计数器

一．设计课题：

单步/连续可逆不循环一位十进制计数器

二．课程设计目的：

（1）巩固所学的相关理论知识；

（2）实践所掌握的电子制作技能；

（3）完成一个实际的电子产品；进一步提高分析问题、解决问题的能力。

三．设计要求

1.单步/连续可逆不循环一位十进制计数器，由一个加/减控制开关切换加法与减法计数方式，由一个按键控制单步/连续计数方式。

2.当一个人以正常节奏按动按键时，计数器以单步方式计数，当按住按键时间持续超过2S时，计数器自动进入连续计数方式，松开按键停止计数；计数器自动计数的速率应以人能够分辨出显示数字为限。

四．设计方案

设计方案框图如图3—1所示：

图3-1 设计方案框图

各部分功能实现：

1.单步/连续控制按键：短按时，选择单步计数方式；长按时，选择连续计数方式。

2.单脉冲发生器部分：由CD4013和相应的电阻、电容构成单稳态电路，产生单次脉冲。

3.连续时钟发生器部分：由555和相应的电阻、电容构成多谐振荡电路，产生连续计数脉冲。

4.可逆不循环一位BCD 码计数器：由CD4510进行计数，与非门和或非门控制CD4510的 Cin 端，使加法计数到9自动停止，减法计数到0自动停止。

5.译码器：由CD4511实现译码功能。

6.显示：用一个七段数码管显示一位十进制。

7.加/减开关：用一个单刀双掷开关控制CD4510的D /U 端，切换加减功能。

五．电路原理和参数计算

由上述的设计方案得到以下的电路原理图3-2和图3-5：

通过得出的原理图进行详细的分析并对各参数进行运算，得到相应的标称值。

图3-3 单次脉冲产生电路的电压波形图

通过观察原理图3-2和波形图3-3，得到定时时间1d T 的公式：

454544445169.02)])(/())0()([(C R In C R V V V V In C R T TH c c c d ≈=-∞-∞= (3-1) 这里取1d T =0.1S ，4C =10uF ，从而由式(3-1)计算出R 5约为14.493K Ω,取标称值15K Ω 。由555定时器构成多谐振荡电路，产生连续计数脉冲。电容C1上的电压1C V 将在()CC T V V 3/2+和

()CC T V V 3/1-之间往复振荡，1C V 和555定时器的输出端3脚电压0V 波形如图3-4所示：

图3-4 连续脉冲产生电路的电压波形图

由原理图3-2和波形图3-4可以得到振荡周期的计算公式：

()()()[]()()121121121169.02/C R R In C R R V V V V In C R R T T CC T CC +≈+=--+=+- (3-2)

()[]121212269.02)/(C R In C R V V V V In C R T T CC T CC ≈=--=+- (3-3) ()()12112121269.022C R R In C R R T T T +≈+=+= (3-4)

振荡周期T 的选择应以人能分辨出数码管显示数字为限，这里取T=0.3S ，1C =10uF ，由于555构成了多谐振荡电路，则1R 与2R 相等，从而由式（3-4）计算得出1R =2R ≈14.493K Ω，取标称值15K Ω。

由3R 、4R 、3C 、1D 、A U 1和B U 1构成单步/连续计数自动转换电路。2S 未按下时，与非门A

U 1的一个输入端经4R 和3R 接地为低电平，关闭与非门A U 1，使连续计数时钟不能通过A U 1，同时A U 1输出高电平打开与非门B U 1，使单步计数脉冲通过B U 1。如果2S 按下时间较短，与非门A U 1不打开，2S 按下时间足够长，电容3C 开始充电，当3C 上电压超过阈值电压TH V ，则A U 1打开，单稳态电路进入稳态，1=Q 使B U 1打开，连续计数脉冲输出。其中电容3C 充电至3C 上的电压3C V 到达阈值电压TH V ，所需的时间2d T 的计算公式为：

()()()()()[]

343434269.02/0333C R In C R V V V V In C R T TH C C C d ≈=-∞-∞= (3-5)

这里规定2d T 应该大于一般人连续两次按下按键的时间间隔。本电路取2d T =2S ，从而由式(3-5)计算出4R 约为96.618K Ω，取标称值100K Ω。

本实验中使用的与非门和D 触发器都选择了CMOS 元件，减小了输入端等效电阻对各计算

数器，六个与非门与四个或非门构成了不循环控制电路。由开关1S 来选择计数器的“加”、“减”，当开关接高电平时为加，当开关接低电平时为减。为防止电压过高，开关1S 接上拉电阻6R 到+5V ，

6R 阻值定为10K 。

表3-1 CD4510逻辑功能表

C IN

D /U

P E R 工作状态 1 × 0 0 停止计数 0 1 0 0 加法计数 0 0 0 0 减法计数 × × 1 0 预置数 ×

×

×

1

复位

表3-1为CD4510的逻辑功能表，通过上表可以得到加减不循环控制的原理。当0Q ~3Q 输出为“9”，D U /接高电平时，通过与非门和或非门的控制，IN C 反馈为高电平，此时停止加法计数。同理，当0Q ~3Q 输出为“0”，D U /接低电平时，IN C 反馈为高电平，此时停止减法计数。为防止CD4511输出的电流过大，在七段数码管的每个输入管脚上都接了一个小电阻作为保护，取值为300Ω。

五．Protel99的PCB 图

图3-6 PCB 布线图