数字显示继电器设计报告,(2)

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数字显示继电器设计报告 (2) 本文简介：编号课题名称数显时间继电器2008年3月目录第一章概述…………………………………………………(3)第一节设计目的与技术要求………………………………(3)第二节框图与电路介绍……………………………………(3)第三节集成电路元件块介绍………………………………(4)第二章单元电路介绍……………………………

数字显示继电器设计报告 (2) 本文内容：

编号

课题名称

数显时间继电器

2008

年3月

目

录

第一章

概述…………………………………………………(

3

)

第一节

设计目的与技术要求………………………………(

3

)

第二节

框图与电路介绍……………………………………(

3

)

第三节

集成电路元件块介绍………………………………(

4

)

第二章

单元电路介绍………………………………………(

11

)

第一节

电源部分……………………………………………(

11

)

第二节

脉冲发生部分………………………………………(

12

)

第三节

时间设定部分………………………………………(

13

)

第四节

计数、译码、显示部分……………………………(

14

)

第五节

放大输出部分………………………………………(

14

)

第三章

整机电路……………………………………………(

16

)

第一节

电路原理图…………………………………………(

16

)

第二节

元件清单……………………………………………(

17

)

第三节

电路的改进…………………………………………(

18

)

第四节

总结…………………………………………………(

18

)

第五节

参考文献……………………………………………(

18

)

第一章

概述

第一节

设计目的与技术要求

一：设计目的

学会秒脉冲形成电路和数字电路的设计方法：掌握CD4518,CD4553,CD4511等常用数字电路和BCD拨码开关；可控硅的应用；了解数字显示电路的扩展应用，了解产品设计的基本思路和方法。

二：技术要求

1、

电源电压AC220V；

2、

重复定时精度要求误差小于等于0.5%，恢复时间小于等于

0.1%；

3、

定时范围0—99秒；

4、

显示部分无闪烁，稳定，清晰；

5、

输出具有两常开，两常闭，到达定时值后常开触点闭合，

常闭触点断开，输出驱动能力达AC220V/2A；

6、

电路结构简单、体积小、成本低稳定性好，可商业化生产。

第二节

框图与电路介绍

一：电路框图

二：电路介绍

根据上面的电路框图我们可以看出，本电路分为电源放大控制部分，脉冲发生部分，时间设定部分和计数部分，译码显示部分这五大块分组成。这个电路图以CD4060为核心组成一

分频的脉冲发生器，脉冲一共分为两路，一路送往CD4553（三位BCD码分时并行输出计数器），将BCD码送到CD4511（4线-七段锁存译码器/驱动去）驱动三位动态共阴数码管SM420563。还有一路是送往CD4518（双十进制同步计数器），共用两片CD4518组成一个三位数的BCD码静态计数器，计数当前数值与三位BCD码数码开关设定值相等同时，就会取出一个栓锁信号给CD4553（三位BCD码分时并行输出计数器）锁定，这时放大电路工作驱动继电器，常开触点吸合，常闭触点断开。以上所说的就是此电路工作过程。

第三节

集成电路元件块介绍

一：CD4511（4线—七段锁存译码器/驱动器）芯片的简介

1、CD4511的引脚及功能介绍

(1)、CD4511的引脚

CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。其引脚图如3-2所示。

各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示

a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。

(2)、功能介绍

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。

LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0

时，译码输出全为1，不管输入

DCBA

状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

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。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。

2、CD4511的工作原理

(1)、CD4511的工作真值表

输

入

输

出

LE

BI

LI

D

C

B

A

a

b

c

d

e

f

g

显示

X

X

0

X

X

X

X

1

1

1

1

1

1

1

8

X

0

1

X

X

X

X

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

2

0

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

3

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

4

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

5

0

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

6

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

7

0

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

8

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

9

0

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

消隐

1

1

1

X

X

X

X

锁

存

锁存

（2）、锁存功能：译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。

当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。如图3-3

（3）译码功能：CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数

据B、C进行组合，得出、、、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。

（4）消隐功能：BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路如图3-4所示。

消隐输出J的电平为

：J=

=（C+B）D+BI

如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D，据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。

(5)、8421

BCD

码对应的显示见下图

：

（6）、选用共阴极数码管，对于

CD4511

，它与数码管的基本连接方式如下图

：

二：CD4060（14位二进制串行计数器）芯片的简介

⑴、CD4060的结构

⑵、各个引脚的功能

7、5、4、6、14、13和15脚分别代表Q4～Q10，1、2、3脚分别代表Q12～Q14，它们都是计数器的输出端。

3脚代表Q14，是代表第14级计数器的反相输出端。

9脚为振荡输出端。

10脚为振荡输入端。

11脚为振荡反馈、控制输入。

12脚复位端，“1”有效。

8脚VSS代表接地。

16脚VDD代表接电源。

⑶、CD4060的工作原理

CD4060是又一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或者晶振电路。CR为高电平时，计数器清零并且振荡器使用无效。所有计数器位均有主从触发器。在CP1的非（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线行使用施密特触发器对时钟上升和下降的时间无限制。

(4)、CD4060的真值表

三：CD4518（双二～十进制加计数器）芯片的简介

⑴CD4518的结构

⑵各个引脚的功能

1脚和9脚分别代表1CP和2CP是时钟的输入端。

7脚和15脚分别代表1CR和2CR是清除复位端。

2脚和10脚分别代表1EN和2EN是计数允许控制端。

3脚～6脚分别代表1Q0～1Q3是计数器的输出端。

11脚～14脚分别代表2Q0～2Q3是计数器的输出端。

8脚VSS代表接地，16脚VDD代表接电源。

⑶工作原理

CD4518为BCD加法计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或者下降沿加计数。在单个单元运算中，EN输入保持高电平，并且在CP上升沿进位，CR线为高电平，计数器清零。

计数器在脉冲模式下可级联，通过将Q3连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。

如果要用时钟的上升沿触发计数，则信号又CP端输入，并EN端接高电平，如果要用时钟下降沿触发器计数，则信号又EN输入，并使CP端保持为低电平。Q1～Q4是4位二进制输出端，Q1是最底位Q4是最高位，CR是清零端，当在CR端加高电平式正脉冲。

做加计数时Q1～Q4以状态0000到1001（十进制0～9）变化并循环，显然，又1001变为0000时Q4又高变低；产生一个下降沿脉冲，所以Q4可作多级计数器级联时上一级输出，因为是下降沿效，所以Q4应与高计数器的EN端相连。

(4)、CD4518真值表

四：4553（三为BCD码分时并行输出计数器）芯片的简介

⑴、CD4553的结构

(2)、各个引脚的功能

12脚代表CL是时钟的输入端。CD4553内部设置了整形电路，对输入时种计数脉冲的边沿无要求。

11脚代表Dis是时钟输入控制端。当Dis=0时，允许时钟脉冲输入，当Dis=1时，禁止时钟脉冲输入。

10脚代表LE锁存控制端。LE=0时，将BCD计数器输出的计数结果进行传送，当LE=1时将接口进行锁存。

9脚和7—5脚代表Q1到Q4是BCD码输出端。

2脚，1脚和15脚分别代表DS1非，DS2非，DS3非是数据选择输出端，即作为分时输出同步控制信号端，从而形成动态显示方式，低电平有效。即当DS1非、DS2非、DS3非只有一个低电平时，通过多路转换器，Q1到Q4分别输出个位计数器，十位计数器，百位计数器的计数值。在任一时刻，DS1非、DS2非、DS3非只有一个低电平，并作周期循环，形成一个三位时序信号。

4脚和3脚分别代表C1a和C1b是外接定时电容，作为芯片内部扫描振荡器的内部时钟。在使用内部时钟时，C的值一般可取1000pf。

13脚是MR是复位端，当MR=1时扫描振荡被禁止，DS1非—DS3非均输出高电平，使得显示器消隐，同时三组BCD计数器全部清零。

14脚代表0.f

是数据溢出端，当三位BCD计数器的计数由“999”至“000”时，即输入第1000个计数脉冲时，0.f端输出一正脉冲，可为CD4553多级级联带来方便。

8脚代表VSS接地，16脚代表VDD接电源。

(3)、CD4553工作原理

CD4553是含三位数字计数器、锁存器、多路复位器等电路的多功能记数芯片。记数脉冲输入4553的12脚，3、4脚产生1KMz扫描信号，经多路复合器后，从2、1、15脚分别输出与个位、十位、百位相对应的时序负脉冲。如Q3Q2Q1Q0端送出个位数据时，为低电平，送出十位数据时，为低电平，送出百位数据时，为低电平。由于数据是按时序交替输出的且变化速度快，达到每秒25桢，人的眼睛无法感觉到其变化。输出个位数据时，4511对其译码后输出七段（a～g）驱动信号加到数码管上，此时4553只有=0，VT3饱和时导通数码管LDN1的公共端COM1经VT3的ec接地而显示出这个数字，同理4553输出十位、百位数据时，分别由数码管LDN1，LDN2，LDN3显示出来。

(4)、CD4553的工作真值表

输入

输出

R

CP

Dis

LE

0

↑

0

0

不变

0

↓

0

0

进位

0

×

1

×

不变

0

1

↑

0

进位

0

1

↓

0

不变

0

0

×

×

不变

0

×

×

↑

锁存

0

×

×

1

锁存

1

×

×

0

Q=0

五：7809三端稳压器的简介

⑴CW7809的结构

⑵CW7809的简介

集成稳压器有多种类型。按稳压原理不同，可分为串联调整式、并联调整式、开关调整式；按引出端数不同，可分三端集成稳压器和多端稳压器；按封装形式不同，可分金属装和塑料装。此次所选为固定式三端稳压器。

LM7809内部就是一个串联型晶体管稳压电路，除了基准、取样、比较放大和调整外，还有较完整的保护电路。稳压器只有输入端1脚，输出端2脚，公共端3脚，三个引出端。次产品是正电压输出。电容C12200uF为输入端的滤波电容，电容C2

0.33uF用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，同时又能滤除高频杂波。为了保证稳压器正常工作，输入与输出电压之间至少相差2～3V。稳压器最大输入电压一般不能超过40V。

第二章

单元电路介绍

第一节

电源部分

一：电源部分

输出电源220V，经变压器得17～18V电压，通过V1～V4整流，经C1滤波，得到较稳定电压。后接三端稳压器LM7809，其1脚为输入端，2脚为接地端，3脚为电压输出端，输出正9V电压，提供所有芯片电源。电容C2作用为消除电感效应，防止自激振荡。

二：电路图

三：电路分析

在电源、放大控制电路原理图中红线框内为电源部分电路，电源220V交流电经过T1变压，降压后，由T1次级输出15V～17V的交流电压，经过V1～V4整流后再经电容C1滤波，测得C1和整流二极管之间的电压为20V，再输入到7809的1脚，由3脚输出，测得3脚和C2之间的电压为9V电容C2是用以抵消输入端的电感效应，防止产生自激振荡。

电源这块因为经整流滤波后的直流电压虽已变得比较平滑，但不能确保它是稳定，当电网波动或负载电流变化时，就会引起输出电压的变动。为了保证输出电压的稳定，通常在整流电路之后再加上稳压电路。

在我们所用的直留稳压电源中，通常它是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成的。

⑴电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。

⑵整流电路：将变压器次级交流电压u2变成单向的直流电压u3。它包含直流成分和许多谐波分量。

⑶滤波电路：滤波脉冲电压u3中的谐波分量，输出比较平滑的直流电压u4。该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化。

⑷稳压电路：它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。

第二节

脉冲发生部分

一、等效电路

⒉脉冲部分分析

电路由14位二禁止串行计数器/分频器和振荡器CD4060构成。电路中利用CD4060组成两部分电路，一部分是14分频器，其最高分频为16394；另一部分是由外接电子表用石英晶体、电阻及电容构成振荡频率为32768HZ的振荡器。

原来我们在设计电路中经常用555振荡产生秒脉冲，在这里就不能使用555振荡器，因为普通的555振荡电路产生的脉冲用于短时间定时是看不出时间误差的，由于本电路做的定时范围是0—999秒，精度要求不大于0.5%，恢复时间不大于0.1%，对脉冲产生的要求较高，所以不宜于用555振荡电路产生脉冲而是采用集成CD4060产生脉冲。根据电路可以CD4060的10、11脚内部电路中的反相器组成的一个晶体振荡器。R2是偏置电阻，为反相器提供工作电压，与200pf的电容和晶振组成JK型反馈网络。如果把其中的一个电容器换成可变电容，可以使振荡频率得到准确的调节。我们这里采用的是固定电容，对设计电路的要求来说是可以达到的。晶体振荡器频率为32768HZ的脉冲信号经过14级2分频（2Hz），所以在第3脚Q14段输出的便是2HZ的脉冲信号。本电路中的CD4060的复位采用的是上电复位，电容C3为上电复位电容，当C3充电时，电容相当与断路，12脚上的压降很高，CD4060复位当C3充电完毕时，电容相当与短路，12脚上的压降很小，不能复位。

在CD4060秒脉冲电路中晶体振荡器起着非常关键的作用，没有这电路将不能正常工作，根本就没有脉冲产生。振荡器是以调谐放大器为基础再加反馈网络构成的，它和放大器一样也是一种能量转换装置，但和放大器不同的是，放大器与输入信号才有输出信号，而振荡器无需外加信号，就能自动产生一定频率、一定振幅和一定波形的交流信号。如果振荡器产生的交流信号是正弦波，则称正弦振荡器。它广泛应用于多种电子设备，如无线电发射器中的载波信号源，超外差收音机中的本振信号源，数字系统中的时钟信号源，微波炉中的高频振荡源等，在振荡器中，尽管采取了多种稳频措施，其频率稳定度也只能达到较少的数量级，如果要求更高的频率稳定度，就必须采用石英晶体振荡器。

第三节

时间设定

一、等效电路

二、时间设定部分分析

时间设定部分由两片CD4518构成计数部分，有三个BCD码开关对时间进行设定。CD4518的计数信号是由脉冲发生部分输出的2HZ信号，信号输入第一个CD4518的1脚1CP端，经过1Q0端再次分频为1HZ信号从3脚输出，一路供给计数、译码电路，另一路接自身2EN端10脚，开始计数。2Q4端为二进制BCD码计数器的高位Q4端，在十进制计数中只有8、9，即Q4、Q3、Q2、Q1、为0000，Q4刚好发生翻转为低电平，送入另一个CD4518的第一位1EN也就是十位，十位开始计数，这也正好是“个”位的进位脉冲信号。当十位计数达到9时，也同上述一样，从1Q3打6脚输出一个低电平，给第二位一个脉冲信号，使得百位开始计数。CD4518的7、15脚为复位端，接R1的上电复位信号。三为BCD拨码开关的8、4、2、1脚接CD4518的Q4～Q1脚，因为二极管的单向导电性，计数器的计数信号不能反串到拨码开关，而BCD拔码开关的设定信号可以传到计数器，使E7处电位降低，所以当计数的数值达到设定值时，12个二极管全部截止，在R7电阻这里产生一个高电平信号来驱动放大电路的三极管9013。如果计数的数值与设定值不同时，12个二极管至少有一个会道统，R7处就不会有高电平产生，从而也就驱动不了9013。本电路中的计数信号没有接到CP端，而接到EN端，是因为CP端为高电平有效，在脉冲的上升沿触发，EN端为低电平有效，在脉冲的下降沿触发，这样计数与显示是同步的。

第四节

计数，译码和显示部分

一、等效电路

⒉计数，译码和显示部分分析

此电路由CD4553计数，CD4511译码驱动及LED显示等三路组成三极管反相放大去选通三位LED显示器的共阴极。再经过Q0～Q3端输出8421码，送到CD4511译码驱动器的A～D端输入端，经过译码转变成七段译码驱动信号，由Ya～Yg端输出，送入3位LED显示器的a～g端，使LED数码显示器显示出锁计的数值。LE端10脚栓锁信号从V7阴极电阻上取来，当三极管放大饱和时，LE为高电位，计数器锁定显示器所显示的设定值。MR端13脚从电阻R1上引来的上电复位信号，使计数器复位。

第五节

放大输出电路

一、等效电路

二、电路分析

此等效电路块有两部分组成，在红线框内的为电源部分电路，红线框外的为驱动放大电路。由于前面已经介绍过了电源部分，这里只对放大驱动电路介绍：放大驱动电路的信号是从R7电阻上取样来的，此信号送入V6（9013）三极管基极，当数值达到导通电压时，V6进入饱和状态，从发射极电阻R2取出电信号来驱动可控硅V7、V8导通，V7导通后驱动继电器K动作，常开闭合，常闭断开，接通外部电路。由于继电显感性，为电能元件，所以在V7动作频率高的情况下，为了缩短继电器K的恢复时间，加一个续流二极管V5，让继电器K失电瞬间对V5快速放电，电路正常工作时V5上加的是反向电压，V5截止。还有将继电器放在稳压电源7809前面，是为了减小稳压电源7809的负载。V8导通从阴极电阻R4上取得高电平送到计数器CD4553的10脚LE端进行锁存，使显示器显示停止在设置数值上。

可控硅不仅具有硅整流器的特性，还能以小功率信号去控制大功率系统，可作为强电和弱电的接口，高效的完成对电能的变换和控制。它主要应用于，可空整流、逆变电源、交流调压、斩波器和无触点开关这几个方面。本电路中可控硅做无触点开关用。

第四章

整

机

电

路

第一节

电路原理图

第二节

元件清单

序号

代号

名称

型号规格

数量

备注

1

R1

电阻

3M

1

2

R2

电阻

2M

1

3

R9～R9，R13

电阻

680Ω

8

4

R10～R12

电阻

10K

3

5

R14

电阻

200K

1

6

R15、R17

电阻

100K

2

7

R16、R18

电阻

20K

2

8

C1

电容

2200uf

1

9

C2

电容

100

uf

1

10

C3

电容

103

1

元片

11

C4、C5

电容

201

2

元片

12

C6

电容

100pf

1

元片

13

V1～V5

二极管

1N4007

5

14

V6

三极管

9013

1

NPN

15

V7、V8

晶闸管

MCR100-6

2

16

V9～V11

三极管

9012

3

PNP

17

V12～V23

二极管

1N4148

12

18

IC16

底座

16脚

5

19

K

继电器

JRF4078

1

20

IC1、IC2

计数器

CD4518

2

21

IC3

计数器、锁存多路复合器

CD4553

1

22

IC4

译码器

CD4511

1

23

IC5

14分频器

CD4060

1

24

IC6

三端稳压器

CW7809

1

25

X

晶振

32768HZ

1

26

SB

按钮开关

常闭

1

27

SK1～SK3

拨码开关

3

28

LED

显示器

SM420563

1

共阴极

第三节

电路的改进

一、电路的改进

本课题是要求对1000以内的数有锁存功能。而在有些场合则不需要锁存功能，它需要不停地循环计数。在此我只需在本课题的基础上略加改动就能实现。既然不需要锁存，可以把10脚接地。发现CD4553的14脚为数据溢出端O.F，输出的是正脉冲。只须将14脚通过一个二极管接到13脚即可。当计数第1000个脉冲时，进位输出O.F产生正脉冲加到13脚复位端，使CD4553复位，进入下一个计数周期。

第四节

总结

通过这个课题的设计让我对数字电路进一步的了解，并使知识有了扩展。更重要的是能将这些知识融会贯通，并在实践中进一步对所学的知识进行论证。

学院通过课题设计让我们对以前所学的理论知识得到验证的机会，更重要的是锻炼一个人独立思考、独立操作、独立完成的能力，也学到了对待一个新事物应该怎一步一步的化解，把它化整为零，再运用所学的知识解决它。也启发了我的创造能力，告诉我不要拘于在先成，要创新，使所研究的东西越发完善，功能越发齐全，并不断的提出自己更为先进的构思来给大家研究。

在本课程设计学习当中，我掌握了常用电子元器件选择方法和设计计算过程，模拟电路和数字电路的综合运用，提高了自己的独立完成设计方案、产品调试。能正确运用Protel99绘制电路原理图。

在设计过程中，我学习到数字电路奥妙，而且能通过数码管显示出确切计时的数字以及秒脉冲的产生过程、设定时间与计时时间之间是怎样比较的、栓锁功能是怎样实现的、译码驱动的实现。特别对驱动有了更多的了解。在译码驱动部分我们选用4511，它是将BCD(二－十进制码)译成七段码（a-g），驱动三位共阴极LED数码管，在电路板的制作过程中我和我的组员们都遇到了一些故障，但我相信在我们排除这些故障的同时也积累了一些排除故障的经验。

由于本人知识有限课题中有很多不足和欠缺，甚至会有一些错误的地方，希望老师和同学提出宝贵的意见和建议。

第五节

参考文献

1、《电子电路基础》

邵展图主编

中国劳动社会保障出版社

2、《常用电子元件简明手册》

沈任元

吴勇主编

机械工业出版社

3、《电子电力学》

南京大学出版

4、《家用与民用电路》

中国计量出版社