武漢理工大學課程設(shè)計報告.docx

武漢理工大學專業(yè)課程設(shè)計（一）課程設(shè)計說明書目錄1 技術(shù)指標11.1初始條件11.2 技術(shù)要求12 設(shè)計方案及其比較12.1 模擬電路方案12.1.1 方案一12.1.2 方案二32.1.3 方案比較42.2 數(shù)字電路方案42.2.1 方案一42.2.2 方案二82.2.3 方案比較103 實現(xiàn)方案103.1 模擬電路方案103.1.1 電路器件說明及反相器電路103.1.2 電路原理分析113.2數(shù)字電路方案123.2.1 電路器件說明123.2.2 電路原理分析153.2.3 電路參數(shù)設(shè)計154 調(diào)試過程及結(jié)論164.1 模擬部分164.2 數(shù)字部分165 心得體會176 參考文獻18自動循環(huán)調(diào)光燈電路的設(shè)計和模擬信號運算電路的設(shè)計1 技術(shù)指標1.1初始條件直流可調(diào)穩(wěn)壓電源一臺、以集成電路運算放大器LF353、NE555和CD4017集成電路、三極管9013、萬用表一塊、面包板一塊、元器件若干、剪刀、鑷子、導線等必備工具。1.2 技術(shù)要求1）模擬部分以集成電路運算放大器LF353為主，設(shè)計一種模擬信號運算電路。具體包括加法運算電路和減法運算電路，要求能夠?qū)崿F(xiàn)兩路可調(diào)模擬信號的加法運算和減法運算。2）數(shù)字部分以NE555和CD4017集成電路為主芯片，設(shè)計一種調(diào)光燈電路?？梢允篃粼谙缥⒘凛^亮最亮四種狀態(tài)下循環(huán)。要求燈光變化的循環(huán)速度可以進行調(diào)節(jié)。2 設(shè)計方案及其比較2.1 模擬電路方案2.1.1 方案一1）加法器 方案一加法器原理圖如圖1所示。圖1 方案一加法器原理圖規(guī)定：R1端輸入電壓為vi1,通過的電流為i1；R2輸入電壓為vi2，通過的電流為i2;RF通過的電流為if；輸出電壓為v0。根據(jù)“虛短”和“虛地”得知放大器兩輸入端接地，電壓0。列點節(jié)點電流方程有： i1=vi1R1i2=vi2R2i3=v0Rf因為：i10。所以：if=i1+ i2即：-v0Rf=vi1R1+vi2R2v0=-RfR1vi1+RfR2vi2 (1)2) 減法器方案一減法器電路原理圖如圖2所示。圖2 方案一減法器原理圖規(guī)定：R1端輸入電壓為vi1；R2輸入電壓為vi2；放大器同相輸入端輸入電壓為vp輸出電壓為v0。在vi1作用，vi2=0時，這是一個反相器，則 vo1=-RfR1vi1在vi2作用，vi1=0時，這是一個同相放大器,則vp=R3R3+R2vi2 vo2=1+RfR1vp=1+RfR1(R3R3+R2)vi2 根據(jù)電壓疊加原理，vi1，vi2同時作用時輸出電壓為 v0=-RfR1vi1+1+RfR1R3R3+R2vi2 (2)2.1.2 方案二用方案一的方法來實現(xiàn)加法器是最簡單，最準確的，也是最優(yōu)的方法。因此不做其他考慮，現(xiàn)設(shè)計另一種減法器。方案二減法器的電路圖如圖3所示。圖3 方案二減法器原理圖規(guī)定：R1端輸入電壓為vi1；R2輸入電壓為vi2；放大器1,2的輸出電壓分別為vo1，vo。同加法器同樣的方法計算，可得： vo1=-Rf1R1vi1 vo=-(Rf2R3vo1+Rf2R3vi2) =Rf1R1Rf2R3vi1-Rf2R3vi2 2.1.3 方案比較因為加法器比較容易實現(xiàn)，且方案一的加法器電路是最簡單，最準確也是最優(yōu)方案，因此加法器電路就采用方案一的電路原理圖。對于減法器，雖然方案一的原理圖理論分析相對于方案二較復雜，但是只需要一個放大器（方案二需兩個放大器），這就導致方案一的實際連線圖比方案二的實際連線圖要簡單，操作起來比較容易。因此，減法器也選擇方案一。綜上，模擬電路方案選擇方案一。2.2 數(shù)字電路方案2.2.1 方案一2.2.1.1 單元電路設(shè)計自動循環(huán)調(diào)光燈電路由NE555組成的多諧振蕩電路，CD4017組成的十進制計數(shù)器，三極管9013組成的調(diào)光控制電路組成。使燈在熄滅微亮較亮最亮四種狀態(tài)下循環(huán)。1) NE555組成的多諧振蕩電路由NE555組成的多諧振蕩電路為十進制計數(shù)器提供時鐘脈沖信號，其電路圖如圖4示。圖4 NE555多諧振蕩電路當加上電源電壓后，由于電容C1上端電壓不能突變，故NE555處于置位狀態(tài)，輸出端（3腳）呈高電平“1”，而內(nèi)部的放電管VTl截止，C1通過R1、R2對其充電，低電平觸發(fā)端（2腳）電位隨C1上端電壓的升高呈指數(shù)上升。當C1上的電壓隨時間增加，達到2/3VDD閾值電平(6腳)時，上比較器A1翻轉(zhuǎn)，使RS觸發(fā)器置位，經(jīng)緩沖級倒相，輸出V0呈低電平“0”。此時放電管VT1飽和導通，C1上的電荷經(jīng)R2至VT1管放電。當C1放電使其電壓降至1/3VDD觸發(fā)電平(2腳)時，比較器A2翻轉(zhuǎn)，RS觸發(fā)器復位，經(jīng)倒相后，使輸出端(3腳)呈高電平“1”。以上過程重復出現(xiàn)，形成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩。2）CD4017組成的十進制計數(shù)器CD4017主要由十進制計數(shù)電路和時序譯碼電路組成，是一種十進制計數(shù)器。其基本功能是對“CP”端輸入的脈沖進行計數(shù)。并將輸入脈沖依次輸出到Q0-Q9十個輸出端。當計滿十個數(shù)時，計數(shù)器清零，并產(chǎn)生一個進位脈沖。自動循環(huán)調(diào)光燈共有四種狀態(tài)變化，那么只需計數(shù)器的四個輸出端來控制燈的亮度。利用CD4017輸出端一次輸出高電平的特點來實現(xiàn)調(diào)光燈電路圖如圖5所示。圖5 計數(shù)器當時鐘脈沖由“CP”端輸入，Q0-Q4端依次輸出高電平。當Q4端輸出高電平是，計數(shù)器清零并重新計數(shù)。則Q2-Q0輸出狀態(tài)為001-010-100-000-001循環(huán)進行。3）三極管9013組成的調(diào)光燈控制電路由三極管9013組成的調(diào)光電路如圖6所示。Q0-Q2依次出現(xiàn)高電平，其變化狀態(tài)為000-100-010-001-000循環(huán)進行。當Q0-Q2出現(xiàn)高電平時，經(jīng)三極管放大，點亮燈泡，由于R0-R2的電阻阻值不同，起到了控制燈泡亮度的作用。當Q3端出現(xiàn)高電平時，Q0-Q2輸出都為低電平，燈泡熄滅。當Q4出現(xiàn)高電平時，計數(shù)器清零復位，Q0-Q2輸出為100，計數(shù)器進入新一輪循環(huán)。因此，隨著Q0-Q4端輸出電平的變化，燈泡在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。圖6 調(diào)光燈控制電路2.2.1.2 電路原理分析自動循環(huán)調(diào)光燈電路如圖7所示。共由NE555多諧振蕩電路，CD4017十進制計數(shù)器，三極管9013調(diào)光燈控制電路三部分構(gòu)成。使燈在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。圖7自動循環(huán)調(diào)光燈方案一原理圖NE555組成的多諧振蕩電路用來產(chǎn)生脈沖信號，調(diào)節(jié)RV1可以改變振蕩頻率，也就是燈光變化的循環(huán)速度。當脈沖信號輸入到計數(shù)器的“CP”端時，計數(shù)器開始計數(shù)。隨著脈沖的不斷輸入，Q0-Q4端依次輸出高電平，當Q0-Q2依次輸出高電平時，經(jīng)放大器放大，點亮燈泡，由于R0-R2電阻依次降低，起到了控制燈泡亮度的作用。當Q3端出現(xiàn)高電平時，Q0-Q2輸出都為低電平，燈泡熄滅。當Q4出現(xiàn)高電平時，計數(shù)器清零復位，Q0-Q2輸出為100，計數(shù)器進入新一輪循環(huán)。因此，隨著Q0-Q4端輸出電平的變化，燈泡在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。2.2.1.3 電路參數(shù)計算NE555工作電壓為4.5V-15V，CD4017工作電壓為3V-18V。實際工作電路中電源電壓選為6V。使各個器件正常工作。多諧振蕩電路的頻率為f=1.44/（R+2RV1）*C1。當取C1=1uF,R=47K，RV1max=470K，計算得1.46Hzf30.62Hz。電路中其它參數(shù)：R0=300K,R1=200K,R2=100K。2.2.2 方案二2.2.2.1 單元電路設(shè)計自動循環(huán)調(diào)光電路由與非門組成的多諧振蕩電路，CD4017組成的十進制計數(shù)器，三極管9013組成的調(diào)光控制電路三部分組成。使燈炮在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。1） 與非門組成的多諧振蕩電路圖8為由74LS00與非門集成電路及RC器件構(gòu)成的振蕩電路。通過RC電路的充放電，使電路產(chǎn)生諧振，電路中與非門以反相器的形式接入，其輸出為矩形脈沖。R，C的值可以確定電路的振蕩頻率。啟動開關(guān)S用來控制多諧振蕩起啟動，開關(guān)S閉合時，電路起振；開關(guān)S斷開時，電路停止振蕩。圖8 與非門組成的多諧振蕩器2） CD4017組成的十進制計數(shù)器同方案一的單元電路設(shè)計CD4017組成的十進制計數(shù)器部分。3） 三極管9013組成的調(diào)光燈控制電路同方案一單元電路設(shè)計三極管9013組成的調(diào)光燈控制電路部分。2.2.2.2電路原理分析自動循環(huán)調(diào)光燈電路如圖9所示。由與非門組成的多諧振蕩電路，CD4017組成的十進制計數(shù)器，三極管9013等組成的調(diào)光燈控制電路三部分構(gòu)成，使燈在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。圖9 自動循環(huán)調(diào)光燈方案二原理圖與非門組成的多諧振蕩器，用來產(chǎn)生時鐘脈沖信號。調(diào)節(jié)RV1的大小，可以控制振蕩頻率，即燈光變化的循環(huán)速度。當脈沖信號輸入到計數(shù)器的“CP”端時，計數(shù)器開始計數(shù)。隨著脈沖的不斷輸入，Q0-Q3端依次輸出高電平，當Q0-Q2依次輸出高電平時，經(jīng)放大器放大，點亮燈泡，由于R0-R2電阻依次降低，起到了控制燈泡亮度的作用。當Q3出現(xiàn)高電平時，計數(shù)器清零復位，燈炮熄滅。因此，隨著Q0-Q3輸出電平的變化，電路實現(xiàn)了燈泡熄滅-微亮-較亮-最亮的循環(huán)變化。2.2.2.3 電路參數(shù)計算 CD4017的工作電壓為3V18V，實際電路中電源電壓取6V，電路中各元器件能正常工作。多諧振蕩電路的頻率f=1/（2.2*RV1*C）。取C=10uF，RV1max=47K。計算得f0.97Hz。電路中其它參數(shù)為：R0=300K，R1=200K，R2=100K。2.2.3 方案比較本實驗要求設(shè)計自動循環(huán)調(diào)光燈電路。該電路需要有信號產(chǎn)生電路，計數(shù)器，調(diào)光燈控制電路三部分。共設(shè)計了兩種信號產(chǎn)生電路：由NE555組成的多諧振蕩電路和由與非門組成的振蕩電路。計數(shù)器選擇了比較穩(wěn)定，接線比較簡單的CD4017。調(diào)光燈電路選擇了三極管來實現(xiàn)，因為三極管比較經(jīng)濟且安全。通過比較兩種信號產(chǎn)生電路，由NE555組成的電路比較簡單，操作和仿真都比較容易實現(xiàn)，接相對經(jīng)濟，實用。因此，方案一對實驗的要求較小，燈光的變化速度容易調(diào)節(jié)，實驗布線比較簡單。所以選擇方案一來完成實驗。3 實現(xiàn)方案3.1 模擬電路方案3.1.1 電路器件說明及反相器電路1）LF353LF353為一8腳封裝的器件，含有兩個放大器。圖10為其引腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，各引腳的名稱和作用如下：1腳-OUTPUT A，放大器A的輸出端；2腳-INVERTING INPUT A，放大器A的反相輸入端；3腳-NON-INVERTING INPUT A，放大器A的同相輸入端；4腳-V-,LF353的負電平輸入端；5腳- NON-INVERTING INPUT B，放大器B的同相輸入端；6腳- INVERTING INPUT B，放大器B的反相輸入端；7腳- OUTPUT B，放大器B的輸出端；8腳-V+,LF353的正電平輸入端。實際電路中為其提供12V電壓，使其正常工作。圖10 LF353引腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2）反相器反相放大器原理圖如圖11所示。圖11 反相器原理圖規(guī)定：R1端輸入電壓為vi，輸出電壓為v0。輸出表達式中取Rf=R1，有 v0=-RfR1vi=-vi其作用是實現(xiàn)反相運算功能。3.1.2 電路原理分析1）加法器加法器實際電路如圖12所示。圖12 加法器電路圖規(guī)定：R1端輸入電壓為vi1,；R2輸入電壓為vi2；輸出電壓為v0。取 R1=R2=Rf則（1）式變?yōu)?vo=-(vi1+vi2)即實現(xiàn)了加法器的功能?？梢栽陔娐份敵龆颂砑臃聪嗥鳎馆敵鲎?yōu)?vo=vi1+vi22）減法器減法器實際電路如圖13所示。圖13 減法器電路圖規(guī)定：R1端輸入電壓為vi1,；R2輸入電壓為vi2；輸出電壓為v0。取 Rf=R1 R2=R3則（2）式變?yōu)椋?v0=-（vi1-vi2）即實現(xiàn)了減法器的功能。可以在輸出端添加反相器，則輸出變?yōu)椋?v0=vi1-vi23.2數(shù)字電路方案3.2.1 電路器件說明1）NE555NE555為一8腳封裝的器件。圖14為其引腳圖，各引腳的名稱和作用如下：1腳GND，接地端；2腳TL，低電平觸發(fā)端；3腳Q，電路的輸出端；4腳R為復位端，低電平有效；5腳V-C，電壓控制端；6腳TH，閾值輸入；7腳DIS，放電端；8腳Vcc，電源電壓端，其電壓范圍為：4.5V15V。圖14 NE555引腳圖其真值表如下：表1 NE555真值表輸入輸出THTLRQ放電管狀態(tài)XX00導通2/3Vcc1/3Vcc10導通1/3Vcc1保持不變保持不變2/3Vcc1/3Vcc10導通2/3Vcc1/3Vcc11截止2）CD4017CD4017集成電路是一種十進制計時器，其采用標準的雙列直插式16腳塑裝，圖15是其引腳圖。圖15 CD4017引腳圖其引腳的名稱與功能如下：1腳（Q5），第5輸出端；2腳（Q1），第1輸出端；3腳（Q0），第0輸出端，電路清零時，該端為高電平；4腳（Q2），第2輸出端；5腳（Q6），第6輸出端；6腳（Q7），第7輸出端；8腳（GND），接地端；9腳（Q8），第8輸出端；10腳（Q4），第4輸出端；11腳（Q9），第9輸出端；12腳（QC0），級聯(lián)進位輸出端，每輸入10時鐘脈沖就生成一個進位輸出脈沖，13腳（EN），時鐘輸入端，下降沿有效；14腳（CP），時鐘輸入端，上升沿有效；15腳（R），清零輸入端；當R端加高電平時，CD4017計數(shù)器中各計數(shù)單元輸出低電平“0”，在譯碼器中，輸出端“Q0”為高電平；16腳（Vcc），電源正端，接3V18V直流電壓。CD4017的基本功能是對“CP”端輸入脈沖的個數(shù)進行十進制計數(shù)，并按照輸入脈沖的個數(shù)順序?qū)⒚}沖依次分配給Q0-Q9，當計滿十個數(shù)時，計數(shù)器復位清零，并產(chǎn)生一個進位脈沖。3）三極管90139013是一種NPN型三極管，圖16為9013的引腳圖。1腳為發(fā)射極，2腳為基極，3腳為集電極。圖16 9013三極管引腳圖其參數(shù)為：最大耗散功率為：0.625W（t=25）；最大集電極電流：0.5A；集電極-基極擊穿電壓：45V。3.2.2 電路原理分析自動循環(huán)調(diào)光燈電路如圖17所示。共由NE555多諧振蕩電路，CD4017十進制計數(shù)器，三極管9013調(diào)光燈控制電路三部分構(gòu)成。使燈在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。圖17 自動循環(huán)調(diào)光燈原理圖NE555組成的多諧振蕩電路用來產(chǎn)生脈沖信號，調(diào)節(jié)RV1可以改變振蕩頻率，也就是燈光變化的循環(huán)速度。當脈沖信號輸入到計數(shù)器的“CP”端時，計數(shù)器開始計數(shù)。隨著脈沖的不斷輸入，Q0-Q4端依次輸出高電平，當Q0-Q2依次輸出高電平時，經(jīng)放大器放大，點亮燈泡，由于R0-R2電阻依次降低，起到了控制燈泡亮度的作用。當Q3端出現(xiàn)高電平時，Q0-Q2輸出都為低電平，燈泡熄滅。當Q4出現(xiàn)高電平時，計數(shù)器清零復位，Q0-Q2輸出為100，計數(shù)器進入新一輪循環(huán)。因此，隨著Q0-Q4端輸出電平的變化，燈泡在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。3.2.3 電路參數(shù)設(shè)計NE555工作電壓為4.5V-15V，CD4017工作電壓為3V-18V，因此工作電路中電源電壓選為6V。使各個器件正常工作。多諧振蕩電路的頻率為f=1.44/（R+2RV1）*C1，取C1=1uF,R=47K，RV1max=470K，計算得1.46Hzf30.62Hz。電路中其它參數(shù)：R0=300K,R1=200K,R2=100K。4 調(diào)試過程及結(jié)論4.1 模擬部分在調(diào)試模擬電路的時候，開始的時候，減法器調(diào)試結(jié)果比較理想。加法器得到的結(jié)果卻與理論計算相差較大，在檢查電路后，確定電路布線正確，因此想到電路中實際參數(shù)是否正確。用萬能表測量了電路中各個電阻的阻值后，發(fā)現(xiàn)兩個電阻的阻值與其它電阻阻值不相同，原來是因為將提供的3阻值的電阻當作為同一種電阻接入了電路，導致實驗結(jié)果有誤。在更換了電阻以后得到以下數(shù)據(jù)：表2 模擬部分調(diào)試結(jié)果vi1（v）vi2(v)v0(v)加法器2.041.85-3.882.561.64-4.15減法器2.061.84-0.212.541.87-0.67測量結(jié)果比理論計算結(jié)果相差0.01v,在誤差允許范圍之內(nèi)。因此模電實驗取得了成功。由此數(shù)據(jù)可得加法器是將多個輸入端輸入電壓進行求和并放大。減法器則是兩輸入端電壓相減并放大。在此基礎(chǔ)上可以進行擴展，實現(xiàn)多個輸入端的線性計算。4.2 數(shù)字部分 數(shù)字部分我選擇設(shè)計自動循環(huán)調(diào)光燈電路。該實驗在所有實驗中相對簡單，主要由三部分組成。通過接線將三部分合理連接起來即可。在設(shè)計的時候，運用proteus軟件進行仿真，起初將Q3輸出端與15腳（R），清零輸入端相連，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果只有三種狀態(tài)，燈泡不會熄滅。當將Q4 輸出端與清零端相連，仿真結(jié)果出現(xiàn)了預期的結(jié)果。但是考慮到當Q3輸出為高電平的時候，計數(shù)器清零，Q0-Q3應為低電平，此時，燈泡會熄滅。產(chǎn)生了兩種假設(shè)：a仿真軟件與實際結(jié)果有誤差；b-計數(shù)器清零時并不出現(xiàn)輸出全為低電平的情況。帶著這個疑問，去了實驗室進行實際操作，調(diào)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)實際狀況與仿真結(jié)果完全相同。只有當Q4端與清零端相連的時候，燈泡才會熄滅，出現(xiàn)四種狀態(tài)的循環(huán)。所以假設(shè)a是錯誤的，但假設(shè)b也并沒有得到證明。在寫報告的時候繼續(xù)查閱了資料得知：當清零端接高電平的時候，譯碼器輸出端Q0輸出為高電平。解決了心中的疑惑。當將Q4輸出端與清零端相連的時候，燈泡在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。調(diào)節(jié)滑動變阻器RV1，可以改變燈泡亮度變化的頻率。通過示波器觀察振蕩器輸出端和燈泡兩端的輸出波形信息如下：1）振蕩器輸出端波形：矩形波（脈沖）電壓幅值：6V。周期T=3.7*0.1=0.37S 頻率：f1=1T2.7Hz2) 燈泡兩端波形：前進呈“臺階”狀的波形電壓：0-0.03V-0.05V-0.11V-0循環(huán)。循環(huán)一次時間：T24T。通過實驗也成功完成