课程设计（论文）-彩灯循环控制电路的设计和模拟信号运算电路的设计.doc

武汉理工大学专业课程设计（一）课程设计说明书目录1 技术指标12 设计方案及其比较：12.1 模拟电路方案12.1.1 方案一12.1.2 方案二32.1.3 方案比较42.2 数字电路方案42.2.1 方案一42.2.2 方案二52.2.3 方案比较63 实现方案63.1 模电实现方案63.2 数电实现方案83.2.1 NE555的介绍93.2.2 CD4017103.2.3 LED123.2.4 整个电路的工作原理124 调试过程及结论134.1 调试方法134.1.1 分块调试法134.1.2 整体调试144.2 调试过程记录144.2.1 比例运算电路144.2.1.1 连接电路144.2.1.2 检查电路144.2.1.3 接通电源观察144.2.1.4 工作开关闭合的情况下的调试144.2.2 彩灯循环控制电路144.2.2.1 连接电路144.2.2.2 检查电路144.2.2.3 接通电源观察154.2.2.4 工作开关断开的情况下的调试154.2.2.5 工作开关闭合的情况下的调试154.3 调试结果154.3.1 模拟信号运算电路154.3.2 彩灯循环控制电路165 心得体会166 参考文献17彩灯循环控制电路的设计和模拟信号运算电路的设计1 技术指标设计一种利用发光二极管作为彩灯指示,实现发光二极管依次点亮形成移动的光点,并不断循环的彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节。设计一种模拟信号运算电路，具体包括加法运算电路和减法运算电路，要求能够实现两路可调模拟信号的加法运算和减法运算。2 设计方案及其比较：2.1 模拟电路方案2.1.1 方案一原理图见图1 图1 加减法运算电路1) U11为减运算输入信号，U21，U22为两个加运算输入信号，U0为输出信号。R11，R21，R22为输入电阻，RF为反馈电阻，RP为平衡电阻，R为附加电阻。运放输入端电阻的平衡条件为：1/R11+1/R+1/RF=1/R21+1/R22+1/RP (1)有理想运放的虚断条件，在运放的同相输入端可列出关系式：(U21-U+)/R21+(U22-U+)/R22=U+/RP 整理得：U21/R21+U22/R22=(1/R21+1/R22)U+ (2)同理，在运放的反向输入端可列出关系式：U11/R11=U-/R11 (3)由理想运放的虚断条件U+=U-及式（1），将式（3）减式（2）并整理得运算关系表达式： Uo=RF/R21*U21+RF/R22*U22-RF/R11*U11 (4)式中令RF=R11=R21=R22，则有Uo=U21+U22-U11 (5)当U11=0时，Uo=U21+U22,实现了相加的功能，当U21=0时，Uo=U22-U11,实现了减法的功能。此过程可用开关来控制。2.1.2 方案二原理图见图2和图3 图2 加法运算电路 图3 减法运算电路1)根据虚短，虚断和N点的KCL得：Vn=Vp=0(Vs1-Vn)/R1+(Vs2-Vn)/R2=(Vn-Vo)/Rf得：-Vo=Rf/R1*Vs1+Rf/R2*Vs2若 R1=R2=Rf 则有：-Vo=Vs1+Vs2 故得到反向加法电路。2)利用反向信号求和以实现减法运算第一级反相比例：Vo1=-Rf1/R1*Vs1 (1)第二级反向加法：Vo=-Rf2/R2*Vs2-Rf2/R2*Vo1 (2)令Rf1=R1,Rf2=R2联立（1）（2）得到关系式：Vo=Vs1-Vs2故实现了减法运算。2.1.3 方案比较两个方案都原理上都可以实现比例运算，虽然仿真时，第一个只要一个图就可以同时实现加法和减法运算，但是误差非常大。无论怎么改变，误差总是在40%左右。用第二个方案做时，通过图中的数据可以看到误差非常小，考虑到实验中对误差的要求，本次实验采用第二种方案。2.2 数字电路方案2.2.1 方案一 脉冲产生电路计数部分译码部分彩灯显示部分 图4 彩灯循环电路流程图一脉冲产生电路由NE555定时器来产生，计数部分用74LS160十进制计数器来完成，译码部分由74LS138三线-八线译码器来实现，彩灯显示部分由8个LED二极管来实现。原理仿真图如图5所示： 图5 彩灯循环控制电路方案一2.2.2 方案二流程图见图6脉冲产生电路脉冲分配电路彩灯显示电路 图6 彩灯循环流程图二脉冲产生电路仍然用555定时器产生，彩灯显示电路也用LED，其原理与方案一的相同，这里主要介绍脉冲分配电路：原理仿真图如图7所示： 图7 彩灯循环控制电路方案二2.2.3 方案比较两个方案都可以满足实验要求，实现彩灯循环闪亮，并且时间间隔都可以通过调节滑动变阻器来实现。但是，从各方面考虑来看，第二个方案比第一个方案好很多，首先，步线角度来看，第二个方案远比第一个方案容易，第一个方案要三个管子，第二个只要一个，其次，第一个方案需要用多个与非门将输出反向，连接起来比较繁琐而且容易出错。尽管方案一与方案二都有不足，而且在现实生产中可能都会遇到困难，但综合多个方面考虑决定采用方案二。3 实现方案3.1 模电实现方案LF353的管脚图如下： 图8 LE353引脚图由管脚图可以看到，芯片里面有两个加法器，1和7脚为输出端。工作时将8脚接+12V电源，4脚接-12V的电源，接通电源后电路工作，两个输入端通入任意15V以内的电压，都可以实现运算。实现加法运算时，只要使用其中的一个加法器即可。仿真布线图见图9和图10 图9 反向加法电路 图10 减法电路3.2 数电实现方案原理图见图11 图11 数电实现方案原理图3.2.1 NE555的介绍 图a NE555NE555是一种应用十分广泛的集成电路，是一种小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。他的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管，17个电阻，两个二极管组成的比较器，RS触发器等多组单元电路，特别是由三只精度较高的5K的电阻构成的电阻分压器，为上、下比较器提供基准电压，所以称为555。下面是NE555的引脚图及介绍： 图12 NE555管脚图555 定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。 参数选择如下：R1=1.5K，R2=1.5K,，C1=10uF为了防止外界环境的干扰，还可以将5脚接一个0.01uF的电容。那么， 输出信号的时间参数是： （1）=0.7（R1+R2） （2）=0.7 R2 C （3）3.2.2 CD4017 图b CD4017CD4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数，反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。工作过程中CD4017的脉冲采用上升沿触发，CP接555定时器的输出端，CE端，8脚和R端接地，16脚接到6V或12V的电源上，Q0-Q9十个输出端分别接LED电平显示器，后面的R3是保护电阻。CD4017采用标准的双列直插式脚塑封，它的引脚如下所示： 图13 CD4017的管脚图其工作时的功能表如下图 图14 CD4017的功能表3.2.3 LED 图c LED彩灯显示部分由LED彩色二极管组成，当流入为高电位1时，灯亮；当流入二极管的电位为低电位时，灯灭。电阻R为保护电阻。3.2.4 整个电路的工作原理当电源开关S闭合时，电源通过电阻R1和R2向电容器C1充电。当C1刚充电时，由于555的脚处于低电平，故输出端脚呈高电平；当电源经R1、R2向C1充电到2/3电源电压时，输出端脚电平由高变低，555内部放电管导通，电容C1经R2向555的脚放电，直至C1两端电压低于13电源电压时，555的脚又由低电平变为高电平，C1又再次充电，如此循环工作，形成振荡。555的频率可以通过改变电阻R2的阻止而改变，其时钟输出直接进入4017的14脚，这样来驱动8个LED负载，使其循环点亮。下面是电路步线的仿真图： 图15 数电实现方案的仿真布线图4 调试过程及结论一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装，往往也难达到预期的结果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观因素（如元件值的误差，器件参数的分散性，分布参数的影响等），必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足，然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此，调试电子电路的技能对从事电子技术及其有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。一般用万用表进行调试。4.1 调试方法电子电路调试方法有两种：分块调试和整体调试4.1.1 分块调试法分块调试是把总体电路按功能分成几个模块，对每个模块分别进行调试。模块调试的顺序最好按信号的流向，一块一块进行，逐步扩大调试范围，最后完成总调。实施分块调试有两种方法一种边安装边调试；另一种是总体电路一次组装完毕后再分块调试。分块调试的优点：问题出现范围小，可及时发现，易于解决。4.1.2 整体调试此种方法是把整个电路组装完毕后，不进行分块调试，实行一次性总调。4.2 调试过程记录4.2.1 比例运算电路4.2.1.1 连接电路按照预先准备好的布线图接电源，8脚和4脚分别接+12和-12V，用+5V和用电位器分得的电压作为两个输入端。4.2.1.2 检查电路对照电路图认真检查电路，首先查看电源是否接错或与地短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接或出现多接线的现象。4.2.1.3 接通电源观察在做好第一步的基础上进行下一步。接通电源，如果出现短路等异常现象立即关闭电源，按第一步重新检查电路对出现事故的电路部分进行着重的检查，直至发现并排除错误。4.2.1.4 工作开关闭合的情况下的调试闭合工作开关，观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试。调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。4.2.2 彩灯循环控制电路4.2.2.1 连接电路按照预先准备好的布线图接好电源和接地线，电源用+5V在有效的电压范围内。4.2.2.2 检查电路对照电路图认真检查电路，首先查看电源是否接错或与地短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接或出现多接线的现象。4.2.2.3 接通电源观察在做好第一步的基础上进行下一步。接通电源，如果出现异常现象立即关闭电源，按第一步重新检查电路对出现事故的电路部分进行着重的检查，直至发现并排除错误。4.2.2.4 工作开关断开的情况下的调试当第二步完成后，在断开开关的情况下用一个发光二极管检测脉冲信号的输出，各芯片的初始输出是否正确，如果存在问题，查找出原因并解决。4.2.2.5 工作开关闭合的情况下的调试闭合工作开关，观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试。调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。4.3 调试结果4.3.1 模拟信号运算电路两个电路看起来虽然都比较简单易懂，但调试过程却花了好长时间，测量过程中由于导线过多等原因产生了很大的误差。经过多次调整才把误差减到很小的程度。下表是我们测量的数据： 表1 模拟信号运算数据 加法运算得到数据的误差是：0.315%减法运算得到数据的误差是：1.25%实验过程中，我们总结了几种我们实验过程中可以产生误差的原因：1） 面包板下面的金属接触不良，导致某些部分不能正常工作。2） 导线过多，电流流动过程中导线分走一部分电压，影响输出。3） 电阻制作不够精密，使得输入电阻和反馈电阻阻值不能相同，从而输出有偏差。4） 万用表内部接触不良，导致同一个电阻不用的时候测量有不同的值，测量中有误差。4.3.2 彩灯循环控制电路1） 数据由于我们在步线过程中比较小心，而且幸运的是我们的板子，导线及芯片均正常工作，所以我们的调试过程非常成功。我们只有九个彩色发光二极管的情况下，每个灯都按照一定的时间间隔正常闪亮，而且当调节滑动变阻器时，发现发光的时间间隔也发生了变化。因为我们在555定时器的5脚加了电容，有效的抵抗了外界的干扰，在示波器的上波形比其他组更加的稳定，很少有毛刺，下面是我们通过示波器测量的一些工作参数： 表2 555定时器输出端数据记录555定时器的输出信号数单位大小（格）555输出信号电压（峰峰值）2.00v/格2.2555输出信号周期25.0ms/格3.2 表3 CD4017 输出端数据记录CD4017一个输出端信号的参数单位大小（格）Vo输出信号的电压值250mv/格3.2Vo输出信号的周期200ms/格8.5 表4 555定时器各元件参数RC参数R1R2RVxC2参数值1.52k1.51k55.5k1uf 2）数据处理理论值计算：555定时器的输出端：T=80.885ms ；CD4017：T=1.6177s实验值计算：555定时器的输出端：T=80.00ms ；CD4017：T=1.7s 3）误差计算555定时器的输出端T：1.09%；CD4017：4.84% 4）产生误差的原因：通过数据可以看到，在灯得输出端测得的数据的误差更大一些，可能是管子内部的原因，也有可能是示波器读数的问题。NE555定时器相比之下还是比较准确的，产生误差的地方可能是芯片内部及电阻。5 心得体会本次课程设计包括模电部分的模拟信号运算电路的设计和数电部分的彩灯循环控制电路的设计。这是我们大学生涯以来，第一次接触“课程设计”这个名词。所以开始时，我感觉比较迷茫，不知道该从何做起。课设并不像平常那样老师把一切都教给大家，而是需要我们自己根据所学的知识来进行思考与设计。老师把设计要求给我们后，通过查阅各种资料我们按照老师的要求无提出了自己的两三种方案。每种方案都有