课程设计说明书模板 - 副本 八种声音发生器.doc

哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计说明书设计题目：八种声音发生器 系 别：应用电子与通信技术系班 级：0892222 学生姓名：张玉才 指导教师：邢彦辰 成 绩： _ 年 月 日课 程 设 计 任 务 书课程设计题目八种声音发生器功能技术指标（1）可以产生八种不同的声音可用于防盗和报警装置中，还可用于玩具中，（2 ）每按一次按键就可以产生一种声音（3）发生间隔为一秒工作量适中工作计划（1）分析查找资料（0.5天）画图分析电路列出元器件（2天）安装电路（2天）调试电路（6天）写论文（3天）答辩（1天）指导教师评语 指导教师： 年 月 日哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计 目录第一章 绪论 1.1设计要求。31.2设计题目和设计指标。31.3电路的功能 。.4第二章 八种声音发生器的电路设计 2.1 硬件组成。52.2 发生器原理图和方框图。52.3 主要元件的选择介绍。62.4 各单元电路的原理及理论计算。72.4.1 计数器电路。72.4.2 多谢振荡器电路。72.4.3 反相器电路。72.4.4驱动电路。72.4.5 蜂鸣器。7第三章 整机电路的原理和功能 3.1 电路的工作原理图。8 3.2 电路的工作原理。8 3.3 电路的实现功能。9 3.4 电路整体设计布局。10第四章 电路的组装调试4.1整机电路安装。114.2注意事项。134.3整机电路的布线与接地问题。45 4.3.1布线原则。45 4.3.2关于接地问题。464.4整机电路调试。474.5 COMS使用注意事项。48结论。1心得与体会。16致谢。20参考文献。21附录。22第一章 绪论现在是一个科技飞速发展的时代，各行各业突飞猛进的发展让人们应接不暇。而电子行业尤为突出，电子行业的精英层出不穷，集成芯片的出现取代了复杂的分立元件使电路变得简单从而成本也降低了。从而证明了我国的IC行业发展之迅速。最为一名当代电子专业大学生。我们应该努力学习专业知识，学好理论知识，积极动手制作一些电子电路，扎实巩固理论知识。用能力来武装自己。1.1 设计要求八种声音发生器使用了CC4518，CD4097，CC4069，CC4011S四块集成电路及一些外围电路组成。要求电路每按一次按键，蜂鸣器发出不同的声音，即发生间隔为1秒。CC4518是一个双BCD加法计数器，CD4097是一个双八选一模拟开关，CC4069集成四个非门，CC4011集成了四个与非门，具体细节在后面的章节中在具体介绍.1.2 设计题目和设计指标1.2.1 设计题目 ：八声报警发生器。1.2.2 设计指标 ：（1）每按一次就发出一种声音。，（2）发声间隔为一秒。1.3 电路的功能 八种报警发生器能产生八种不同的声音，通过频率的不同，能分辨出不同的声音。可以应用在防盗报警装置中和儿童玩具中。此电路实用性强，成本低，可靠性高，电路简单，便于组装，焊接，调试。八种报警发生器可以说是数字电路中的典范。第二章 八种声音发生器的电路设计2.1硬件组成本电路包括四个集成电路【CD4518，XX4097，CC4069，CC4011】，电阻，电容，蜂鸣器，三极管，焊接时需要必要的焊接工具，调试时需要示波器、电源等电子器材以及其它辅助工具。2.2电路原理和方框图 :蜂鸣器电路驱动电路反相器多谐振荡选择开关计数器电路2.2按键输入.1方框图如下：电源电路【八声报警器方框图 】2.2.2原理图如下：【八声报警器原理图】2.3 主要元件选择； 八种声音发生器电路需要一个计数器，一个双八选一模拟开关，若干个与门和非门电路，还包括电阻电容以及一个蜂鸣器，一个三极管。2.3.1 元件列表：（具体参数参见附录）编号元件名数量作用CD4518集成块 1计数器CD4097集成块 1选择器CD4069集成块1反相器HD1401集成块 1驱动S9012三极管1放大HXD蜂鸣器1发生S 开关1通断R电阻 20分压CX CY 电容2充放电2.3.2 主要元件（集成芯片）的介绍（1）CD4518的介绍无论在日常生活还是工业控制中，我们经常会遇到计数问题计数器也是无处不在，数据选择器计数器的应用十分广泛，无论是小型的电子产品还是计算机计。计数器有如下特点:第一，从电路组成上看计数器主要是由时钟触发器构成的。第二，通常计数器的输入只有计数脉冲CP信号，通常被用作触发器的时钟信号。下面就以CD4518为例，CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。CD4518d的引脚功能：1脚2脚或者9脚10脚是脉冲输入。36脚，1114脚是BCD码信号输出。8脚为地，16脚为电源。（2）CD4097的介绍 数据选择器又称多路选择器。在数字系统中，有时需要将多路信号分时地从一条通道传输，多路选择器就可以完成这一功能.数据选择器又称多路选择器活多路开关，他的逻辑功能是根据地址控制信号的要求，从多路信号中选择其中一路输出的逻辑功能。下面以CD 4097为例简要说明一下：CD4097是双八通道电路模拟开关，具有电平位移，双向传输，地址选择的特点。CD4097是数字控制模拟开关，具有低导通阻抗，低截止漏电流和内部地址译码器特征，另外，在整个输入信号范围内，导通电阻保持相对稳定。Cd4097是一个差分8通道开关，有三个二进制输入端A0A2和INH输入，允许输入选择8对开关之一。INH=1时，关闭所有的通道。提供了24引线多层陶瓷双列直插（D）,熔封陶瓷双列直插（J），塑料双列直插式（P）三种封装形式。(3)CD4069CC4069由六个COS/MOS反相器电路组成。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。（4）4011的介绍CC4011是内部包含4组独立的2输入端4与非门。它的逻辑关系是：如果2个输入端都是高电位则输出端是低电平。其它任何状态输出端都是高电平。2.4 各单元电路的原理及理论计算 2.4.1计数器电路1. CC4518外部引脚排列及逻辑符号CC4518是有两个独立的计数器单元构成。它有两个时钟输入端CP和EN，如果要用时钟的上升沿触发，则信号由CP端输入，并使EN端为高电平；如果用时钟的下降沿触发，则信号由EN端输入，并使CP端为低电平。另外还有4个输出端1Q01Q3(2Q02Q3)；1个清零端（复位端 ）；当CR端上加高电平或正脉冲时，计数器各输出端均为低电平。 CC4518引脚排列图（1） CC4518功能表（2CC4518的工作波形图（3）2.简要说明 (1)VDD=10V时，时钟频率典型值为6MHz。(2)正沿或负沿触发。(3)内部具有同步进位传输。(4)标准对称输出特性。(5)在全温度范围内，VDD=18V时，最大输入电流为1uA。(6)VDD=20V时，对静电电流100测试。(7)电路参数分别在VDD=5V、10V、15V时测试。(8)所有输入、输出、电源端均有保护网络。2.4.2多谐振荡电路多谐振荡器是一种自激振荡器电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。另外多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。由门电路组成的多谐振荡器有多种电路形式，但它们均具有如下共同特点: 首先，电路中含有开关器件，如门电路、电压比较器、BJT 等。这些器件主要用来产生高、低电平；其次，具有反馈网络, 将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态；另外，还有延迟环节，利用RC电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率。在许多实用电路中，反馈网络兼有延时作用。八声报警器的多谐振荡电路是由CC4097，CC4069组成的。2.4.2.1电路的组成由CMOS门电路足协横的多谐振荡器如图a所示。图a 门电路组成的多谐振荡器2.4.2.2 工作原理与振荡周期 设电路中的电容C无电荷，在t=0时刻接通电源，电路v1输入为0，G1截止，vo1为1，G2导通，vo2为0。，因vo1 为1,通过R对电容C充电，当v1的电压达到开启电压UTH时，此时G1导通，vo1输出由1变为0，G2截止，输出uo立即从0跳变为1，第一个暂稳态结束。因C两端电压不能发生跃变 ，故v1必定跟随vo2发生正跳变，于是vo1由1变为0，这个低电平保持uo为1。电容C通过R进行放电，当v1降至UTH之后，G1截止，vo1输出由0变为1，G2导通，vo2输出立刻由1变为0，第二个暂稳态结束。同样由于电容点压不能跃变，故u1跟随uo发生负跳变，这样又回到了开始状态，电路反复重复上述过程。电路工作过程的波形图如图b所示。 图b多谐振荡器的输出波形根据RC电路过渡过程的分析可知，多谐振荡电路的振荡周期为 T=RCln41.4RC可以看出，振荡频率取决于时间常数RC。该电路的主要缺点是UTH容易受温度，电源电压变化的影响：振荡的电路的工作方式易受干扰，造成电路状态的转换的提前或滞后；在电路状态临近转换时，电容的充，放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微干扰，都会产生严重影响振荡周期。2.4.2.3 CC4097的外部引脚排列及功能如下图a，表b:1,引脚功能(1)A0A2 通道选择则端（2）9脚2脚输入、输出通道（3）15脚16脚。18脚23脚输入、输出通道，INH为禁止端，8脚，17脚为输出输入通道。12脚为地，24脚为电源。2,引脚排列图如下 图a3,CD4097是双8选1数据选择器，其真值表如图表b,根据真值表可得出逻辑表达式，表达式如下 Y=(A2,A1,A0)= ()由此可以归纳出数据选择器输出信号的逻辑表达式的特点：（1） 具有标准的与或表达式的形式（2） 提供了地址变量的全部最小项；（3） 输出Y受选通信号INH的控制。根据数据选择器的上述特点，可以用它来实现组合逻辑电路的设计CC4097的功能表如下 输入导通通道INHA2A1A0LLLLI0/O0O/ILLLHI1/O1O/ILLHL I2/O2O/ILLHHI3/O3O/ILHLLI4/O4O/ILHLHI5/O5O/ILHHLI6/O6O/ILHHHI7/O7O/IH无无无无 表b4,CC4069的管脚排列及功能如下图c,表d.e CC4069内部是由六个独立的通道输入、输出反相器单元电路构成的。其逻辑关系的特点是：当输入端为低电平时，输出端为高电平；当输入端为高电平时，输出端为低电平。1. CC4069的外引脚图及逻辑符号图c CC4069的芯片引脚排列2. 工作条件（见表d）表d CC4069的工作条件3. 最大决定额定值（表e）表CC4069的最大绝对额定值注:所有电压值均以VSS管脚为基准。4. 简要说明 （1）VDD=10V、传输延迟时间为30ns。（2）标准对称输出特性。（3）在全温度范围内，VDD=18V时，最大输入电流为1uA。（4）VDD=20V时，对静态电流100%测试。（5）电路参数分别在VDD=5V、10V、15V时测试。（6）所有输入、输出、电源端均有保护网络。（7）在全温度范围内噪声容限：VDD=5V时，1V； VDD=10V时，2V； VDD=15V时，2.5V。2.4.4驱动电路本电路驱动电路包括CD4011和一个放大器，放大器是由三极管和许多外围电路组成 。首先介绍一下CD4011。2.4.4.1 CD4011的功能及真值表CD4011是四与非门电路，它的输出能力为mA级，它可以驱动小功率三极管，通过小功率三极管可驱动小型继电器、LED等。四二输入与非门的逻辑表达式Y=AB真值表XYQ动作00?禁止011设定100重置11不变无(1)当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。如真值表第一列。 (2)当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为”1”，使得NAND-B的两个输入均为”1”，因此NAND-B的输出为”0”，如真值表第二列。 (3)当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为”1”，使得NAND-1的两个输入均为”1，因此NAND-A的输出为”0”，如真值表第三列。 (4)当X=1、Y=1时，因为一个”1不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。2.4.4.2 CD4011引脚图及引脚功能:图1 CD4011引脚图1A,1B为数据输入，2A,2B为数据输入，3A,3B，为数据输入，4A,4B为数据输入，1Y,2Y,3Y,4Y为输出端，VSS 为地，VDD为电源。2.4.4.3 CD4011内部结构框图: 图2 CD4011内部逻辑结构图 图3 CD4011内部保护网络图4 CD4011逻辑图2.4.4.4 CD4011电气特性:VDD电压范围：.5V to 18功耗：双列普通封装 700mW小型封装 500mW 工作温度范围：CD4011BM -55 - +125 CD4011BC -40 - +85 2.4.4.5 最后一级驱动 功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放所谓功率放大器，就是用一个较小的功率a，称为输入功率，去控制某种能源，使其输出功率A，而A/a=k，k为功率放大系数，一般A/a1，具有这一功能的装置称为功率放大器。它的输入与输出的能量形式可以相同，亦可不同。 在实际应用中，功率放大器种类繁多，(简述)如音频功率放大器,射频功率放大器，(液压)射流(功率)放大器，磁(功率)放大器，交磁功率放大机等等。 【三极管驱动电路】2.4.4.6蜂鸣器 1， 蜂鸣器的简：蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具，汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声元件 ；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。 2，蜂鸣器的结构原理（1）压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。（2）电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。3蜂鸣器的制作：（1）制备电磁铁M:在长约6厘米的铁螺栓上绕100圈导线,线端留下5厘米作引线,用透明胶布把线圈粘好,以免线圈松开,再用胶布把它粘在一个盒子上,电磁铁就做好了.（2）制备弹片P：从铁罐头盒上剪下一条宽约2厘米的长铁片，弯成直角，把电磁铁的一条引线接在弹片上，再用胶布把弹片紧贴在木板上（3）用曲别针做触头Q，用书把曲别针垫高，用胶布粘牢，引出一条导线，如图连接好电路（4）调节M与P之间的距离（通过移动盒子），使电磁铁能吸引弹片，调节触点与弹片之间的距离，使它们能恰好接触，通电后就可以听到蜂鸣声4 蜂鸣器的功能（1） 蜂鸣器的功能和扬声器类似，能发出声音。第三章 整机电路原理和功能3.1 电路的工作原理图 （参见第二章）3.2 电路的工作原理 CC4518为BCD计数器，S为发声选择开关，每按一次S，CC4518获得一个计数脉冲而计数1次，输出BCD码送双8选1模拟开关CC4097的地址端CBA，CC4097根据CBA数据把X0X7，Y0Y7相应端切换到公共端X,Y上。CC4069的a,b门与CX,R1R8之一构成多谐振荡器。其振荡频率决定发声的间隔时间。如CBA=001时，CC4097的X=X1，R(IM)接入振荡回路中，振荡频率f=1/(2.2R2CX)=1HZ，即发生间隔时间约为1秒。CC4069的d,e门也构成多谢振荡器，它与CY，R9R16之一构成多谐振荡器，其振荡频率决定于发声的间隔时间。接入振荡回路中的振荡频率为f=1/(2.2R2CX)=1HZ，即发生的间隔时间约为1秒。选择出频率信号送至CD4011进行放大，经过输出后，送至三极管放大器，最后送至蜂鸣器，发出声音。3.3电路的实现功能 经过一段时间研究与搜查资料，我们终于制作成功了，电路实现了我们预想的功能，当每按一次按键就发出一种声音，电路的参数不一样，频率不一样，时间间隔不一样，发出的声音不一样。每一种声音都非常美妙，就这样我们实现了功能，本电路可应用于防盗装置中，还可用于儿童玩具中。电路简单，容易组装，成本低。得到了认可。3.4电路的整体布局（1）. 按电路图的走向顺序排列各级电路，尽量缩短接线，以减少分布参数对电路的影响，排线应尽量避免形成闭合回路。（2）. 集成电路外接元器件尽可能安排在对应管脚附近，缩短连线的距离。输入信号与输出信号的引线应当尽可能分开一些，引线间要有一定的距离，避免相互绞合和交叉。第四章 电路的组装调试4.1 整机电路的安装在电路开始组装时，有三种方式可以选择，分别是利用面包板连接电路、用万用板焊接电路、用电子线路做成的PCB电路。利用面包板连接电路的优点是电路连接方便和容易调试，它的缺点是电路接触不良、调试不稳定，万用板的优点是电路稳定、调试方便，但它的缺点是电路焊接复杂、不易布线；利用PCB焊接电路的优点是电路工作稳定，焊接方便，工艺美观，它的缺点是电路造价昂贵，如发现电路有错误不易调试。对照三种方式的优缺点，最后决定用面包板连接电路。组装电路的步骤：1、分析电路图。把电路图分析透彻，为下一步工作做准备。2、合理布局。电路图分析过后，把电路分成模块式进行布局。3、电路连线。电路按事先安排好的布局开始连线，连线一定要有耐心，保证电路连接正确，以便连完后查找。4、调试电路。电路连接完后，按指标要求调试电路。4.2 注意事项 1. 在做测试的时候一定要先检测电源部分(因为电源部分相当重要,若没调整好可造成电路的很大损坏),出现问题的时候请勿心急,慌乱中可能会制造更多的问题,而是要认真检测电路，并按实验步骤完成检查，这样有利于培养自己的动手能力和分析问题的能力。2. 电路的安装与调试是完成毕业设计的重要环节。它把理论设计付诸实践，制作出符合设计要求的实际电路的过程。安装与调试为我创造了一个既动脑又动手，独立开展电路实验的机会。掌握了电子电路的基本制作工艺和操作技能，运用实验的手段检验理论设计中的问题，运用学过的知识指导电路调试和检测工作，使理论和实践有机地结合起来，提高分析解决电路实际问题地能力。3. 在电路的安装与调试过程中使用的主要仪器有：万用表、示波器、电源等。4. 为了保证电子装置正常工作，在设计整机结构时，应从电学、热学等方面合理布局元件、器件，防止它们之间的相互影响和干扰，同时要便于调整和保证使用安全。4.3 整机电路的布线与接地问题布线与接地问题是影响电路性能的重要因素之一，有些就是因为布线和接地不合理所致，下面具体介绍布线和接地问题。4.3.1 布线的原则1. 按电路图的走向顺序排列各级电路，尽量缩短接线，以减少分布参数对电路的影响，排线应尽量避免形成闭合回路。2. 集成电路外接元器件尽可能安排在对应管脚附近，缩短连线的距离。输入信号与输出信号的引线应当尽可能分开一些，引线间要有一定的距离，避免相互绞合和交叉。4.3.2 关于接地问题“接地”是电子设备中十分重要的问题。按其目的可分为两种：一是安全接地，如把机壳与大地相连，可避免人身触电的危险；另一种是工作接地，这里的接地是指电路的公共参考点，而不一定同大地相连。这一参考点如何设置和连接非常重要，选得不合适会产生电路的干扰，甚至不能正常工作。一般情况下，为合理接地需要注意如下几点： 1. 电路尽可能一点接地，这样可以避免地电流干扰和寄生反馈。2. 输出级和输入级不要共同一条地线。3. 输入信号的“地”应就近在输入级的地端，不要和其他地方的地线公用。4. 各种高频和低频去耦电容的地端，应尽可能远离输入级的接地点，可靠近高电位的接地端。4.4 整机电路的调试电路调试要求掌握常用仪器设备的使用方法和一般的实验测试技能，调试中，要求理论和实际相结合，既要掌握书本知识，又要有科学的实验方法，才能顺利地进行调试工作。按整机电路图在面包板上搭接电路，检查无误后即可通电调试，计数、译码、显示电路只要连接正确,都能正常工作,不用调试，主要调试时钟脉冲发电路和控制电路。首先调试时钟脉冲发生电路,使之振荡频率符合要求，用频率计检测电路的输出,最好用示波器监测波形，调整R4电位器,使输出频率约为500HZ,占空比约为0.6。调试控制电路,将一个100的标准电容接到测试端(即IC1的脚和脚之间),按一下微动开关S,使单稳态电路产生一个控制脉冲，其脉冲宽度TW=1.1R1，它控制闸门使时钟脉冲通过并开始计数。如果显示器显示的数字不是100，则说明时钟脉冲的频率仍不符合要求，可调节R4在做上述实验，经多次调整直到符合要求为止。上述实验最好用示波器监测进行，因为这样可以很快调整好。4.5 COMS的使用注意事项集成电路按晶体管的性质分为TTL和CMOS两大类，TTL以速度见长，CMOS以功耗低而著称，其中CMOS电路以其优良的特性成为目前应用最广泛的集成电路。在电子制作中使用CMOS集成电路时，除了认真阅读产品说明或有关资料，了解其引脚分布及极限参数外，还应注意以下几个问题： 1、电源问题(1)CMOS集成电路的工作电压一般在318V，但当应用电路中有门电路的模拟应用（如脉冲振荡、线性放大）时，最低电压则不应低于4.5V。由于CMOS集成电路工作电压宽，故使用不稳压的电源电路CMOS集成电路也可以正常工作，但是工作在不同电源电压的器件，其输出阻抗、工作速度和功耗是不相同的，在使用中一定要注意。(2)CMOS集成电路的电源电压必须在规定范围内，不能超压，也不能反接。因为在制造过程中，自然形成许多寄生二极管，在正常电压下，这些二极管皆处于反偏，对逻辑功能无影响，但是由于这些寄生二极管的存在，一旦电源电压过高或电压极性接反，就会使电路产生损坏。2、输入端的问题(1)多余输入端的处理。CMOS电路的输入端不允许悬空，因为悬空会使电位不定，破坏正常的逻辑关系。另外，悬空时输入阻抗高，易受外界噪声干扰，使电路产生误动作，而且也极易造成栅极感应静电而击穿。所以“与”门，“与非”门的多余输入端要接高电平，“或”门和“或非”门的多余输入端要接低电平。若电路的工作速度不高，功耗也不需特别考虑时，则可以将多余输入端与使用端并联。(2)输入端接长导线时的保护。在应用中有时输入端需要接长的导线，而长输入线必然有较大的分布电容和分布电感，易形成LC振荡，特别当输入端一旦发生负电压，极易破坏CMOS中的保护二极管。其保护办法为在输入端处接一个电阻。(3)输入端的静电防护。虽然各种CMOS输入端有抗静电的保护措施，但仍需小心对待，在存储和运输中最好用金属容器或者导电