武漢理工大學(xué)課程設(shè)計報告

1、目錄1技術(shù)指標(biāo) 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 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 8方案比較 103實現(xiàn)方案 103.1模擬電路方案 10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(biāo)

2、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(dǎo)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。可以使燈在熄滅一微 亮一較亮一最亮四種狀態(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模擬電路方案方案一1）加法器方案一加法器原理圖如圖1所示

3、規(guī)定：R1端輸入電壓為 ,通過的電流為？ R2輸入電壓為？?2通過的電流為?RF 通過的電流為？輸出電壓為?。根據(jù)“虛短”和“虛地”得知放大器兩輸入端接地,電壓0。列N點節(jié)點電流方程有:?=?=?1?2 ? ?=?0?3?因為:所以:即：if = ii + i2v0vi1vi2- = + RfR1R2?= - (#? + F?)RlR2(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？?； R2輸入電壓為？知 放大器同相輸入端輸入電壓為？俞出電壓為？。在?作用，？=0時，這是一個反相器，則Rfvo1 = - JviiRi在?作用，？?=0時，這是一個

4、同相放大器,則R3vp =時比Vo2 = （1 + 診 VP = （1 + 診（懸）Vi2根據(jù)電壓疊加原理，？?1 ?同時作用時輸出電壓為?/3?=-方？?i+ （1 + 石）（?3+?2） ?2方案二用方案一的方法來實現(xiàn)加法器是最簡單，最準(zhǔn)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？?1 R2輸入電壓為？?2放大器1,2的輸出電壓分別為？?1, ?同加法器同樣的方法計算，可得：?1=-詈?1?=-（詈？?1+ 詈2?2=坐空？： 些？2_?；? ?1- ? ' ?2方案比較因為加法器比較容

5、易實現(xiàn)，且方案一的加法器電路是最簡單，最準(zhǔn)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(fù)雜，但是只需要一個放 大器（方案二需兩個放大器），這就導(dǎo)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。使燈在熄滅一微亮一較亮一最亮四種狀態(tài)下循環(huán)。1）NE555組成的多諧振蕩電路由N

6、E555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(dāng)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VTI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(dāng)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(dǎo)通，C1 上的電荷經(jīng)R2至VT1管放電。當(dāng)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)，

7、RS觸發(fā)器復(fù)位，經(jīng)倒相后，使輸出端（3腳）呈高電平“ 1”以上過程重復(fù)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(dāng)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。U1141012Ll_MR圖5計數(shù)器當(dāng)時鐘脈沖由“ CP端輸入，Q0-Q4端依次輸出高電平。當(dāng)Q

8、4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(dāng)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(dāng) Q3端出現(xiàn)高電平時，Q0-Q2輸 出都為低電平，燈泡熄滅。當(dāng) Q4出現(xiàn)高電平時，計數(shù)器清零復(fù)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

9、亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。R0DCL1R1VCC6VD2*1QAB圖6調(diào)光燈控制電路221.2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(dāng)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，QO-Q 4端依次輸出高電平，當(dāng) 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，

10、起到了控制燈泡亮度的作用。當(dāng)Q3端出現(xiàn)高電平時，Q0-Q2輸出都為低電平，燈泡熄滅。當(dāng) Q4出現(xiàn)高電平時，計數(shù)器清零復(fù)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。221.3 電路參數(shù)計算NE555X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(dāng)取 C1=1uF,R=47K RV1max=470K計算得 1.46Hz<f3 < 0.62Hz。電路中其它參數(shù)：R

11、0=300K,R1=200K,R2=100K222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。CT10(1圖8與非門組成的多諧

12、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)計一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)計一三極管 9013組成的調(diào)光燈控制電路部分2.222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(dāng)脈沖信號輸入到計數(shù)器的“CP端時，計數(shù)器開始計數(shù)。

13、 隨著脈沖的不斷輸入，Q0-Q3端依次輸出高電平，當(dāng) 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(dāng)Q3出現(xiàn)高電平時，計數(shù)器清零復(fù)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3V 18V,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 f < 0.97Hz。 電路中其它參數(shù)為：R0=300K R1=200K R

14、2=100K223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模擬電路方案電路器件說明及反相器電路1) LF353LF353為一 8腳封裝

15、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-INVERTINONPUTA,放大器A的同相輸入端；4腳-?,LF353 的負電平輸入端；5腳-NON-INVERTINGJPUTB,放大器B的同相輸入端；6腳-INVERTINGINPUT 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-?丄F353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OUTPUT BINVIHVIMS INftJT Bl

16、aVEfiTiFigiVM"UTi*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。RF1U1 BLF353«>5圖11反相器原理圖規(guī)定：?端輸入電壓為？?？輸出電壓為?。輸出表達式中??？?= ?，有? = - ? ?= -?其作用是實現(xiàn)反相運算功能。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？?, ； R2輸入電壓為？?2輸出電壓為?。 ??？=?= ?則（1）式變?yōu)?= -（?什?2即實現(xiàn)了加法器的功能?？梢栽陔娐份敵龆颂砑臃聪嗥?，使輸出變?yōu)?=?i+ ?22）減法器減法器實際電路如圖13所示

17、。圖13減法器電路圖規(guī)定：R1端輸入電壓為？辦；R2輸入電壓為？?2輸出電壓為?。取?= ? ?= ?則（2）式變?yōu)椋? = - (?2即實現(xiàn)了減法器的功能可以在輸出端添加反相器，貝U輸出變?yōu)?? = ?1- ?23.2數(shù)字電路方案電路器件說明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腳一GND接地端；2腳一TL，低電平觸發(fā)端；3腳一Q電路的輸出端；4腳一？復(fù)位 端，低電平有效；5腳一V-C,電壓控制端；6腳一TH,閾值輸入；7腳一DIS,放電端；8 腳一 V?電源電壓端，其電壓范圍為：4.5V 15V。GM?巨可VccTL 7NE5557di

18、sQ E可TH石ETv-c圖14 NE555引腳圖其真值表如下:表1 NE555真值表輸入輸出THTL?Q放電管狀態(tài)XX00導(dǎo)通>2/3VCc>1/3Vcc10導(dǎo)通<2/3VCc>1/3VCc1保持不變保持不變>2/3VCc>1/3Vcc10導(dǎo)通<2/3VCc<1/3VCc11截止2） CD4017CD4017集成電路是一種十進制計時器， 其采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列直插式16腳塑裝，圖15是其引腳圖。Q?丄UkvccQi 14廠F丄0丄QcoQ?%Q)-%GXD-1丄Qi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（Qi

19、）,第1輸出端；3腳（Qo），第0輸出端，電路清零時，該端為高電平；4腳（Q），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（Q*）,第8輸出端； 10腳（Q4），第4輸出端；11腳（Q9），第9輸出端；12腳（Qco），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(dāng)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“Q?！睘楦唠娖剑?6腳（VCc）， 電源正端，接3V 18V直流電壓。CD4

20、017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(dāng)計滿十個數(shù)時，計數(shù)器復(fù)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。1 2 3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 °C）；最大集電極電流：0.5A ；集電極-基極擊穿電壓：45V。322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

21、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(dāng)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，QO-Q 4端依次輸出高電平，當(dāng) 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(dāng)Q3端出現(xiàn)高電平時，Q0-Q2輸出都為低電平，燈泡熄滅。當(dāng) Q4出現(xiàn)高電平時，計數(shù)器清零復(fù)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-

22、微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。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=470,計算得 1.46Hz < f < 30.62Hz。電路中其它參數(shù)：R0=300K,R1=200K,R2=100K4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

23、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(dāng)作為同一種電阻接入了電路，導(dǎo)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)v°(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

24、。4.2數(shù)字部分?jǐn)?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(dāng)將 Q4輸出端與清零端相連，仿真結(jié)果出現(xiàn)了預(yù)期的結(jié)果。但是考慮到當(dāng) Q3輸出為高電平的時候，計數(shù)器清零， Q0-Q3應(yīng)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(dāng)Q

25、4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(dāng)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(dāng)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.仁0.37S頻率：fi =1? T -2.7Hz2）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：T2VT。通過