电路电路 CADCAD 实践课程报告实践课程报告题 目 基于 NE555 多谐振荡器设计制作一个 LED 双色警示灯电路起讫日期学生姓名 学号 专业班级 所在学院 指导教师 所在单位 2017 年 月 日目目 录录1课程设计任务和要求 .11.1 设计任务 .11.2 使用软硬件.11.3 设计要求 .12. 方案选择与论证 .22.1 方案选择.22.2 方案论证.23. 单元电路设计与计算 .43.143.24 4. 元器件选择和电路参数计算 .54.154.25 5. 电路原理图绘制 .65.165.26 6. 电路板图绘制 .76.176.27 7. 设计总结 .8参考文献 9附录 1 电路原理图.10附录 2 电路板图.111课程设计任务和要求课程设计任务和要求1.1 设计任务任务要求一：设计制作一个 LED 双色警示灯电路（1）采用 NE555 多谐振荡器和 CD4017 进行设计；（2）电路采用相当封装（例如 5050 封装）4 颗红色 LED 和 4 颗蓝色 LED 设计；（3）电路中红色和蓝色 LED 交替闪亮，模拟警灯的样子；（4）LED 闪亮的频率可调；（5）使用+5V 至+12V 稳压直流电源供电，电路板上应留有电源接口；（6）建议采用贴片元件；（7）采用单层或双层板设计；（8）建议尺寸不超过 10*10cm；（9）板上应体现设计者的相关信息（如姓名、学号、设计日期、logo 等） ；（10）完成电路板的制作、调试以及课程设计报告的撰写。任务要求二：自拟题目，要求贴片设计，尽量不采用单片机，多采用模拟电路，双层板设计。1.2 使用软硬件(1) 计算机 (2) 相应电子元器件 (3) 电路设计软件 Altium Designer 或Cadence1.3 设计要求（1）电路原理图 1 份，正确绘画电路和合理布局；（2）电路 PCB 图 1 份，设计合理，电气设计正确，制版布局科学可用；（3）课程设计报告 1 份；主要内容有：1) 课题名称；2) 设计任务和要求；3) 方案选择与论证；4) 单元电路设计与计算说明；5) 元器件选择和电路参数计算的说明；6) 画出完整的电原理图，正确标出电路元器件的各项标注；7) 画出完整的电路板图，符合布局、布线原则，符合工艺要求； 8) 总结设计收获、体会，提出存在的问题和改进意见等。2. 方案选择与论证方案选择与论证2.12.1 根据课程设计指导，设计制作一个基 于 NE555 多谐振荡器的 LED 双色警示灯电路， 用到核心元件 NE555 多谐振荡器和 CD4017 进行 设计方案的选择。凭借指导老师给出的 3 种设计方案给予设 计方案基础（1） （2） （3）2.2 论证流水灯 1 具有 8 个发 光 LED 灯管，比流水灯 2 的八个发光二极管的发光效果要好，光亮要强， 而且相对节能。流水灯 3 的电路制作起来比流水灯 1 要麻烦。而且流水灯 1 的安全系数较高，所以，我们选择流水灯 1 制作 原件功能1.NE5551.NE555：555 定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使 用灵活，方便，只需要外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密 特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具 等许多领域中得到了广泛的应用。NE555 引脚说明：1 脚：GND 接地端，2 脚：TBI 触发端3 脚：OUT 输出端4 脚：RES 复位端5 脚：5 控制电压端6 脚：TKR 门限端7 脚：DIS 放电端8 脚：VCC 电源端CD4017 引脚说明 1 脚：OUTPUT 5 2 脚：OUTPUT 13 脚：OUTPUT 0 4 脚：OUTPUT 25 脚：OUTPUT 6 6 脚：OUTPUT 77 脚：OUTPUT 3 8 脚：VSS9 脚：OUTPUT 8 10 脚：OUTPUT 411 脚：OUTPUT 9 12 脚：CARRY OUT13 脚：CLOCK ENABLE 14 脚：CLOCK15 脚：RESET 16 脚：VDD3. 单元电路设计与计算单元电路设计与计算3.1 NE555 单元电路设计 3.1.1 工作原理：工作原理：(1)两个输入端的触发电平要求一高一低，置零端 R 即阈值端(TH)要求高电平，而置位端 s 即触发端(TR)则要求低电乎;(2)两个输入端的触发电平使输出发生翻转的阈值电压值也不同，当 Vc 端不接控制电压时，对 TH(R)端来讲，2/3VDD 是高电平 1,1/3VDD 是高电平 1，1/3VDD 是低电平0。如果在控制端(Vc)上控制电压 Vc 时，这时上触发电平就变成 Vc 值，下触发电平就变成 1/2Vc 值，可见改变控制端的控制电压值就可以改变上下触发电平值。3.2 CD4017 单元电路设计单元电路设计CD4017 单位设计原理图工作原理：工作原理：其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配， 整个输出时序就是 O0、O1、O2、O9 依次出现与时钟同步的高电平， 宽度等于时钟周期。 CD4017 有 10 个输出端（O0O9）和 1 个进位输出端O5-9。每输入 10 个 计数脉冲，O5-9 就可得到 1 个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一 级的时钟信号 CD4017 有 3 个输（MR、CP0 和CP1） ，MR 为清零端，当在 MR 端上加高电平 或正脉冲时其输出 O0 为高电平，其余输出端（O1O9）均为低电平。CP0 和CPl 是 2 个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由 CP0 端输入； 若要用下降沿来计数，则信号由CPl 端输入。设置 2 个时钟输入端，级 联时比较方便，可驱动更多二极管发光。4. 元器件选择和电路参数计算元器件选择和电路参数计算4.1 元器件选择元器件选择（1）计时器 NE555 计数器 CD4017 芯片 1 片 （2）红、蓝 LED 灯 各 4 只 （3）电阻 1K 8 个22K 1 个44K 1 个50K 滑动变阻器 1 个 （4）电容 1uf 2 个 （5）电源 5V 1 个 4.2 电路参数计算由 CD4017 输出的电压为 5V，流水灯允许通过的最大电流为 5mA，所 以每个灯的电路上串联一个 1K 的电阻T=T1+T2 T1=0.693*(R2+R3+R4)*C1 T2=0.693*(R4+R3)*C1 R2=2.2K R3=10K R4滑动变阻器最大值为50K C=1Uf 带入参数计算取R4=0 频率f=1/T=1.43/(R2+2R3+2R40)C=65Hz R4=50K F=1/F=1/0.96*(R2+2R3+2R4)*C=11.8Hz 即 0.08 秒，小灯频闪一次（增大滑动变阻器的阻值可以增大频闪时间）5. 电路原理图绘制电路原理图绘制5.15.1 电路原理图制作过程： （1）在桌面新建文件夹“CADjby” ，打开桌面上的 Altium Designer Winter 09，新建工程，工程名称为“PCBjby” ，点击保存，选择保存在新 建的文件夹内。 （2）在工程中新建原理图文件，并保存到刚才的文件夹内。 （3）打开原理图，添加元件库文件 a) 单击打开编辑界面右侧的 Libraries b) 点击打开上图中左上角的 libraries ， 点击 Add libraries 。 （4）选择、放置元件以及放置电源符号和地符号。 （5）点击 Place 选择 line，根据实物图连接元件，注意导线与导线的 结点5.2 电路分析：电路分析：振荡电路由一块 NE555 芯片和 C2，C1,R4，R2，R3 等组成。通电后，因电容 C1 两端的电压不能突变，6 脚的电压为低电平，NE555 芯片的内部触发 器被置位，9 脚输出高电平。同时，由于电源经电阻 R3 和 R4 向 C1 充电， 使 6 脚和 10 脚的电压不断提高，当电位上升到 VCC 的 2/3 时，NE555 芯片 的内部触发器被复位。9 脚的输出电压翻转为低电平。同时 NE555 芯片内 部的放电管导通，即 11 脚通过内部的放电管和 1 脚相通，C1 上储存的电 荷就通过 R4 和 11 脚放电，使 6 脚和 10 脚 的电压不断下降，当电位降低 到 VCC 的 1/3 时，NE555 芯片的内部触发器被置位。同时 NE555 芯片内部 的放电管截止，11 脚被悬空，电源又通过 R3,R4 向 C1 充电，使 6 脚和 10 脚的电压不断提高.如此，周而复始，形成振荡。输出端的高电平维持 时间取决于电容 C1 的的充电时间常数，输出端的低电平维持时间取决于 电容 C1 的放电时间常数。由于 R3R2，故可以认为 f 放f 充，目的是 减小彩灯熄亮交替的时间间隔的差异。 译码电路由一块 CD4017 芯片组成。该芯片有三个输入端，有 8 个输出端 Q0Q7，还有一个进位端 C0,其功能是：当复位端 Cr 加上高电平和正脉冲 时，输出端 Q0 为高电平，其余 7 个输出端全为低电平。时钟输出端 CP 对 输入时钟脉冲的上升沿计数，EN 则对时钟脉冲的下降沿计数。Q0Q7 这 八个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。如从 0 开始计数， 则输入到第一个时钟脉冲时，Q1 就变成高电平，输入第二个时钟脉冲时， Q2 变成高电平直到输入第八个脉冲，Q0 变成高电平。同时，进位端 CO 就输出一个进位脉冲，作为下一级计数的时钟信号。Cr 为复位端，也 为清零端。当 Cr 输入高电平时，电路复位，即输出端 Q0 为高电平， Q1Q7 为低电平。如此反复，只要 NE555 芯片的 9 脚送来的二进制信号不 消失，CD4017 芯片将二进制信号准换成十进制信号的计码工作就会反复进 行下去。 6. 电路板图绘制电路板图绘制6.1 PCB 电路图PCBPCB 图制作过程图制作过程: :1、画原理图，目地是生成对应的网表用于建 PCB，在图上标好元件值，元件位号用自动标注。2、用原理图生成 PCB，这时会有 DRC 检查，检查不过的你就去改好，检查通过后会真接切换到 PCB 界面，这时你的原理图就算是完成了。3、PCB 布局，一般按照先大后小的原则摆放，就是先放连接器再放芯片、阻容元件。一般连接器放在 PCB 边上。4、布线，按显示的网络飞线在电路上布线，注意线宽。5、DRC 检查，这个一定要做，防止你有没布的线。6.2 版图设计规则1 、 画 模 拟 版 图 首 先 要 注 意 的 是 线 宽 问 题 。 对 于 比 较 大 电 流 的 支 路 ， 线 宽一 定 要 满 足 电 流 ， 但 也 不 能 太 宽 ， 否 则 寄 生 电 容 肯 定 会 大 。 可 以 采 用 几 条金属线 上下重叠并联的方式，这样的话宽度小了电流又能满足2、关于电源线和地线问题 整个版图的电源和地线呈网格状，这样压降小，稳定。 3、噪声问题的处理 最常用方法是在器件周围加保护环。Pmos 管子做在NWELL 里面，因此周 围的在一个模块周围为了和其他模块隔离加的保护环，用一圈 NWELL，里 面加 NDIFF，接高电位。用 CONTACT连 M1。4、版图对称