电子仿真技术实验指导书.doc

实验一 典型电信号的观察与测量一、实验目的1、初步掌握用示波器观察电信号波形，定量测出正弦信号和脉冲信号的波形参数。2、初步掌握示波器、信号发生器、数字万用表的使用。3、掌握Multisim仿真测试与实物测试的异同点。二、实验原理说明1、正弦交流信号和方波脉冲信号是常用的电激励信号，可由函数信号发生器提供。正弦信号的波形参数是幅值Um、周期T(或频率f)和初相；脉冲信号的波形参数是幅值Um、周期T及脉宽tk。2、电子示波器是一种信号图形观测仪器，可测出电信号的波形参数。从荧光屏的Y轴刻度尺并结合其量程分档选择开关（Y轴输入电压灵敏度V/div分档选择开关）读得电信号的幅值；从荧光屏的X 轴刻度尺并结合其量程分档（时间扫描速度t /div分档）选择开关，读得电信号的周期、脉宽、相位差等参数。为了完成对各种不同波形、不同要求的观察和测量，它还有一些其它的调节和控制按钮，希望在实验中加以摸索和掌握。一台双踪示波器可以同时观察和测量两个信号的波形和参数。三、实验设备序号名 称型号与规格数量备注1双踪示波器12信号发生器13交流毫伏表1四、实验内容1、正弦波信号的观测(1) 将示波器的幅度和扫描速度微调旋钮旋至“校准”位置。(2) 在multisim 9 中，将信号发生器的正弦波输出口与示波器的YA插座相连。(3) 在信号发生器中选择正弦波输出，点击仿真按钮。通过参数设置，使输出频率分别为50Hz，1.5KHz和20KHz；再使输出幅值分别为有效值0.1V，1V， 3V（由交流毫伏表读得）。调节示波器Y轴和X轴的偏转灵敏度至合适的位置，从荧光屏上读得幅值及周期，分别记入表1-1、1-2中。表1-1正弦波信号频率的测定1示波器所测项目正弦波信号频率的测定50HZ1500HZ20000HZ示波器“t/div”旋钮位置一个周期占有的格数信号周期（s）计算所得频率（HZ）表1-2正弦波信号频率的测定2交流毫伏表读数所测项目正弦波信号幅值的测定0.1V1V3V示波器“V/div”位置峰峰值波形格数峰峰值计算所得有效值2、方波脉冲信号的观察和测定(1) 在multisim 9 中，将信号发生器的正弦波输出口与示波器的YA插座相连，选择方波信号输出。(2) 调节方波的输出幅度为3. 0VPP（用示波器测定），分别观测100Hz，3KHz和30KHz方波信号的波形参数。(3) 使信号频率保持在3KHz，选择不同的幅度及脉宽，观测波形参数的变化。(4) 自拟数据表格。五、仿真实验(1) 在Multisim 9平台上建立图1.1所示电路，分别双击信号发生器、示波器图标，显示出信号发生器、示波器虚拟面板图。(2) 调节信号发生器参数，使信号发生器的输出信号符合实验要求。(3) 单击示波器仿真面板图上的Expand按钮，示波器显示屏扩展，按住鼠标左键将垂直光标拖到需要读取数据的位置，在显示屏的下方显示光标与波形垂直相交点处的时间和电压，以及两光标之间的时间和电压。(4) 用示波器测出给定参数的周期及幅值。(5) 按照实验内容，完成仿真。六、实验注意事项1、 调节示波器时，要注意触发开关和电平调节旋钮的配合使用，以使显示的波形稳定。 2、 为防止外界干扰， 信号发生器的接地端与示波器的接地端要相连(称共地)。3、 虚拟的示波器，各旋钮、功能的标注同实物示波器有所差别，实验前请详细阅读教材中虚拟示波器的使用方法。七、预习思考题1、 示波器面板上“t/div” 和“V/div”的含义是什么?2、 应用双踪示波器观察到如图1.2所示的两个波形，YA和YB 轴的“V/div”的指示均为0.5V，“t/div” 指示为20S， 试写出这两个波形信号的波形参数。八、实验报告1. 整理实验中显示的各种波形，绘制有代表性的波形。2. 总结实验中所用仪器的使用方法及观测电信号的方法。3. 心得体会及其它。 图1.1 仿真电路 图 1.2 示波器上观察到的两个波形35实验二 二阶动态电路响应的研究一、实验目的1、 学习用实验的方法来研究二阶动态电路的响应，了解电路元件参数对响应的影响。2、 观察二阶动态电路在过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种情况下的响应波形。利用响应波形，测量衰减系数和阻尼振荡频率。3、熟练的运用Multisim进行仿真。二、实验原理说明一个二阶电路在方波正、负阶跃信号的激励下，可获得零状态与零输入响应，其响应的变化轨迹决定于电路的固有频率。当调节电路的元件参数值，使电路的固有频率分别为负实数、共轭复数及虚数时，可获得单调地衰减、衰减振荡和等幅振荡的响应。在实验中可获得过阻尼，欠阻尼和临界阻尼这三种响应图形。简单而典型的二阶电路是一个RLC串联电路和GCL并联电路，这二者之间存在着对偶关系。本实验仅对RLC串联电路进行研究。三、实验设备序号名 称型号与规格数量备注1函数信号发生器12双踪示波器1 四、实验内容1、二阶电路工作在不同状态时的波形测试将R、L、C串联成图2.1所示的电路，从方波发生器输出一个幅值为2v，频率为2KHz，占空比为50%的方波信号。按表2-1给定的参数改变电阻R的值，使电路分别工作在无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态。用示波器观察电容电压的波形，并记录与表2-1中。 图2.1 二阶电路实验接线图且计算出各种状态下的衰减系数、阻尼振荡角频率w，记入表2-2中。表2-1 不同状态下的波形电路参数L=10mH，C=0.22F电路状态无阻尼(R=0)欠阻尼(R=510)仿真波形电路状态临界阻尼(R=1K)过阻尼(R=2.4k)仿真波形表2-2 各种状态下的和w的理论计算数据电路参数L=10mH，C=0.22F电路状态无阻尼(R=0)欠阻尼(R=510)临界阻尼(R=1K)欠阻尼(R=510)2、不同参数下衰减振荡波形的测定保证电路处于欠阻尼状态，取3个不同阻值的电阻，用示波器观察电容电压波形，并根据波形计算出各自的衰减系数和阻尼振荡角频率，将数据和波形分别记入表2-3和表2-4中。表2-3 欠阻尼状态时不同参数下的和w的测定电路参数L=10mH ，C=0.022FR1=100R2=330R3=750仿真数据仿真数据w表2-4 不同参数下的衰减震荡波形电路参数L=10mH ，C=0.022FR1=100R2=330R3=750仿真波形五、实验注意事项1、调节电阻R时，要细心、缓慢，临界阻尼对应的电阻值要找准。2、用双踪示波器观察双路信号时，显示要稳定。如显示不同步，可采用外同步法触发。六、预习与思考题1、根据实验电路中元件的参数，计算出处于临界阻尼状态的电阻R值。2、在示波器荧光屏上，如何测得二阶电路零输入响应在欠阻尼状态的衰减常数和阻尼振荡角频率？3、RLC串联电路的暂态过程为什么会出现三种不同的工作状态？七、实验报告1、根据观测结果，在方格纸上描绘二阶电路过阻尼、 临界阻尼和欠尼的响应波形。2、测算欠阻尼振荡曲线上的与。3、归纳、总结电路元件参数的改变，对响应变化趋势的影响。4、心得体会及其他。实验三电压比较电路一、实验目的1、掌握比较电路的电路构成及特点。2、学会测试比较电路的方法。3、熟练的运用Multisim进行仿真。二、实验原理说明电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。图3.1所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相输入端，输入电压ui加在反相输入端。 (a)电路图 (b)传输特性图3.1 电压比较器当uiUR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。输出端电位被其钳位在稳压管的稳定电压UZ，即uOUZ当uiUR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即uoUD因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态。高电位和低电位。表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。图3.1(b)为(a)图比较器的传输特性。常用的电压比较器有过零比较器、具有滞回特性的过零比较器、双限比较器（又称窗口比较器）等。（1）过零比较器电路如图3.2所示为加限幅电路的过零比较器，DZ为限幅稳压管。信号从运放的反相输入端输入，参考电压为零，从同相端输入。当Ui0时，输出UO-(UZ+UD)，当Ui0时，UO+(UZ+UD)。其电压传输特性如图3.2（b）所示。过零比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。 (a) 过零比较器 (b) 电压传输特性图3.2 过零比较器（2）滞回比较器图3.3为具有滞回特性的过零比较器。 (a) 电路图 (b) 传输特性图3.3 滞回比较器过零比较器在实际工作时，如果恰好在过零值附近，则由于零点漂移的存在，将不断由一个极限值转换到另一个极限值，这在控制系统中，对执行机构将是很不利的。为此， 就需要输出特性具有滞回现象。 如图3.3所示，从输出端引一个电阻分压正反馈支路到同相输入端，若改变状态，+点也随着改变电位，使过零点离开原来位置。当为正（记作），则当后，即由正变负（记作），此时。故只有当下降到以下，才能使再度回升到，于是出现图3.3(b)中所示的滞回特性。与的差别称为回差。改变 R2的数值可以改变回差的大小。三、实验设备序号名 称型号与规格数量备注1双踪示波器12运算放大器13信号发生器1四、实验内容1、过零比较器实验电路如图3.4所示。图3.4 过零比较器电路(1) 测量ui悬空时的UO值。(2) ui输入500Hz、幅值为2V的正弦信号，观察uiuO波形并记录。(3) 改变ui幅值，测量传输特性曲线。2、反相滞回比较器实验电路如图3.5所示。图3.5 反相滞回比较电路(1) 图3.5中，ui接可调直流电源，测出uO由时ui的临界值。(2) 同上，测出uO由时ui的临界值。(3) ui接500Hz，幅值为1V的正弦信号，观察并记录 uiuO波形。(4) 将分压支路100K电阻改为200K，重复上述实验，测定传输特性。3、同相滞回比较器实验线路如图3.6所示(1) 参照2，自拟实验步骤及方法(2) 将结果与2进行比较图3.6 同相滞回比较器五、实验注意事项1、比较器的输入、输出电压之间对应的关系。2、比较器的电路连接方式。六、预习与思考题1、比较电路是否要调零？原因何在？2、比较电路两个输入端电阻是否要求对称？为什么？3、运放两个输入端电位差如何估计？七、实验报告1、整理实验数据，绘制各类比较器的传输特性曲线。2、总结几种比较器的特点，阐明它们的应用。 实验四计数器及其应用一、实验目的1、 学习集成触发器构成计数器的方法。2、 掌握中规模集成计数器的使用及功能测试方法。3、 运用集成计数器构成1/N分频器。4、 熟练的运用Multisim进行仿真。二、实验原理说明在数字系统中使用最多的时序电路是计数器。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。1、同步计数器在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。同步计数器的功能验证及应用在理论课中已介绍过，故不再介绍。2、异步计数器在异步计数器中，触发器的翻转有先有后，不是同时发生的。3、任意进制计数器的构成已有的是N进制计数器，而需要得到的是M进制计数器。这时有MN两种可能的情况。(1)MN的情况用多片N进制计数组合起来，才能构成M进制计数器。各片之间的连接方式可划分为串行进位方式、并行进位方式、整体置零方式和整体置数方式几种。 并行进位方式。在并行进位方式中，以低片的进位输出信号作为高位片的工作状态控制信号(计数的使能信号)，两片CLK输入端同时接计数输入信号。 串行进位方式。在串行进位方式中，以低位片的进位输出信号作为高位片的时钟输入信号。 整体置零法。整体置零方式，是首先将两片N进制计数器按最简单的方式接入一个大于M进制计数器(例如N*N进制)，然后在计数器记为M状态时译出异步置零信号RD=0，将两片N进制计数器同时置零。这种方式的基本原理和MN时的置零法是一样的。 整体置数法。整体置数法的原理与MN时的置数法类似。首先须将两片N进制计数器用最简单的连接诶方式结成一个大于M进制的计数器(例如N*N进制)，然后在选定的某一状态下译出LD=0信号，将两个N进制计数器同时置入适当的数据，跳过多余的状态，获得M进制计数器。采用这种接法要求已有的进制计数器本身必须具有预置数功能。三、实验设备序号名 称型号与规格数量备注174LS160D芯片1274LS112N芯片4四、实验内容1、异步计数器的逻辑功能测试分析下图4.1所示电路的逻辑功能，且详细的记录分析的结果。图4.1 待分析的时序逻辑电路2、N进制的计数器测试(1)MN的情况运用74LS160D采用并行进位方式，设计一电路，使其构成一百进制计数器。运用74LS160D采用串行进位方式，设计一电路，使其构成一百进制计数器。运用74LS160D采用整体置零法，设计一电路，使其构成二十九进制计数器。运用74LS160D采用整体置数法，设计一电路，使其构成二十九进制计数器。五、实验注意事项1、任意进制计数器的构成方式较多，需掌握其中一到两种。2、通过Multisim仿真，进一步加强数字仿真能力。六、预习与思考题1、复习计数器的各种构成方式。2、掌握同步计数器和异步计数器之间的区别。七、实验报告1、整理实验电路，并介绍每一种电路的功能、设计方法。2、总结计数器功能及测试方法。实验五直流可调稳压电源的设计一、实验目的1、掌握直流稳压电源各部分的工作原理及作用。2、熟悉常用三端稳压芯片的特性。3、运用Proteus进行实物的仿真运行。二、实验原理说明线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，该类电源的优点是稳定性高，纹波小，可靠性高。1、 线性直流稳压电源的组成线性直流稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分组成如图5.1(a) 所示，其对应的整流与稳压过程如图5.1(b)所示。图5.1 稳压电源的组成框图及整流与稳压过程1） 电源变压器变压器的初级一侧一般为220V 交流电压，次级一侧电压可以根据所需直流电压的大小，通过选择适当的变压比来得到。即将电网220v的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。2） 整流滤波电路在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路利用二极管的单向导电性将交流电压变换成脉动直流电压，利用滤波电路将脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。与交流电压的有效值的关系为： 式(5-1)在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： 式(5-2)流过每只二极管的平均电流为： 式(5-3)其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足： 式(5-4)其中：T = 20ms 是50Hz 交流电压的周期。3） 三端集成稳压器由于整流、滤波电路输出的直流电压的稳定性较差，当电网电压波动或负载变化时输出电压也随之而变化。因此，为了维持输出电压UI 稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。 集成稳压器的种类很多，作为小功率的线性直流稳压电源，应用最为普遍的是三端集成稳压器。常用的三端集成稳压器有：78XX 系列（正电压型），79XX 系列（负电压型）（实际产品中，XX 用数字表示，XX 是多少，输出电压就是多少。例如7805，输出电压为5V）；LM317 系列（可调正电压型），LM337 系列（可调负电压型）。表5-1 给出了78XX/79XX 系列(摩托罗拉公司)部分产品的输出电压和输出电流。表5-1 78XX/79XX 系列部分产品的参数型 号输出电流(A)输出电压(V)78LXX0.15、6、9、12、15、18、2478MXX0.55、6、9、12、15、18、2478XX1.55、6、9、12、15、18、2479LXX0.1-5、-6、-9、-12、-15、-18、-2479MXX0.5-5、-6、-9、-12、-15、-18、-2479XX1.5-5、-6、-9、-12、-15、-18、-24三、实验设备序号名 称型号与规格数量备注178121278051379121四、实验内容电源是各种电子系统与设备的原动力，电源系统出故障，会使整个电子设备不能正常工作，因此电源性能的好坏直接影响到系统与设备工作质量和效率。直流稳压电源是一种性能接近理想电压源的直流电源，分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类，本实验根据EDP实验箱为参照，设计线性稳压电源，其要求满足如下：1、设计任务：设计一个交流输入8V 和15V，直流输出+5V、+12V 和-12V 的线性直流稳压电源。 2、功能指标：输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5103，输出内阻小于0.1欧。3、设计要求：所设计的直流稳压电源应满足EDP实验仪系统设计要求，并能与整个系统有效结合。EDP实验箱的电源原理图如图5.2所示。图5.2 线性直流稳压电源原理图五、实验注意事项1、稳压电源中Proteus仿真软件的变压器的匝数比。2、整流桥电路的连接方式。六、预习与思考题1、整流滤波电路的实现原理以及掌握三端稳压器的应用。2、在测试时若无+5V 直流电压输出，分析产生的原因。3、在测试时若12V 输出不正常，分析产生的原因。七、实验报告1、运用proteus仿真出直流稳压电源的结果，使得输出正常。2、用万用表按电源模块，检测+5V、+12V、-12V 输出是否正常。实验六温度自动控制系统设计一、实验任务及要求模拟一个水温自动控制系统，当水温小于或等于20时，系统自动加热；当水温高于或等于50时，停止加热，并用数码管显示2050范围内的温度。温度传感器用负温度系数热敏电阻，加热及停止状态用不同颜色的发光二极管显示。二、实验原理说明温度控制系统由加热/停止电路、温度测量、信号调理、温度检测、加热/停止加热控制、温度显示及加热/停止加热状态显示等模块组成。其系统框图如图6.1所示。图6.1 温度自动控制系统框图1、温度测量模块温度测量模块的作用是将环境温度的变化通过温度传感器反映出来。2、信号调理模块信号调理模块的任务是将非电信号转换成电信号，然后加以放大。由于温度测量所用的传感器是热敏电阻，环境温度发生变化时，热敏电阻的阻值发生变化，利用这一特性，即可将非电量（温度）转换成电量（电阻上的压降变化）。因此，信号调理模块可以用三极管组成的放大电路，也可以用由运算放器组成，本系统采用由运算放大器组成信号调理电路。3、加热/停止电路模块加热/停止电路的任务是模拟电热丝对水进行加热或停止加热。本系统中是通过放大电路对大功率电阻进行加热，使热敏电阻检测到这一温度变化：当水温检测电路检测到温度小于或等于20时，放大电路开始工作，大功率电阻由于有电流流过而发热；当其检测到温度大于或等于50时，放大电路停止工作，大功率电阻由于没有电流流过，其表面温度逐渐下降。4、温度检测模块温度测模块的任务是将经转换后得到的温度间接测量值（电压）与设计要求所设定的上限温度、下限温度设定值（电压）进行比较，从而确定加热/停止电路是否工作，该模块电路的形式是电压比较器。5、加热/停止控制模块加热/停止控制模块的作用是根据温度检测模块提供的信号，对加热/停止加热电路提供控制信号。6、温度显示模块温度显示模块任务是将当前环境温度反映在显示器上，其作用是将温度（模拟量）转换成数字量。7、加热/停止加热状态显示其作用是将加热、停止加热两个不同的状态分别用不同颜色的二极管显示，该模块的任务是将两种不同的状态显示，故用简单的开关电路来控制。三、实验设备序号名 称型号与规格数量备注1运放uA74112热敏电阻MF5843数码管、TC7107四、实验内容1、温度控制系统的电路设计与器件选择(1)温度测量、信号调理模块电路设计该系统使用具有负温度系数的热敏电阻来模拟测量水温，通过一个固定阻值的电阻和热敏电阻串联，通过一直流电源组成分压电路。当温度发生变化时，热敏电阻的阻值发生变化，从其二端取出电压的变化，这样就将非电量转换成了电量，然后通过运算放大器将信号放大。电路如图6.2所示。图6.2所示为同相比例运算放大电路，其电压增益为 式(6-1)即 式(6-2) 图6.2 温度检测、信号调理电路故此 式(6-3)其中热敏电阻二端的电压。设热敏电阻在环境温度为时阻值为，则= 式(6-4)则根据式（6-3），得 式(6-5)选用负温度系数电阻，其特性为环境温度越高，则热敏电阻的阻值愈小，设环境温度为时，其阻值为，同理 式(6-6) 式(6-7)故此，由于温度变化引起的热敏电阻阻值的变化，就转换成了电信号，并通过运算放大器进行放大。器件选择l 运放选用运放且采用+5V单电源供电。图6.1所示电路中的电阻及的阻值要结合热敏电阻的具体参数来确定。将热敏电阻的阻值转换成电压由、组成分压电路，这里分压电压值应在12V，在这里选取 = 2V，且分压电路的直流电源采用+5V电源。l 热敏电阻热敏电阻从结构上，可分为正温度系数电阻和负温度系数电阻：正温度系数电阻（PTC），是当温度增加时，其电阻阻值迅速增大；负温度系数电阻（NTC）是当温度增加时，其电阻阻值呈非线性减小。正温度系数电阻一般应用于电冰箱和压缩机启动电路、彩色电视机消磁电路、电动机过热保护等电路中。负温度系数热敏电阻一般应用于各种电子产品中的温度检测、温度控制等。常用的温度检测用NTC热敏电阻有MF51MF58系列，每个系列又有多种型号，同一类型不同型号的NTC，其标称电阻阻值也不相同。本系统选用MF58。l 电路外围所用元件参数计算电路的设计以选定的热敏电阻入手，然后计算出所需要的电压增益，下面以MF58-10热敏电阻为例说明计算方法。经查表可知，在时，电阻值为的热敏电阻分段如表6-1所示。表6-1 MF58-10热敏电阻阻值随温度变化表单位：单位：029.394308.225523.319356.8021018.659405.6541515.052454.7212012.229503.9582510.000553.330由表6-1观察可知，在常温（）时，热敏电阻的阻值为。再根据设计任务，当环境温度为下降至20，系统要加热；当温度上升为50时，停止加热，故查表6-1可得：当时，当时，分压电路所用电源选为+5V，取，这样然后再计算所需要的外围电阻的阻值，设所要求的电压增益，则根据式(6-1)，取，。 图6.3温度检测、信号调理电路及参数这样，当时此时当时此时电路如图6.3所示。(2)水温检测模块温度检测模块的任务是将20和50的相对电压值检测出来，并将这二个电压值提供给加热/停止模块及加热、停止状态显示模块。因此，该部分由电压比较器来实现，利用运放的非线性特性来完成。由于对应20时电压值为3.78V，50电压值为1.65V，故应使用二个电压比较器及信号锁存器来完成。对应20时的检测电路由于采用负温度系数电阻，温度越低，电阻值越大，故采用反相电压比较器，电路如图6.4。由信号调理电路输出的电压作用于运放的同相输入端，取，阀值电压为 式(6-8) 图6.4 检测电路(20) 代入数据有：，计算得 。考虑到电阻的允许误差，用电位器代替，取，这样得到图6.5所示电路。图6.5 检测电路具体参数(20)对应50时的检测电路由于温度越高，的阻值越小，信号调理电路输出的电压越低。因此采用反相电压比较器，即作用于的反相输入端，电路如图6.6所示。其工作原理如下： 当环境温度大于20时， （实际值为0.3）； 当温度小于或等于20时，（实际值为3.54.5）； 当环境温度没有到50时，（实际值为0.3）； 当环境温度大于或等于50时，（实际值3.54.5）。同理：阀值电压的确定，则 式(6-9)代入数据有：1.65，得到考虑到电阻的允许误差为，故用阻值为10的电位器代替。 图 6.6 检测电路具体参数(50)(3)加热/停止控制模块加热/停止控制电路如图6.7所示。我们用运放、不同的输出状态控制加热/停止电路的工作。由设计要求，当时加热，当时，停止加热。由以上分析，将、的输出分别接触发器的置数端及清零端，可达到要求。结合图6.7，则该模块的控制过程如下：u 当温度到达时对于：，；对于：，。74LS04_B输出低电平，触发器74LS74输出端，停止加热。u 当温度从50逐渐减小到大于20，即时对于：，74LS04_A输出为高电平；对于：，。74LS04_A 、74LS04_B均输出为高电平，这样，D触发器74LS74输出端Q状态保持不变，即不变，停止加热。u 当温度小于时，即时对于：，74LS04_A输出由高电平变为低电平，D触发器74LS74置数端0，导致其输出端（实际电压值3.6），开始加热；对于：，74LS04_B输出维持高电平不变。u 温度从20逐渐上升至小于50时，即20T50时对于：，输出为高电平，触发器置数端1，其输出状态不变，即不变，继续加热；对于：，输出为高电平，触发器置数端1，其输出状态仍然不变。综上所述，其逻辑状态表如表6-2所示。表6-2 温度控制逻辑状态表(4)加热/停止模块对于温度加热/停止模块，按理应该对放置在水中的电热丝加热，但在实验中，我们不可能做一个水箱，然后在水箱中安置电热丝。在实验中，我们通过加热3电阻的方式产生一定温度，然后将热敏电阻靠近3电阻，通过间接加热方式来实现温度的加热/停止。其设计电路如图6.8所示。其工作过程如下： 当时， ，振荡器工作，三极管处于间歇开关状态，这时开关电路有间歇电流流过，20/3W电阻发热，安装在它旁边的热敏电阻感受到其温度变化，并将该度变化转换成相应的电阻值，以使后续电路作出判断。在一个振荡周期，三极管导通时间是通过调节其占空比来实现的。当时，由于定时器NE555的4脚始终是高电平，则振荡器持续工作。开关电路间歇导通，则热敏电阻温度持续上升。当时，定时器NE555的4脚为低电平，振荡器停止工作，NE555的3脚输出为低电平，三极管T截止，则20/3W电阻无电流流过，热敏电阻温度逐渐下降。(5)加热/停止模块控制状态显示模块实际上是通过一个开关电路使加热/停止加热的两种状态通过发光二极管显出来，这部分电路如图6.9（a）所示。图6.9（a）中，74LS74为加热/停止加热控制电路中的D触发器。 当时，74LS74 ，（为增强Q端带负载的能力，在其输出端再接2个反相器，以增强带负载能力），则导通，截止，绿灯亮，表示正在加热； 当时，由于74LS74输出端Q1不变，则绿灯持续亮，表示加热在继续； 当时，74LS74端输出，1，则截止，导通，红色发光二极管亮，表示加热停止。还可以采用一种更简单的方法，可用三极管、，直接用LED显示加热、停止加热状态，电路如图6.9(b)所示。在图6.9(b)中，D触发器74LS74及端分别接二个反相器的目的是为了增强其驱动能力。图6.9 控制状态显示模块(6)温度显示模块温度显示模块的任务是将环境温度（2050）在数码管上显示出来，即将热敏电阻随温度的变化值通过运放转换成相应的电压值，然后通过三位半LED专用A/D转换显示芯片TC7107及共阳极数码管组成的译码显示电路，将环境温度显示出来（显示温度范围：）。（提示：Proteus中Anode表示共阳极，Cathode表示共阴极） TC7107引脚图TC7107引脚功能如图6.10所示，具体的每个外围元件的功能可参看TC7107的芯片资料，但须知，TC7107的最大输入电压量程为200mv。 温度显示电路设计思想 首先，将表4-1所示的不同温度对应的电阻值，用线段在坐标轴上表示出来，然后得到形如的方程，其中y表示温度，x表示某一温度下的阻值所对应的电压值。（例如时，则） 其次，我们所用的3位半译码显示驱动集成芯片TC7107，当输入电压为200mv（最大值）时，数码管显示199.9。若能将中的变量y由温度直接用电压来表示，例如当y=20时，表示y=20mv，对应于TC7107数码管所显示的数据就是20.0；当y=50时，表示y=50mv，对应于TC7107数码管所显示的数据就时50.0。这样，由于表达式中的 x单位为伏，转换后的y值衰减1000倍，就是毫伏，因而就可以直接通过TC7107译码并在数码管上显示出来。 最后，如何将表达式中 x的量程由伏级缩减为毫伏级？则结合以前所学知识，运用三级运算放大器，将电压增益减小1000倍，其中，第一级用求差电路，后二级用反相比例运算电路，即可达到要求。每一级都将前级的输入信号衰减10倍。图6.10 TC7107引脚功能图 温度显示电路设计的具体步骤a)、求差电路设计由表6-1得到的曲线如图6.11所示，在图6.11中，沿和两点作一条直线，得到，其中y表示温度，x表示该温度所对应的电压值，经计算得到，然后将y通过运算放大器，直接用电压表示，设所用运放为，则其输出 式(6-10)，式(6-10)是由描点法计算，出来其中为热敏电阻两端的电压。在信号调理模块设计中，由于我们已规定，这样，如用替换式(6-10)中的，则式(6-10)变为 式（6-11）其中，单位为伏，单位为伏。要得到式（6-11）中的运算电路，可利用如图6.12所示的求差电路。对于图6.12所示电路，由于运放工作于线性区，这样对于同相输入端有： 式（6-12）对于反相输入端，由叠加原理： 式（6-13）图6.12 差放电路 式（6-14）整理得： 式（6-15）在上述电阻参数选择中，选择电阻的阻值使 式（6-16）这样就将式（6-16）的量程衰减了倍。b)、反相比例电路设计由于在求差电路中，已将其输出电压衰减了倍，用二级反相比例电路，将再减小100倍，这样就得到了毫伏级输出电压。电路如图6.13所示。图6.13 反向比例电路2、温度控制系统的整体电路根据该系统设计要求，将上述各功能模块组合得到温度控制系统整体电路图，如图6.14所示。五、实验注意事项1、在Proteus仿真中不可能出现自动升温、降温的过程，需用一电位器来模拟这一过程。2、芯片TC7107的连接。3、将温度值变为电压值的转换过程。4、温度变化范围的控制过程。六、预习与思考题1、差动放大电路的结构及增益的计算。2、反相比例电路的构建。3、74LS74触发器的特点。七、实验报告1、整理实验电路，并将每一过程完整无误的模拟出来。2、总结各种运放器的计算方法。图6.14 温度控制系统整体电路图实验七数字钟一、实验目的1、 熟悉数字钟的结构特点及其应用。2、 学会用proteus进行数字钟完整功能的设计。二、实验原理说明数字钟电路是一款经典的数字逻辑电路，它可以是一个简单的秒钟，也可以只计分和时，还可以计秒、分、时，分别为12小时制或24小时制，外加校时电路。1、核心器件74LS90简介数字钟设计的核心器件是计数器，常用的有同步十进制计数器74HC160以及异步二、五、十进制计数器74LS90。这里选用74LS90芯片。74LS90的引脚图如图7.1所示。图7.1 74LS90引脚图74LS90内部是由两部分电路组成的。一部分是由时钟CKA与一位触发器Q0组成的二进制计数器，可计一位二进制数；另外一部分是由时钟CKB与三个触发器Q1、Q2、Q3组成的五进制异步计数器，可计到五个数000100。如果把Q0和CKB连接起来，CKB从Q0取信号，外部时钟信号接到CKA上，那么时钟CKA和Q0、Q1、Q2、Q3组成十进制计数器。R0(1)和 R0(2)是异步清零端，两个同时为高电平有效；R9(1)和 R9(2)是置9端，两个同时为高电平时，Q3 Q2 Q1Q0 = 1001；正常计数时，必须保证R0(1)和 R0(2)中至少有一个接地电平，R9(1)和 R9(2)中至少一个接低电平。74LS90的功能如表7-1所示。表7-1 74LS90的功能表R0(1) R0(2) R9(1) R9(2)Q3 Q2 Q1 Q01 1 0 x 0 0 0 0 1 1 x 0 0 0 0 0 0 x 1 1 1 0 0 1 x 0 1 1 1 0 0 10 x x 0计数 0 x 0 x x 0 x 0 x 0 0 x毫无疑问，本设计中每个74LS90都应首先接成十进制计数器。2、分步设计与仿真(1) 计时电路计时电路共分三部分：计秒、计分和计时。其中