受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“ 暂稳态”。假设稳态为0 ，则暂稳态为1 。

在电路中，由连接双单稳态触发器CD4098的电路知：按S1时，Q1输出一负脉冲，利用其上升沿完成加数器；按S2时，Q2输出一个负脉冲，利用其上升沿完成减数器。

图5.4 触发源电路部分