（机械工程专业论文）数字电路及eda实验系统设计及其应用.pdf

摘要 摘要 培养大批应用型、技能型人才是我国高职教育的目标，实验教学是理论联系 实际的重要环节，对培养高职学生的技术应用能力、创新能力具有不可替代的 作用。而先进的实验教学要以先进的实验设备为物质基础。数字电路是高职电 类专业一门技术基础课，具有较强的实践性。本研究针对高职学生学习特点， 以高职学生数字电路实验课程的教学大纲为指导，重点研究了数字电路实验系 统的设计及其应用。该数字电路实验系统基本满足高职院校学生的教学需求， 通过实验系统可以达到锻炼学生的动手操作、扩展电路、软硬件结合以及实现 仿真等教学目的。主要研究内容和成果包括： ( 1 ) 概述并分析了现有数字电路实验系统的发展现状。 ( 2 ) 设计了适合高职院校教学使用的全开放式数字电路及e d a 实验系统， 并对其各个模块进行了详细分析。包括7 数码管及其驱动电路、c p l d 芯片接口 电路、扫描驱动类接口电路、通用数字接口电路、模拟器件及接口电路、稳压 电源、时钟源、单脉冲及相位滞后脉冲等组成部分。 ( 3 ) 应用研制的实验系统，针对培养应用型、技能型人才的高职教育的目 标，以能力培养为核心，编排了1 7 个所需开设的实验内容。具体的实验可分为 三类：基础性实验、设计性实验和综合设计性实验。 ( 4 ) 本研究采用了m a x + p l u s l l l 0 2 和e w b 5 0 c 软件实现电路仿真。采用先 进行软件仿真，后构建真实电路的方法。提高了实验成功率，减少了实验器材 的损耗。 关键词：数字电路、e d a 、系统设计、实验设计、仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t c u l t i v a t i n gal a r g en u m b e ro fa p p l i c a t i o n o r i e n t e d ，s k i l l s - b a s e dt a l e n t si s t h e g o a lo fc h i n a sv o c a t i o n a le d u c a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gi s a l li m p o r t a n t l i n ko f t h e o r yw i t ht h ea c t u a l ，w h i c hp l a y sa ni r r e p l a c e a b l er o l eo ft m i n i n gv o c a t i o n a l s t u d e n t st e c h n o l o g ys k i l l sa n di n n o v a t i o n d i g i t a lc i r c u i ti sap r o f e s s i o n a lt e c h n i c a l f o u n d a t i o nc o u r s e sa n dh a ss t r o n gp r a c t i c a l i t y t h i sr e s e a r c hf e a t u r e st h es t u d yo f v o c a t i o n a ls t u d e n t sa n dg u i d e db yt h ed i g i t a lc i r c u i te x p e r i m e n tc o u r s ec u r r i c u l u m ， f o c u so nt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fd i g i t a lc i r c u i te x p e r i m e n t a ls y s t e m t h ed i g i t a l c i r c u i te x p e r i m e n t a ls y s t e mb a s i c a l l ym e e tt h et e a c hn e e d so ft h es t u d e n t si n v o c a t i o n a lc o l l e g e s t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mc a nb ea c h i e v e dt r a i n i n gs t u d e n t s h a n d s o p e r a t i o n ，e x p a n d i n gc i r c u i t ，h a r d w a r e a n ds o f t w a r ei n t e g r a t i o na n dt h e r e a l i z a t i o no fs i m u l a t i o no ro t h e rt e a c h i n gp u r p o s e s m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t s i n c l u d e ： ( 1 ) s u m m a r i z e da n da n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ee x i s t i n gd i g i t a lc i r c u i t s y s t e m ” ( 2 ) d e s i g n e dt h e 丽d e - o p e nd i g i t a l c i r c u i ta n de d ae x p e r i m e n t a ls y s t e m s u i t a b l ef o rt h ev o c a t i o n a lc o l l e g e t e a c h i n g ，a n dd e t a i l e da n a l y z e de a c hm o d u l e ， w h i c hi n c l u d i n g7d i g i t a lc o n t r o la n dd r i v ec i r c u i t , c p l dc h i pi n t e r f a c ec i r c u i t s ， s c a n n i n gd r i v et y p ei n t e r f a c ec i r c u i t s ，u n i v e r s a ld i g i t a l i n t e r f a c ec i r c u i t s ，a n a l o g d e v i c e sa n di n t e r f a c ec i r c u i t s ，p o w e rs u p p l y , c l o c ks o u r c 圮，s i n g l ep u l s ea n dp h a s el a g p u l s e ，a n ds oo n ( 3 ) b yu s i n gt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e ma n de n c i r c l i n gt h ec x ) r eo fa b i l i t yt r a i n i n g ， a b o u t17e x p e r i m e n t sw a sd e s i g n e d i tw i l la c h i e v et h eg o a lo fv o c a t i o n a le d u c a t i o n t ob r i n i n gu pt h ep e r s o nw i t ha b i l i t y t h e r ea r e3k i n d so fe x p e r i m e n t s ：f u n d a m e n t a l e x p e r i m e n t s ，d e s i g n i n ge x p e r i m e n t s ，a n di n t e g r a t e dd e s i g n i n ge x p e r i m e n t s ( 4 ) t h e s ee x p e r i m e n t si n t r o d u c em a x + p l u s l l l 0 2a n de w b 5 0 cs o f t w a r et o r e a l i z et h ec i r c u i ts i m u l a t i o n am e t h o do fs o f t w a r es i m u l a t i o nf i r s ta n dr e a lc i r c u i t c o n s t r u c t i o ns e c o n di sa d o p t e d b yu s i n gt h i sm e t h o dt h es u c c e s sr a t eo fe x p e r i m e n t s i si m p r o v e d ，a n dt h ew a s t eo fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t si sr e d u c e d k e yw o r d s ：d i g i t a lc i r c u i te d as y s t e md e s i g n i n ge x p e r i m e n t sd e s i g n i n g s i m u l a t i o n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：铩抓翌签字日期：硼g 年6 月房日学位论文作者签名( 手写) ：椿f 聚丝签字日期：硼 f 年6 月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：保，；永整 签字日期：m 8 年匆月侈日 导师躲伽坼 料醐一削月多日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 随着我国社会和经济发展的需求，对高等应用性专门技术人才的需求量大 幅增长。高等职业技术教育事业也在蓬勃发展，高等职业教育不应是普通本科 教学的“压缩饼干，而应紧紧围绕，人才市场的竞争及生源的实际状况，来确 定办学思路、培养目标、教学计划和实施方案，以求得自身的生存和发展。高 职教育的“重头戏”是能力培养，因此实践教学环节非常重要。正确的实践教 学理念和体系的实现，必须有实验室、设备等相应的条件和手段来保障。对于 电类专业的高职学生必须要有一个能够达到高职教育教学目标的实验器材，而 现在市场上的所生产的数字电路实验箱针对性不强，不能完全满足高职院校学 生的教学需求。在教师需要利用现有实验箱来达到锻炼学生的动手操作、扩展 电路、软硬件结合以及实现仿真等实验目的的时候，往往显得力不从心。 近年来数字电子技术的发展非常快，尤以器件的发展为最快。有资料表明， 每隔1 8 个月，器件性能就要翻一番；每过五年应用技术就要被淘汰一半。在这 样的应用基础上，数字电路被确定为相关专业的一门实践性技术基础课，对数 字电路实验的开展也提出了越来越高的要求。这其中包括实验设备是否具有跟 随市场发展可以不断更新实验内容的功能，以及现阶段数字电路实验内容的设 置等问题。 1 2 数字电路实验系统的发展现状 当前能用来进行数字电路实验和设计的实验器材多种多样，即使是“固定 功能集成块+ 连线”实验模式的装置，也向着功能集成度越来越高的方向发展。 如最早在大学课程实验中所用的8 2 2 8 型微机实验器，它就是一个全开放式的实 验装置，可以做数字电路中各种电路的实验及自行设计实验电路，与单板机配 合也可以做微机实验。又如由国内公司研制的n i c e h 万能实验器也基本属于这 一类，但它涉及的电子技术领域非常广泛，是集常规电子电路、可编程数字逻 辑电路以及单片机系统等为一体的实验装置，故称万能实验器，其最大的特点 是模块化设计。万能实验器主机是由精制成的印制电路板和其上安装的公用模 第1 章绪论 块组成。这些公用模块不仅可以完成独立的电路实验功能，而且各模块之间可 以通过级联来完成相关的各种实验。印制电路板上的各模块按编号有：a 、b 、 l e d 、e 、l k 和可编程、单片机模块。( 1 ) a 模块。由与非门7 4 l s 0 0 组成的振荡 器，可提供脉冲信号源。利用印制板上提供的各种阻容器件对7 4 l s 0 0 外部电路 的代换完成低频、音频、高频信号发生器实验。实验中附有l e d 显示。( 2 ) b 模 块。由功放集成电路t d 2 8 2 2 s 组成。可制作各种功放电路( 输出功率1 3 5 w ) ，如 双通道功率放大器，单声道的b t l 电路。( 3 ) l e d 数码模块。由两支l e d 数码 管组成共阴极的四位l e d 0 一- l e d 3 显示，可制作各种数字和字符实验。( 4 ) e 模 块。由电位器和6 v 继电器组成的继电器实验电路，也可和其它实验电路级联， 组成控制电路。( 5 ) l k 模块。这是由8 只发光二极管l e d 和8 只按钮开关组成 的l e d 显示电路，可提供基础的开关电路实验。同属此类的还有王振宇等人研 制的s l s - i 型实验机；西安罗庚合等人研制的i c i i i 型实验箱及浙江张伟等人研 制的m d s i i i 型实验箱。北京华晟高科教学仪器有限公司出品的d d 2 0 0 0 数字电 路实验装置是其开发的微处理器通用教学实验平台m c l 0 0 0 微处理器实验中心 的一个模块。以上实验系统最大的特点是提供的系统模块大部分为半开放式连 线模块；在其系统模块实验中，操作者不需要连接每一根线，在清晰了模块的 原理后，只需连接关键线路。由于是半开放式设计，因此操作者的操作范围较 小，实验灵活性受到了很大的限制。 因此本实验系统考虑用全开放式设计，整个实验过程都要操作者自行动手， 这样灵活性大大增强，也因为如此连接电路出错的机会将会大大增加，这种实 验方式对实验器材的损耗非常大。为了降低损耗，也就促成了“虚拟实验室 的提出，利用计算机软件搭建数字电路实验平台，大大提高了实验的灵活性和 效率。它通过仿真技术和多媒体技术等，使实验者可以在计算机上搭建电路模 拟真实的实验，其优点在于：( 1 ) 不受实验仪器和实验条件的制约，通过计算机 仿真，不论实验电路多么复杂，测试要求多么高，都可以仿真和模拟，从而得 到预期的实验结果。学生可以通过自己的需要延长实验时间，不必局限于实验 课的二个学时之内。( 2 ) 计算机仿真实现了实验耗材最低消耗，经计算机仿真模 拟和反复修改，得到预期结果后，再用电子器件构成实际电路，学生不必担心 烧毁元器件或操作不当损坏仪器仪表。( 3 ) 较易测试元器件参数变化( 包括故障) 对电路造成的影响，分析一些在传统实验中较难表达的电路特性。如仿真、延 时特性等。( 4 ) 由于在计算机上模拟出实验室的环境、仪器设备和元器件，有利 2 第1 章绪论 于学生平常自觉的进行虚拟实验，更能突出实验教学中以学生为中心的开放式 实验教学模式，培养学生的综合分析能力、设计能力和创新能力等。随着电子 设计自动化( e d a ) 技术的发展，许多先进的e d a 工具软件不断出现，使得电子 系统设计、逻辑设计、电路设计、参数设计直到印制电路板的设计，以及电路 的功能仿真、时序分析、自动测试等都可以利用计算机来完成。如e l e c t r o n i c w o r k b e n c h ( e w b ) 是加拿大i n t e r a c t i v ei m a g et e c h n o l o g i e s 公司于8 0 年代末9 0 年 代初推出的专门用于电子线路仿真的“虚拟电子工作台”，是一种较简单直观的 e d a 软件。它采用数学模型和仿真算法，以电路理论为依据，无需任何实际元 器件，在输人准备实验的电路及元件参数后，软件会对电路的特性，包括静态 特性、动态特性、频率特性、传输特性、逻辑关系等进行分析；仿真仪器仪表 可将电路测试点的波形和数据显示和读出来，通过对话，可输出电路最佳工作 状态时的各元件参数，能方便地应用在实验教学中。又如m a x + p l u si i 是美国 a l t e r a 公司研制的一种p l d 软件开发系统，用它来实现数字电路实验的仿真和 设计。以上两种软件，在国内部分理工类大学都开设有相应的e d a 实验室，作 为电子电路实验平台使用。 但是虚拟实验方法也有它自身的优势造成的缺点：虚拟实验采用虚拟环境， 虚拟元器件，虚拟的仪器仪表，与真实的实际应用的设备还有一定的差距，元 器件是以器件符号形式出现，与真实器件不同，同时使用虚拟元器件，无法使 学生掌握对真实元器件进行引脚功能判断的方法，无法掌握实际电路元器件的 安装与连接的方法等，并且实际电路中电子线路与元器件之间的相互干扰问题 等也是虚拟实验所无法表达的。 因此通过对传统实验方法和虚拟实验方法进行比较，从中可以看到虚拟实 验的广阔前景，看到虚拟实验在辅助教学中的长处，但是，也应该看到，虚拟 实验是以计算机为平台，尚不能培养学生电路连接，电路调试、仪器操作的实 践能力，目前还必须以传统实验为基础、为主要手段，以虚拟实验为辅助，由 此萌发出“虚实结合”的实验方式。首先在传统实验之前先运用虚拟实验的方 法在计算机软件平台上构建实验电路和初步的软件仿真，然后将设计好的相应 程序线路数据线下载到实验系统中的e d a 实验面板上进行实际验证，如果实验 结果正确则开始着手使用真实元器件在到实验系统中的数字电路实验板上进行 线路的连接，在保证电路本身正确的基础上，可以大大减少实验器材的损耗。 同时学生在排除实验过程中所出现的故障的同时也可以训练自己的电路维修能 3 第1 章绪论 力。，这种要求学生在实验前必须用上面介绍的e d a 工具之一先进行虚拟仿真， 再完成硬件实验测试，实验指导方法更趋灵活、丰富。 1 3 课题意义及研究的主要内容 1 3 1 课题研究意义 数字电路是电类专业的必修课程，具有很强的实践性。数字电路实验在数 学电路教学中占有非常重要的地位，可以加强学生对理论知识的理解和掌握， 培养学生的工程设计能力和实际动手能力。数字电路实验内容广泛，分基础性 实验、设计性实验、综合设计性实验等三大类。由于各专业教学内容和重点的 不同，开设的实验实训项目差别较大，这就给数字电路实验仪器设备的配置提 出了较高的要求。目前各大高职院校主要采用数字电路实验箱作为实验设备， 但当前的实验箱在实际使用时存在诸多不便，如：基础性实验项目固定，缺乏 灵活性，不利于高职院校各专业实验教学的特色开展；无法完成综合性实验， 不能发挥学生学习的主动性和独创性；不能完成e d a 实验，与数字电路理论课 程的改革不相适应等。因此，如何制作出一台能够满足高职学生教学的实验系 统，通过该系统来达到高职教育预期目标，并且能够为学校的实验室建设节约 多一些的经费，就是研制数字电路及e d a 实验系统所具有的重要意义。 本研究根据实际教学要求，利用c p l d 器件重新设计了一套数字电路及e d a 实验系统，可以较好的满足数字电路各类实验的教学需要。 1 3 2 研究内容 本课题主要研究的是数字电路及e d a 实验系统并且要实现之。 研究内容具体包括有以下几部分： ( 1 ) 数字电路及e d a 实验系统总体方案设计，包括结构设计和电路原理 设计； ( 2 ) 实验系统各个模块的设计、仿真及硬件实现； ( 3 ) 基础性实验的设计、仿真及硬件实现； ( 4 ) 设计性实验的设计、仿真及硬件实现； ( 5 ) 综合设计性实验的设计、仿真及硬件实现： 4 第2 章系统总体方案设计 第2 章系统总体方案设计 2 1 系统的组成 培养大批应用型、技能型人才是我国高职教育的目标，对于达到培养目标的 具体途径，目前正在探索和实践中，可谓仁者见仁、智者见智。但无论怎样，培养具 有较强动手能力的人才必须以大量贴近实际的实验、实习、实训教学为基础，而 大规模的实验实训基地的建设是这些实践教学得以顺利开展的物质前提。因而， 各高职学校在实验仪器设备和实验教学管理上都加大了资金和人员投入，纷纷建 立实验设备齐全的实验室和实训基地，为实验教学的开展提供基本保障。高职教 育的人才培养模式应该是以适应生产、建设、管理、服务第一线需要的高等技 术应用型专门人才为根本任务；以适应社会需要为目标；以培养技术应用能力 为主线；以突出职业性、实践性、适应性和地方性为特点。而教学实践恰恰就 是将课堂上所讲的理论知识转化为实际的动手能力，通过多方途径，强化学生 的专业技术水平，强化学生的实践能力。本研究系统就是在此基础上研制的。 系统由数字电路实验平台、e d a 电路实验平台和p c 机组成。 其中的电路实验平台要能够按照高职专业的学生特点开展实验，根据实验 平台所需要完成的实验内容，来具体设计实验平台。实验平台应该包括以下部 分的设计：稳压电源、双列直插i c 圆孔插座、时钟源、单脉冲及相位滞后脉冲、 逻辑电平开关和发光二极管l e d 、7 数码管及其驱动电路、c p l d 芯片接口电路、 扫描驱动类接口电路、通用数字接口电路、模拟器件及接口电路等部分。 关于p c 操作部分，本研究研制的实验系统用m a x + p l u si i 软件来进行实验 操作。m a x + p l u si i 软件的设计输入方法有多种，主要包括原理图输入方式、文 本设计输入方式、高级设计输入方式、波形设计输入方式、层次设计输入方式 和底层设计输入方式等。在利用m a x + p l u si i 软件的数字电路的教学中，经常采 用的是原理图设计输入方式、文本设计输入方式和波形设计输入方式。同时也 可以使用e w b 5 0 c 作为辅助的仿真软件。 2 2 稳压电源的设计 数字电路实验箱是脉冲与数字电路实验的最基本的设备之一，全部的数字 5 第2 章系统总体方案设计 逻辑电路都要在实验箱上通过正确的搭接线路实现其逻辑功能，而稳压电源是 其中的一个重要部件。实验系统上一般装有四路直流稳压电源( 5 v 、1 a 及、 1 2 v0 7 5 a ) 。现有的实验系统，在实验过程中，往往因学生操作不当而将1 2 v 稳压电源短路致使保险烧断，而且更换保险非常烦琐，大大延误学生的实验时 间，也增加了实验人员的工作量。为此，本研究针对现有实验箱稳压电源的缺 陷进行改进，增加了过流保护电路。实验过程中若因某种原因使负载电流过大 造成电源短路，可以通过面板上的恢复按纽，使电源迅速恢复正常工作，确保 实验顺利进行。 2 。2 1 1 2 v 集成稳压器的工作原理 集成稳压电源的电路如图2 2 1 所示。 图2 2 1 集成稳压电源原理图 图2 2 1 中给出的是1 2 v 电源原理图及过流保护电路，+ 1 2 v 电源过流保护 原理与此相同。从图2 2 1 中可以看出，实验箱的稳压电源采用的是l m 3 1 7 三 端可调输出电压集成稳压器，它有3 个引出端，输人端、输出端和调节端。正 常工作时，集成稳压器的输出电压是调节端的电压加上基准电压1 2 5 v ( 参考点 为地 ) ，基准电压的取得，是由集成稳压器内部电路所决定，它由5 0 ua 的电流 源驱动，电流由调节端流出，因此输出电压为： v o = 1 2 5 * ( 1 + r 3 r 1 ) + 5 0 1 0 击* r 3 6 第2 章系统总体方案设计 从输出电压计算式可知，只要改变电阻r 3 的大小，就可以改变输出电压的 大小。 而其中集成稳压源7 8 0 5 的设置是给l m 3 1 7 的调节端提供5 v 电源的，它 能使l m 3 1 7 集成稳压器的输出从1 2 v 调至0 v 。 2 2 2 过流保护电路的设计 图2 2 1 中虚线部分是过流保护电路，它主要由光电耦合器、三极管及可控 硅组成。 光电耦合器是一种将发光管和光敏管封装在一个固定的光路内的光电传感 器件，它主要用于各种要求电气隔离而信号正常传输的场合。 由于电信号的传递是通过光束来进行耦合的，所以光电耦合器的输出端对 输入端无反馈影响，信号只能单向传递，具有优良的隔离性能及抗干扰性能。 电流传输i ：i f , ( c t r ) 是光电耦合器的一项重要参数。在直流工作状态下，它表 示光敏管输出电流i c 与发光管输入电流i f 之比，用表示，即： c t r = i c i f ( ) 。 从式中可以看出c t r 越高，说明光电传感效率超高，因此要得到同样的输 出电流，只需要较小的输入电流，这是本电路采用光电耦合器的重要原因。 可控硅元件是具有3 个电极的半导体整流器件，它除了象整流二极管一样 有单向导电特性外，还具有受控特性，即可用小信号来控制较大的输出电流或 电压。 可控硅是一种p n p n4 层半导体器件，如图2 2 2 所示，有3 个引出电极， 最上面p 型层引出一个电极称为阳极( a ) ，最下面n 型层引出电极称为阴极( k ) ， p 型层引出电极称为栅极( g ) 。 阳橙( a ) 撮( g ) 阴援( k ) 图2 2 2 可控硅内部结构图 7 第2 章系统总体方案设计 因为可控硅是p n p n 4 层器件。它具有3 个p n 结，又可近似认为由3 个二 极管串接，如图2 2 3 所示，因此它与一般整流二极管有不同的特性。 图2 2 3 二极管等效电路图 ( 1 ) 在阳极加正电压，而阴极接负电压，由于中间一个p n 结二极管d 2 处在反向状态，可控硅不导通。 ( 2 ) 当阳极加正电压，阴极接负电压，而栅极同时接一正控制电压时，可 控硅导通。这可用图2 2 4 中2 个三极管环接等效电路来说明，当栅极g 加正电 压u g 时，栅极输入电流为i g ，使t 2 导通，而t 2 集电极电流为z l g ，这时t 2 集 电极电流输人t 1 基极，使t l 导通，因t l 基极电流等于t 2 集电极电流( 即 厶，2 屈g ，而t ，2 屈厶- 。屈殷，g ) ，i 。l 又重新输入到t i 基极，使t z一步导 通，这样形成一个正反馈环路，使2 个晶体管都进人饱和导通状态。因此可控 硅的导通条件有2 个，除阳极加正电压外，栅极还必须加正控制电压。 ( 3 ) 一旦可控硅导通后，即由t l 的集电极电流供给t 2 的基极电流，这时 t 2 基极电流己足够有余，所以既使除去栅极控制电压u 。时，t l 、t 2 仍继续导通， 只有当阳极电压减小至接近零时，可控硅才截止。 g a t 2 图2 2 4 三极管环接等效电路图 8 第2 章系统总体方案设计 电源过流保护电路正是利用了光电耦合器及可控硅的特性，使负载过流或 电源短路而起到对稳压电源的保护作用，其工作原理为： 集成稳压器在正常工作时，由于三极管t 不导通，光电耦合器和可控硅都 不起作用，集成稳压器输出为1 2 - , - 0 v 可调电压。 若当负载电流大于0 7 a 时，在取样电阻r 5 ( 1 f 2 、2 w ) 上产生大于0 7 v 的电 压，使三极管t 瞬间导通，光电耦合器开始工作，它给可控硅栅极提供一触发 电平，使可控硅导通，由于可控硅的作用，使得集成稳压器调节端的电压迅速 下降，图中a 点的电压降在1 2 5 v 以下，集成稳压器的输出为o 。一旦按下恢 复按纽，可控硅立即回到保护前的状态，集成稳压器迅速恢复正常工作，从而 有效的保护了集成稳压电源。电路中心、c 5 是为了防止因某些干扰信号造成可 控硅误动作而设置的。若因其它原因造成电源短路，其保护电路的工作原理与 负载过流情况也是一样的。 2 2 3 指标测试 ( 1 ) 测试仪器 万用表：f u l k ( 2 ) 指标测试 输出电压范围测试，测试数据如表2 2 1 。 表2 2 1集成稳压电源测试数据 输出电压 预置电压 第一次第二次第三次 1 2 1 2 31 2 1 1 8 5 5 o - 4 9- 5 1 o00o 1 55 15 1 4 9 1 21 2 11 2 11 1 9 由以上数据可知，此集成稳压电源工作稳定，满足学生实验要求。同时由 于设计了过流保护电路，可以减少不必要的资源损耗，确保实验顺利进行。 9 第2 章系统总体方案设计 2 2 4 5 v 集成稳压器的设计 r m l 7 s 0 5 t 4 - ： 一 i ：= ： _ - ； 一 - 7 j s zz三 0 】0 一 三 i i 0 0 1 ，3 ；o t ：3 5 v 一 、一 - 图2 2 5+ 5 v 电源原理图 l a 集成稳压电源的电路如图2 2 5 所示。图2 2 5 中给出的是+ 5 v 电源原理图 及过流保护电路，5 v 电源原理与此相同。 2 3 双列直插i c 圆孔插座的设计 i 数字电路实验在不同阶段有不同的侧重点。初始阶段需做门电路实验、组 合逻辑实验，接着是时序逻辑实验。为了适应这些要求，实验台上安排了2 0 个 圆孔双列直插插座，1 4 芯插座6 个、1 6 芯插座6 个、2 0 芯插座2 个、2 4 芯插 座2 个( 宽、窄各1 ) 、2 8 芯插座2 个、4 0 芯插座2 个。这些插座供安装中、小规 模器件使用，也可以插电阻、电容等元器件。器件引脚通过自锁紧插座对外接 线。 2 4c p l d 器件下载及实验电路的设计 实验台上的芯片下载装置是a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 下载板。2 个 下载插座，连同两条下载电缆，构成两套下载和实验系统，供综合实验或者系 统实验使用。这两个插座的电源和地在印制板上已分别连接好。面板如图2 4 1 ， 电路原理如图2 4 2 所示。 1 0 寸篙 第2 章系统总体方案设计 图2 4 1e d a 实验面板 图2 4 2e d a 实验面板电路原理图 其软件操作环境是a l t e r a 公司开发的软件m a x + p l u si i ，其特点如下： l 、运行环境、i n 9 5 9 8 x p 或者n t 4 0 。 2 、层次化设计支持。 3 、原理图输入支持。 4 、文本输入支持。 第2 章系统总体方案设计 5 、a h d l ，v h d l 输入支持。 6 、全仿真功能仿真支持。 7 、逻辑综合支持。 8 、硬件编程下载支持。 9 、原理图设计宏库基本库。 1 0 、支持芯片c p l d f p g a 2 5 时钟源的设计 实验系统还提供1 路可调频率的时钟，输出频率为1 h z 一- 2 5 0 h z 的可调方波 信号。 2 5 1 键盘输入部分的设计 输入部分的主要作用是通过小键盘的数字键0 - - 一9 完成欲产生方波频率值的 输入操作。输入频率每次以输入e 键表示结束。 l 、硬件线路设计 图2 5 18 2 5 5 a 与小键盘接线原理图 硬件线路设计如图2 5 1 所示，可编程并行接口8 2 5 5 a 的p a 口( 8 位) 接小键 盘的行线，p b 口的两位p b 0 、p b i 接小键盘的列线，构成一个8 2 个键的矩 阵结构。当l 号键按下时，则第6 行线和第l 列线接通，形成通路，如果第6 行 1 2 第2 章系统总体方案设计 线为低电平，则由于键l 的按下，会使第l 列线为低电平，此时说明l 列有键按 下，其它列没有键按下，然后再查看行线有哪个键按下，按下键的那一行线( 如 6 行) 为低电平，其它行的键没按下则为高电平，因此得到唯一的键值。矩阵式 键盘工作时，是根据行线和列线上的电平来识别闭合键的。 2 、键盘的编程 程序使c p u 通过8 2 5 5 a 的输出端口向各行线上全部送低电平，然后读入列 线值，如果此时有键按下，则使某一列线值为0 。然后程序再把行线端口改为输 入方式，把列线端口改为输出方式，再读入列线值，此时闭合键所在的值必定 为o 。因此，当一个键被按下时，一定可以读到一对唯一的行值和列值。 在程序中，可将各个键对应的代码( 列值和行值) 放在一个表中，程序通过查 表的方法确定按下的是哪个键。 程序清单如下： d a t as b g m e n t t a b l ed w0 1 0 1 h ，0 1 0 2 h ，0 1 0 4 h ，0 1 0 8 h ，0 11 0 h ，0 1 2 0 h ，0 1 4 0 h ，0 1 8 0 h d w0 2 0 1 h ，0 2 0 2 h ，0 2 0 4 h ，0 2 0 8 h ，0 2 1 0 h ，0 2 2 0 h ，0 2 4 0 h ，0 2 8 0 h d w0 4 0 l h ，0 4 0 2 h ，0 4 0 4 h ，0 4 0 8 h ；键盘代码表 c h a rd bc d e f b a 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ；与代码对应的字符表 c h a r me md b8d u p ( 0 ) ； 键入频率值存储内存区 r e s u l td w? ；键入频率值转化为二进制数内存区 s se g c o d ed b0 c o h ：定义0 9 的七段l e d 代码表 d b0 f 9 h ，0 a 4 h ，0 b o h ，9 9 h ，9 2 h d b8 2 h ，0 f 8 h ，0 8 0 h ，9 8 h d a t ae n d s s t a c ks e g me n td b6 4 d u p ( ? ) s t a c ke n d s c o d es e g m e n t m a i np r o f a r a s s u mec s ：c o d e ，d s ：d a t a ，s s ：s t a c k s t a r t ：m o va x ，d a t a mo vd s ，a x m o va x ，s a t c k mo vs s ，a x l o p ：c a l lk e y ；转键盘扫描程序 c m pd l ， e ：键入的是结束字符“e ”? 刷zl o p c a l ld i s p l a y 频率显示程序 第2 章系统总体方案设计 c a l lt r e c ；将a s c i i 码表示频率值转化为二进值 c a l l f r e q 产生指定频率 r e t m a i ne n d p k e yp r o cn e a r ；键盘扫描程序 l p i -m o va l ，8 2 h m o vd x ，c t l o u td x ，a l w a l t l ：m o va l ，0 0 ；a 口输出全0 m o vd x ，d a 5 5 o u td x ，a l m o vd x ，d b 5 5 ；b 口读歹0 值 n 、ia l 。d x c m pa l ，o f f h ：列线全为i j zwa i t l p u s ha x ： 保存列值 p u s ha x m o vc x ，1 0 0 0 h ；延时去抖动 l p 2 ：l o o pl p 2 mo vd x ，c t l mo va l ，9 0 h o u td x 。a l m o vd x ，d b 5 5 ；b 口输出保存的列值 p o pa x o u td x ，a l m o vd x ，d a 5 5 ：从a 口读入行值 附a l ，d x p o pb x mo va h ，b l n o t a x ；将行列值求反 m o vs l ，o f f s e tt a b l e m o vd i ，o f f s e tc h a r m o vc x ，1 6 l p 3 ：c m pa x ，【s i 】；和键表比较 j zl p 4 d e cc x j zl p l a d ds l ，2 i n cd l 第2 章系统总体方案设计 j mpl p 3 l p 4 ：m o vd l ，【d l 】：将键入字符送d l p u s hd x m o va l ，8 2 h ：设a 口为输出方式，b 口为输入方式 mo vd x ，c t l o u td x ，a l w a i t 2 ：m o va l ，0 0 ；a 口输出全o m o vd x ，d a 5 5 o u td x ，a l m o vd x ，d b 5 5 ；从b 口读出列值 i na l ，d x c m pa l ，0 f f h ；键释放了吗? j n zw a i t 2 p o pd x m o vb y t ep t rc h a r m e m ， d lr e t k e y e n d p 2 5 2 八位频率显示器接口的设计 图2 5 2 为8 位l e d 接口电路，共有8 个七段发光二极管，8 个显示器共用 同一组段代码输出线，但通过数位选择线，在任何时间内只有一个显示器能够 显示其代码。在图中8 个显示器上显示8 位数，每个显示器显示其中一位数。 为了实现这一功能，可让每个显示器接通2 m s ，以显示其对应的数，并且保证周 而复始地逐个显示这8 位数。这样，人看上去好象8 个显示器都在同时显示。 r r 位选码 - i l - _ 5 二 ： ll- p o -i_i 7 6 l 5 1 4l 3 l 2 1 1p 8 2 5 5 人 m r j r5r 1ejr5r 气 al li lillfed c b ，一7 d p iiliii1i 段选码 p 矗o 图2 5 28 位数字显示器接口电路 第2 章系统总体方案设计 图中8 2 5 5 a 作为8 位数字显示电路和微处理器的接口芯片，端口a ( 口地址 为o f f f s h ) 和b ( 1 2 1 地址为0 f f f a h ) 都用作方式0 的输出端口，端1 2a 的输出提 供数位驱动器的选择信号位选码，端口b 的输出提供段驱动器的七段代码 信息段选码。 在8 个显示器上重复显示键盘输入频率值的程序如下： d i s p l a yp r o cn e a r m o va l ，1 0 0 0 0 0 0 0 b ； 设置工作方式 m o vd x ，o f f f e h o u t d x 。a l c l d a g a i n ：m o v c x ，8 m o vs 1 ，o f f s e tc h a r me m m o v a h ，1 1 1 1 1 1 1 0 b l o o p d i s p ：l o d s b m o v d l ，a x a n d a l ，0 f h m o vb x ，o f f s e ts s e g c o d e x l a ts s e g c o d e ；送段选码 m o vd x ，o f f f a h o u t d x ，a l m o v a l ，a h ；送位选码 m o vd x ，0 f f f 8 h o u t d x ，a l p u s hc x m o vc x ，n d e l a y ：延时2 m s i d l e ：n o p n o p l o o pi d l e m o v a l ，o f f h o u t d x ，a l ；禁止显示 m o v a x ，d 1 r o la h 。i p o p c x l o o pl o o p d i s p j mp a g a i n d i s p l a ye 1 、i d p 第2 章系统总体方案设计 2 5 3 方波产生部分的设计 电路接线原理如图2 5 3 所示，8 2 5 3 a 通道l 的c l k l 端接2 5 m h z 的时钟 信号，其门控信号g a t e l 和通道2 的门控信号g a t e 2 端相连接，由开关k 启 动控制计数器的操作。通道1 工作在方式2 ，形成一个分频器，其输出o u t l 和 通道2 的c l k 2 相连接，作为通道2 的计数脉冲输入信号。通道2 工作在方式3 ， 形成方波发生器，其输出端o u t 2 输出方波信号。 图2 5 3 方波产生部分电路接线原理图 对应的程序设计过程是先将键盘输入频率对应的a s c i i 码转化为二进制数。 使8 2 5 3 计数器定时器1 输出6 2 5 0 0 h z 的分频信号，8 2 5 3 计数器定时器2 的时间常数为6 2 5 0 0 h z 除以键盘输入频率对应的二进制数，从而使之输出希望 频率的方波信号。 用8 2 5 3 计数器定时器产生希望频率的方波信号的程序如下： t r d e cp r o cn e a r ；将a s c i i 码表示的输入频率值转化为二进值数 m o vs 1 ，o f f s e tc h a r me m m o v c x ，5 ；5 为输入频率位数 x o r a x ，a x a g a i n - a d da x 。a x m o v b x ，a x a d d a x ，a x a d d a x