数电课程设计-投掷硬币电路设计.docx

郑州科技学院数字电子技术课程设计题 目 投掷硬币电路设计 学生姓名 x x x 专业班级 电器工程及其自动化x班 学 号 201xxxx 院 （系） 电气工程学院 指导教师 x x 完成时间 20xx年x月x日 目 录摘 要11 设计的目的22 设计任务与要求23 设计方案与论证33.1功能描述54 设计原理及功能说明65 单元电路的设计（计算与说明）86 硬件的制作与调试117 总结12参考文献14附录1：实物图15附录2：总体电路原理图16附录3：元器件清单17摘 要现如今在以信息和技术为基础的现代社会，人们面临更多的机会和选择同时，常常需要在不确定情境中根据大量无组织的数据做出合理的决策。社会发展统计学在人们的生活中变的越来越重要，由于随机现象在现实世界中大量存在概率必将越来越显示出它巨大的威力。随着社会的变迁，统计与人们的生活已经密不可分，你中有我，我中有你，生活离不开统计。我们设计的掷硬币电路则帮助人们解决简单的统计问题，而掷硬币是人们常用的一种随机决策方式。掷硬币电路模拟器使用了红绿两种颜色不同的发光二极管，它可以用不同颜色的灯光模拟演示投掷硬币的结果。每按一次控制按钮,红灯和绿灯中就有一个被点亮,相当于一次掷硬币的结果，这样可以更方便人们记录数据，从而节约人们的时间，方便人们的生活。统计学成为我们认识世界、了解世界、改造世界的工具，它与我们的生活更是息息相关，密不可分。电路多谐振荡器、随机控制电路和led驱动显示电路组成。1 设计的目的（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步体验，掌握数字电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。（2）学会掷硬币器的设计方法和性能指标测试方法。（3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。（4）设计并制作一个掷硬币器。（5）设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。（6）自拟试验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交给指导教师审核。 （7）批准后，进行组装、调试，并测试其主要性能参数。 2 设计任务与要求（1）设计任务 1利用7805、7905设计一个输出（59）v、1a的直流稳压电源。动手设计并制作一个投掷硬币模拟器，主要技术指标要求闭合开关时会随机点亮红色或绿色发光二极管;2设计出电路的结构、选择电路元件，计算出各个元件参数 ，画出实用电路原理图；确定随机控制电路、自激多谐振荡器、led驱动显示电路都能够正常工作。3查出测试所需仪器及元器件的规格、数量，进行组装、调试，并测试其主要性能参数，拟定试验方法、步骤及数据表格。4选择多谐振荡器、掌握自激多谐振荡器和随机控制电路的特性及应用5掌握多谐振荡器与555定时器区别。（2）设计基本要求 1、画出系统电路图，并画出变压器输出、滤波电路输出及稳压输出的电压波形； 画出变压器副边电流的波形。 2、输入工频220v交流电的情况下，确定变压器变比。 3、在满载情况下选择滤波电容的大小（取5倍工频半周期）。 4、求滤波电路的最大输出电压。 5、求电路中固定电阻阻值和可调电阻的调节范围。 （3）设计报告要求 1、画出完整的电路图。 2、画出整流、滤波、稳压各环节的电压波形。 3、选择各环节所用器件的参数。3 设计方案与论证4013 双d触发器 结构功能原理应用电路图3-1 4013cd触发器逻辑图图3-2 cd4013触发器4013 是集成触发器芯片，内部有两个独立的d触发器。每个触发器都有一个置位端（set),复位端（reset),时钟端（clock),数据输入端（data),两个输出端q和端。3.1功能描述当r为1、s为0时，无论d和cl（时钟）为什么状态，输出q一定为0，因此r可称为复位端。当s为1、r为0时，输出q一定为1，s称为置位端。当r、s均为0时，q在cp端有脉冲上升沿到来时动作，具体是q=d，即若d为1则q也为1，若d为0则q也为0。按下s1 ，r=1,电路复位，q端输出0，按下s2，s=1，电路置位,q端输出为1时三极管导通，继电器得电动作。按下s2后，继电器始终保持吸和状态，只有按下s1继电器触点才释放。此电路为 基本的rs触发器。当s1未被按下时，复位端r=0，否则如果r=l，电路将强行复位 q=0, 所充电荷通过r2向q端放电，最终使r=0，这是电路的稳态。当按一下s1，cp端电位由“0 到1 ，其上升沿触发电路传输d端的数据，因d=1，所以q=1，此为暂稳态。q端的高电位通过r2向c充电当c两端电压达到复位电平时则r=1，电路复位，q 端变为低电平0。暂稳态结束，电路回复到稳态。上图作为楼道灯延时关灯线路，稳态时，端为低电平，三极管 截止，继电器不工作，灯泡不亮 当按一下s1，电路进人暂稳态q=1，三极管饱和导通，继电器得电，其常开触点吸合接通梯道灯，灯点亮暂稳态过后，灯自动熄灭。暂稳态时间即为灯泡点亮的时间，由r2和c的参数决定。设在电源接通后的瞬间q 端精出为高电平，该高电平通过rp2向c2充电，当c2端电压上升到复位电平时，q 端为变为低电平，c2通过vd2向端放电 ,当q 端为低电平时，因为q 的倒相输出端，所以为高电平，该高电平通过rp1向c1充电。当c1端电压上升到置位电平时，电路置数，q 变为高电平，变为低电平,q端的高电平向c2充电，端的低电平使c1向它放电，如此循环 在q 和端交替出现高低电平，形成振荡。因电路的输出端q和没有一个稳定的状态 所以该电路叫无稳态振荡器：q端的振荡信号加到三极管的基极放大，推动扬声器发出响亮的音频叫声：振荡频率由rp1、rp2、c1，c2决定 因此也称为音频信号发生器交流220v电压经vd1vd4整流、r1限流、c1滤波及vs稳压后，为光控电路和执行电路提供+12v工作电压。白天，rg1和rg2受光照射而呈低阻状态，ic的s1端为低电平，r1端为高电平，q1端输出低电平，vt处于截止状态，k处于释放状态，照明灯el不亮。夜晚，rg1和rg2因无光照射或，使ic的s1端变为高电平，r1端变为低电平，q1端输出高电平，vt饱和导通，k通电吸和，其常开触头接通，el点亮。天亮后，rg1和rg2阻值下降，ic的q1端又输出低电平，vt截止，k释放，el熄灭。4 设计原理及功能说明掷硬币是人们常用的一种随机决策方式，这里介绍的掷硬币模拟器使用了红色、绿色两种灯光来模拟硬币的正、反两面，使用时按动一下开关，掷硬币模拟电路即会随机点亮红色和绿色发光二极管，相当于一次掷硬币的结果。电路原理图如图4-1所示图4-1电路设计原理图电路由自激多谐振荡器、随机控制电路和led驱动显示电路组成。自激多谐振荡器电路由与非门ic1a、ic1b和r1、r2、c1等组成，用于产生方波时钟脉冲信号。当按下开关s1时，ic1c与非门的第9脚输入端变为高电平，第10脚将输出自激多谐振荡器的时钟脉冲信号，该信号通过ic1c后加至ic2a的cp1端，ic2a在时钟脉冲作用下，在两种稳态之间变换，其q1和交替高电平和低电平，发光二极管led1和led2交替点亮。由于振荡器的工作频率较高，人眼存在视觉暂留现象故看上去led1和led2都在点亮。当松开s1时，ic1c输出端（第十脚）变为高电平且不再向ic2a发送时钟脉冲，ic2a输出端将停止交替变换，而处于随机显示状态，要么q1为高电平，q1为低电平，则绿色发光二极管led2点亮，红色发光二极管led1熄灭；要么q1为低电平，q1非为高电平，则红色发光二极管led1点亮，绿色发光二极管led2熄灭，从而达到硬币正、反面的显示效果。电路的工作原理，由掷硬币模拟器电路由时钟脉冲发生器和双稳态触发器等组成。电路中，时钟脉冲发生器电路由四与非门集成电路ic(d1d4)内部的d1、d2和电阻器r1、r2、电位器rp、电容器c、二极管vd1、vd2组成；双稳态触发器由ic内部的d3和d4组成。s1为动断（常闭）型控制按钮，它并联在c两端，使时钟脉冲发生器处于停振状态。按动s1后，s1断开，时钟脉冲发生器振荡工作，使双稳态触发器的两个输出端（ic的3脚和4脚）交替输出高电平，发光二极管vl1和vl2交替发光。松开s1后，双稳态触发器由于失去触发时钟脉冲而停在双稳态的某一种稳态上，ic的3脚或4脚输出高电平，使红色发光二极管vli或绿色发光二极管vl2发光。vl1发光，表示此次掷硬币的结果为硬币的正面；vl2发光，表示硬币的反面。元器件选择rp选用微型密封式可变电阻器。c选用独石电容器。vd1和vd2均选用1n4148硅开关二极管。vl1和vl2选用3mm或5mm的高亮度发光二极管，也可合用一只三端双色发光二极管。5 单元电路的设计（计算与说明）多谐振荡器的工作原理多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。电路图如下图图5-1多谐振荡器电路图双d触发器 双d触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和q及q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在d输入端的逻辑电平传送到q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。图5-2 d触发器 led驱动器 led驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动led发光的电压转换器，通常情况下：led驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而led驱动电源的输出则大多数为可随led正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。图5-3 led驱动器6 硬件的制作与调试 利用烙铁焊接，对照原理图安装元器件并焊接。我们将所有的元器件安装完成后，必须仔细对照电路图检查线路焊接是否正确，看有没有线路接错的地方。然后接通6v电源，按下主电路开关反复测试红色发光二极管和绿色发光二极管亮的次序是否符合要求，如果不符合要求断开电源 ，仔细分析原因，检测此部位的元器件是否存在焊接错误的情况。再对整体电路进行分析排查，看是否有元器件因为连接短路而烧坏的，逐级进行。反复调试，直到找到问题所在。如果检查线路连接无误接通电源。由于调整r3、c2的参数值可以改变自激多谐振荡器的振荡频率。由于元器件不是特别精确，焊接线路的电阻比理想中的电阻大，得到的数据和理论值有些误差，这些误差都是存在的，且在允许的范围内，所以一般我们都把误差忽略掉。7 总结在没有做课时设计以前，我们对一些集成电路的了解都是理论上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的方案应用到实践中的时候，问题也随之出现了，自己不能准确找到集成电路4011和4013的各个引脚及其功能，虽然通过查资料也一一解决了问题，但是这花费了我很多的时间，因此刚开始焊接时我们的焊接进度落后于其他同学，可能是因为差了很多资料吧，幸运的是我们焊接的电路没有出现其他问题，通过这次实训我认为电路能否焊接成功的关键是是否正确知道各个集成电路的引脚和功能。通过这次实训我对集成电路4011和集成电路4013的理解得到加强，看到了实践与理论的差别。加深了我们对理论与实践联系的理解，促进了我们运用知识解决具体问题的综合应用能力，特别是对集成电路4011和4013的应用、理解上升到了更深的一个层次。但是由于水平有限，我们的课程设计难免会有一些错误和误差。在老师的带领下，我终于顺利完成的课时设计。在没有做课时设计以前觉得课时设计只是对这一年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课时设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一次检验，而且也是对自己动手操作能力的一种提高。通过这次课时设计让我明白了原来自己的知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。 其实我们第一次通电时并未成功，然后我和我同伴分头行动，我认真检查焊接的每一个结点是否正常通电，而他去问李老师可能出现的理论错误，在老师的帮助下，最后我们终于成功了，在此我要感谢老师给予我们的帮助。在这次数电课程设计中我学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。同时也培养了独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。参考文献 1阎石编著：数字电路电子技术基础m，北京，高等教育出版社。 2清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编：模拟电子技术基础m。北京，高等教育出版社。 3薛文、华慧明编著：新编实用电子技术快速入门m，福州，福建科学技术出版社。4 周政新，电子设计自动化实践与训练m。北京：中国民航出版社。5 蒋璇 、藏春华，数字系统设计与 pld应用技术m。北京：电子工业出版社 。 6 徐志军 、徐光辉， cpld/ fpga 的开发与应用m。北京：电子工业出版社。 7 沈嗣昌，数字