单元电路的测试.doc

南京工业职业技术学院项目技术报告电子定时器的制作 姓 名： 李林 学 号： 0904023331 班 级： 电子0931班 指导教师 何强 课程名称： 单元电路的测试、分析与调试实训提交日期： 2010 年 07月 02 日概 要本文介绍了由555芯片所构成的电子定时器的制造，同时还介绍了脉冲震荡电路（CD4060）、计数显示电路(CD4017)、发声电路(CD4093)的结构和工作原理。介绍组成这些电路的芯片的引脚排列及内部功能。最后详细的说明完整的电子定时器的安装、调试、测试与分析。目 录前言4第一章 方案设计5第二章 单元电路参数计算分析.72.1发生电路参数计算 4017芯片资料.72.2基准脉冲发生电路 555、4060芯片资料.122.3发生电路参数分析级算4093芯片资料.182.4 电流放大.222.5完整电路分析、参数计算.23第三章 电子定时器电路安装.243.1 焊接旋钮开关.243.2 印制电路板的焊接.24第四章 电子定时器电路调试.26结论. . . .27致谢. . .28参考文献. . .29前 言本次实训通过实训，熟悉了数字电路的基本结构,组成以及它的工作原理,学会使用数字万用表测量元器件的参数并且掌握判别元器件的好坏。了解了常见故障的处理方案与维修的基本技巧,掌握焊接技术。通过实训加强学生理论联系实际的能力，提高学生的动手能力；通过实训培养学生团结协作和刻苦耐劳精神。第一章 方案设计一、查阅相关资料，了解芯片4017、4060、4093及555的构造与性能；二、根据单元电路的参数测试、分析与调试实训学生学习手册几所查阅的相关知识，在面包板上对芯片4017、4060、4093进行检测，进一步认识他们，数值他们的性能；三、设计电子定时器的原理图，并深入了解，做出接线图；四、按照接线图在印制板上进行插件，并焊接；五、完成电子定时器的焊接，并对其进行调试、改进、优化。 1.1振荡电路的设计 振荡电路是由CD4060芯片为主构成的。CD4060的主要的特点是CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主从触发器。在CP1(和CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。上图为CD4060的外部图；上图是CD4060内部功能图由CD4060构成的振荡电路如图所示：其中电阻Rs的取值为470，电阻Rx的取值为10，电容Cx的取值为10nF。1.2 计数显示电路的设计 计数显示电路是以CD4017芯片为主构成。CD4017芯片的主要特点是：CD4017是5位Johnson计算器，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，计算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。由CD4017构成的计数显示电路如下图：其中Q0Q9为输出端，外接发光二极管，CP接上级的脉冲信号.三、报警电路的设计 本次的报警电路是用CD4093组成的脉冲震荡电路，在输出端接了放大电路用于驱动扬声器发声。图为CD4093内部功能图：其中3、4、10、11号管脚为输出端，1、2、5、6、8、9、12、13号管脚为输入端，7号管脚接地，14号管脚接电源第二章 单元电路参数计算分析2.1发生电路参数计算 4017芯片资料CMOS集成电路CD4017C采用标准的双列直插式脚塑封，它的引脚排列如图1所示。CC4017 是国标型号，它与国外同类产品CD4017 在逻辑功能、引出端和电参数等方面完全相同，可以直接互换。其引脚功能如1： 脚(Y5)，第5输出端； 脚(Y1)，第1输出端； 脚(Y0)，第0输出端，电路清零时，该端为高电平； 脚(Y2)，第2输出端； 脚(Y6)第6输出端； 脚(y7)，第7输出端； 脚(Y3)，第3输出端； 脚(vss)电源负端； 脚(Y8)，第8输出端； 脚(Y4)第4输出端； 脚(Y9)第9输出端； 脚(Qco)，级联进位输出端，每输入 10 个时钟脉冲，就可得一个进位输出脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。 脚(EN)，时钟输入端，脉冲下降沿有效； 脚(CP)，时钟输入端脉冲上升沿有效； 脚(R)，清零输入端，在“R”端加高电平或正脉冲时，CD40171C 计数器中各计数单元输出低电平“0”，在译码器中只有对应“0”状态的输出端 Y0 为高电平； 脚(VDD)，电源正端318V 直流电压。CD40171C 内部逻辑电原理图如图 1-2 所示。它是由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。其中的 D 触发器 FlF5 构成了十进制约翰逊计数器，门电路 514构成了时序译码电路。约翰逊汁数器的结构比较简单它实质上是一种串行移位寄存器。除了第 3 个触发器是通过门电路15、16 构成的组合逻辑电路作用于 F3 的 D3 端以外，其余各级均是将前一级触发器的输出端连接到后一级触发器的输入端 D 的，计数器最后级的 Q5 端连接到第一级的 D1 端。这种计数器具有编码可靠，工作速度快、译码简单，只需由二输入瑞的与门即可译码，且译码输出无过渡脉冲干扰等特点。通常只有译码选中的那个输出端为高电平，其余输出端均为低电平。 约翰逊计数器状态如表1-1所示。 当加上清零脉冲后，Q1Q5 均“0”，由于 Q1 的数据输入端 D1 是 Q5 输出的反码，因此, 输入第个时钟脉冲后，Q1 即为“ l ”，这时 Q2 - Q5 均依次进行移位输出，Ql 的输出移至 Q2，Q2的输出移至Q3。如果继续输入脉冲，则 Q1 为新的 Q5，Q2Q5 仍然依次移位输出，这样就得到了表 l l 的状态及图 l 3 的波形。由五级计数单元组成的约翰逊计数器，其输出端町以有 32 种组合状态，而构成十进制计数器只需 10 种计数状态，因此，当电路接通电源之后，有可能进入我们所不需要的 22 种伪码状态 。为了使电路能迅速进入表 1 l 所列状态，就在第三级计数单元的数据输入端上加接了两级组合逻辑门，使 Q2 不直接连接 D3，而使 03 由下列关系决定：D3Q2(Ql+Q3)这样做，当电源接通后，不管计数单元出现哪种随机组合，最多经过 8 个时钟脉冲输入之后 ，都会自动进入表 l l 所列状态。CD4017 有 3 个输入端：复位清零端 R，当在 R 端加高电平或正脉冲时，计数器清零，在所有输出中，只有对应“0”状态的 Q0 输出高电平，其余输出均为低电平：时钟输入端 CP 和 CE，其中 CP 端用于上升沿计数，CE 端用于下降沿计数，这两个输入端的内部逻辑电路如图 2 所示反相器: Vcc 6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y 六非门 74LS04 六非门(OC门) 74LS05 _ 14 13 12 11 10 9 8 六非门(OC高压输出) 74LS06 Y = A ） 1 2 3 4 5 6 7 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 驱动器: Vcc 6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y 14 13 12 11 10 9 8 Y = A ） 六驱动器(OC高压输出) 74LS07 1 2 3 4 5 6 7 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND Vcc -4C 4A 4Y -3C 3A 3Y _ 14 13 12 11 10 9 8 Y =A+C ） 四总线三态门 74LS125 1 2 3 4 5 6 7 -1C 1A 1Y -2C 2A 2Y GND Vcc -G B1 B2 B3 B4 B8 B6 B7 B8 8位总线驱动器 74LS245 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 ） DIR=1 A=B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DIR=0 B=A DIR A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 GND 正逻辑与门,与非门: Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y 14 13 12 11 10 9 8 Y = AB ） 2输入四正与门 74LS08 1 2 3 4 5 6 7 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y _ 14 13 12 11 10 9 8 Y = AB ） 2输入四正与非门 74LS00 1 2 3 4 5 6 7 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND Vcc 1C 1Y 3C 3B 3A 3Y _ 14 13 12 11 10 9 8 Y = ABC ） 3输入三正与非门 74LS10 1 2 3 4 5 6 7 1A 1B 2A 2B 2C 2Y GND Vcc H G Y 14 13 12 11 10 9 8 ） 8输入与非门 74LS30 1 2 3 4 5 6 7 _ Y = ABCDEFGH A B C D E F GND 正逻辑或门,或非门: Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y 2输入四或门 74LS32 14 13 12 11 10 9 8 ） Y = A+B 1 2 3 4 5 6 7 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND Vcc 4Y 4B 4A 3Y 3B 3A 2输入四或非门 74LS02 14 13 12 11 10 9 8 _ ） Y = A+B 1 2 3 4 5 6 7 1Y 1A 1B 2Y 2A 2B GND Vcc 2Y 2B 2A 2D 2E 1F 2.2基准脉冲发生电路 555 4060芯片资料555芯片的结构及引脚功能：555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为518V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器A1的脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。1脚为地。2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2 Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。5脚是控制端。7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高,如下图所示: 下图是555是芯片的引脚排列图: 555芯片构成的定时器结构及原理555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。一、555定时器555定时器产品有TTL型和CMOS型两类。TTL型产品型号的最后三位都是555，CMOS型产品的最后四位都是7555，它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。 555定时器的电路如图9-28所示。它由三个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。 图9-28 555定时器原理图 分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空，则比较器C1的参考电压为，加在同相端；C2的参考电压为，加在反相端。 是复位输入端。当=0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。正常工作时，=1。 u11和u12分别为6端和2端的输入电压。当u11，u12 时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即=0，=1，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。 当u11，u12 时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，=1，=0，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。 当u11 时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。 综上所述，可得555定时器功能如表9-13所示。 表9-13 555定时器功能表输 入输 出复位u11u12输出u0晶体管T00导通10导通11截止1保持保持一、555定时器的应用1单稳态电路 前面介绍的双稳态触发器具有两个稳态的输出状态和，且两个状态始终相反。而单稳态触发器只有一个稳态状态。在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。 单稳态触发器电路的构成形式很多。图9-29(a)所示为用555定时器构成的单稳态触发器，R、C为外接元件，触发脉冲u1由2端输入。5端不用时一般通过0.01uF电容接地，以防干扰。下面对照图9-29(b)进行分析。 (a) 电路图 (b) 波形图 图9-29 单稳态触发器 (1) 稳态 接通电源后，经R给电容C充电，当uc上升到大于时，基本RS触发器复位，输出u0=0。同时，晶体管T导通，使电容C放电。此后uc，则u0保持0状态。电路将一直处于这一稳定状态。 (2) 暂稳态 在t=t1瞬间，2端输入一个负脉冲，即u1)，若uc，则=1，=1，基本RS触发器保持原状态，u0仍为高电平。 在t=t3时刻，当uc上升略高于时，=0，=1，基本RS触发器复位，输出u0=0，回到初始稳态。同时，晶体管T导通，电容C通过T迅速放电直至uc为0。这时=1，=1，电路为下次翻转做好了准备。 输出脉冲宽度tp为暂稳态的持续时间，即电容C的电压从0充至所需的时间。由=(1-)得 (9-4) 由上式可知： 改变R、C的值，可改变输出脉冲宽度，从而可以用于定时控制。 在R、C的值一定时，输出脉冲的幅度和宽度是一定的，利用这一特性可对边沿不陡、幅度不齐的波形进行整形。 2多谐振荡器 多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。图9-30所示是由555定时器构成的多谐振荡器。R1、R2和C是外接元件。 刚接通电源时，uc=0，u0=1。当uc升至后，比较器C1输出低电平(=0)，基本RS触发器置0，定时器输出u0由1变为0。同时，三极管T导通，电容通过R2放电，uc下降。在 uc期间，u0保持低电平状态。在uc下降至以后，比较器C2输出低电平(=0 )，使触发器置1，输出u0由0变为1。同时三极管T截止，于是电容C再次被充电。如此不断重复上述过程，多谐振荡器的输出端就可得到一串矩形波。工作波形如图9-30(b)所示。 (a) 电路图 (b) 波形图 图9-30 多谐振荡器 振荡周期等于两个暂稳态的持续时间。第一个暂稳态时间tp1为电容C的电压uc从充电至所需时间 (9-5) 第二个暂稳态时间tp2为电容C的电压从放电至所需时间 % CD4060芯片 CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主从触发器。在CP1(和CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制CD4060B典型振荡器连接：CD4060秒脉冲发生器电路:脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。如晶振为32768 Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出，电路图如图2所示。2.3发生电路参数分析级算4093芯片资料CD4093由四个2输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有斯密特触发功能的2输入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(V P)T和下降电压(V N)之差定义为滞后电压(V T)。A数据输入端E数据输入端J数据输出端B数据输入端F数据输入端K数据输出端C数据输入端G数据输入端L数据输出端D数据输入端H数据输入端M数据输出端VDD正电源VSS地-典型应用电路：电路中主要由一个四2输入 “与非”门集成电路CD4093组成。R1、C1及CD4093的一个与非门（、脚，IC1）构成400Hz方波振荡器，振荡器输出的方波分成两路：一路直接送入一个与非门电路（、脚，IC2）；另一路经电容C2送入一个与非门（、脚，IC3）的一个输人端。由于IC2接成非门的形式，所以它的输入、输出端电位相差180，IC2输出的信号经C3、C4耦合至IC3的另一个输入端。由于IC3两个输入端的电平相同。相位相反，因此只 要IC1正常振荡，IC3的两个输入端至少有一个为低电平，故IC3输出端为稳定的高电平，由于C6的作用，VT1截止。但是如取消IC3任何一个输入端的输入信号或使该信号幅度降到低于门电路的输入起动电平时，IC3就会输出方波信号。当有导体接近感应电极片时，就会使由C2耦合到IC3输入端脚的部分信号被分流到地，若被分流后的信号幅度低于与非门输人端的阈值电平，IC3就会输出方波信号，该信号经VD1、VD2整流后就会使开关管VT1导通，接通继电器的电源使之吸合。电容C4是灵敏度调节电容，若需要该电路以最大灵敏度工作时，可以先调节C4使继电器刚好吸合，再调节C4使继电器刚好断开，然后用高频蜡或绝缘漆把C4封牢即可。2.4 电流放大三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变 化量的倍，即电流变化被放大了倍，所以我们把叫做三极管的放大倍数（一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射 极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。 三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压 大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一 个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小 信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的 信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极 电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。2.5完整电路分析、参数计算 电子定时器原理图如下图所示 4060产生振荡电流，频率由其引脚9、10、11上所连接的电阻、电容有关。有f=1/2.3RC。 用4017芯片来实现计数与显示功能，要使用4017，首先必须它一个时钟信号，可以用4060来实现。其次，要连接使能端ENABLE和复位端RESTD到0V。这些连接好之后再将4093产生的脉冲连接到时钟输入端CLOCK这样得到的4017最简化的应用电路。 4093是由四个与非门组成。用4093可以构建两个脉冲振荡电路，一个频率高、一个频率低，用频率低的脉冲振荡电路去调制频率高的脉冲振荡电路，可以产生一个较好的音频告警信号。要是蜂鸣器发声，通常需要家一级放大子系统，放大电路不是放大门电路输出信号的电压，是增加输出电流。因此是增加输出功率驱动输出设备。常用原理图中的电流放大电路。 第三章 电子定时器电路安装3.1 焊接旋钮开关旋转开关又称为波段开关或旋转式波段开关，主要用在收音机、收录机、电视机及各种仪器仪表中。旋转开关的结构如图1所示，它由绝缘基片、跳步定位机构、旋转轴、开关动片、定片以及其他固定件组成。旋转开关的绝缘基片常用高频陶瓷、环氧玻璃布胶板制成。高频陶瓷基片制作的旋转开关适用于高频和超高频电路，而用环氧玻璃布胶板制作的旋转开关适用于高频和一般电路。开关动片由铆接在轴上的绝缘体上的金属片制成，它能随开关旋转轴一起转动。固定在绝缘基体上不动的接触片叫做定片，定片可根据需要做成各种不同的数目，其中始终和开关动片相连的定片叫做 刀，刀的多少代表开关的极数，一般用D表示;其他的定片称为位或者 掷，用W表示。图1旋转波段开关的结构旋转开关上有多少个 刀(极数)，开关就可以同时接通电路中多少个点;有多少个掷(位数)，开关就可以切换电路儿次，因此开关上的动片数目和位数，便确定了旋转开关的规格及用途。图2示出了不同规格的开关组件结构，其中(a)是一刀十一掷，(b)是二刀五掷,(c)是三刀三掷，(d)是四刀二掷。为了使旋转开关有更多的功能，在一个旋转开关上可装上多层的开关组件，组成多层式旋转开关，当旋转转轴时它们会同步地进行开关动作.图2 一些不同规格的开关组件结构焊接时，注意的对应插孔，不可对其焊点持续加热，焊接要准，要快！防止过热时期损坏！3.2 印制电路板的焊接如图为焊接好的一个电子定时器的照片。手工焊接与锡焊技术电烙铁的选择：功率要大些，可在35W-40W中选择。 焊锡的选择：现常用的是含松香焊锡丝。手工焊接的基本操作（1）焊接操作姿势与卫生 焊剂加热挥发出的化学物质对人体是有害的，一般电烙铁离开鼻子的距离应至少不小于30cm,通常以40cm为宜。电烙铁有三种握法：反握、正握、笔握。反握法：动作稳定，长时间操作不宜疲劳。正握法：中等功率烙铁或带弯头电烙铁的操作。笔握法：操作台上焊印制板等焊件时多用。(2) 五步法训练作为一种初学者掌握手工焊接技术的训练方法，五步法卓有成效。1) 准备施焊；2）加热焊件；3）融化焊料；4）移开焊锡；5）移开烙铁焊接标准与质量评定焊点：可靠的电气连接；足够的机械强度；光洁整齐的外观；典型焊点的外观有以下要求：a) 形状为近似圆锥而表面微凹呈漫坡状（以焊接导线为中心，对称成裙形拉开）。虚焊点表面往往呈凸形;b) 焊料的连接表面呈半弓形凹面，焊料与焊件交界处平滑，接触角尽