武汉理工大学课程设计报告.docx

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11.1初始条件11.2 技术要求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 方案二82.2.3 方案比较103 实现方案103.1 模拟电路方案103.1.1 电路器件说明及反相器电路103.1.2 电路原理分析113.2数字电路方案123.2.1 电路器件说明123.2.2 电路原理分析153.2.3 电路参数设计154 调试过程及结论164.1 模拟部分164.2 数字部分165 心得体会176 参考文献18自动循环调光灯电路的设计和模拟信号运算电路的设计1 技术指标1.1初始条件直流可调稳压电源一台、以集成电路运算放大器LF353、NE555和CD4017集成电路、三极管9013、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子、导线等必备工具。1.2 技术要求1）模拟部分以集成电路运算放大器LF353为主，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）数字部分以NE555和CD4017集成电路为主芯片，设计一种调光灯电路。可以使灯在熄灭微亮较亮最亮四种状态下循环。要求灯光变化的循环速度可以进行调节。2 设计方案及其比较2.1 模拟电路方案2.1.1 方案一1）加法器 方案一加法器原理图如图1所示。图1 方案一加法器原理图规定：R1端输入电压为vi1,通过的电流为i1；R2输入电压为vi2，通过的电流为i2;RF通过的电流为if；输出电压为v0。根据“虚短”和“虚地”得知放大器两输入端接地，电压0。列点节点电流方程有： i1=vi1R1i2=vi2R2i3=v0Rf因为：i10。所以：if=i1+ i2即：-v0Rf=vi1R1+vi2R2v0=-RfR1vi1+RfR2vi2 (1)2) 减法器方案一减法器电路原理图如图2所示。图2 方案一减法器原理图规定：R1端输入电压为vi1；R2输入电压为vi2；放大器同相输入端输入电压为vp输出电压为v0。在vi1作用，vi2=0时，这是一个反相器，则 vo1=-RfR1vi1在vi2作用，vi1=0时，这是一个同相放大器,则vp=R3R3+R2vi2 vo2=1+RfR1vp=1+RfR1(R3R3+R2)vi2 根据电压叠加原理，vi1，vi2同时作用时输出电压为 v0=-RfR1vi1+1+RfR1R3R3+R2vi2 (2)2.1.2 方案二用方案一的方法来实现加法器是最简单，最准确的，也是最优的方法。因此不做其他考虑，现设计另一种减法器。方案二减法器的电路图如图3所示。图3 方案二减法器原理图规定：R1端输入电压为vi1；R2输入电压为vi2；放大器1,2的输出电压分别为vo1，vo。同加法器同样的方法计算，可得： vo1=-Rf1R1vi1 vo=-(Rf2R3vo1+Rf2R3vi2) =Rf1R1Rf2R3vi1-Rf2R3vi2 2.1.3 方案比较因为加法器比较容易实现，且方案一的加法器电路是最简单，最准确也是最优方案，因此加法器电路就采用方案一的电路原理图。对于减法器，虽然方案一的原理图理论分析相对于方案二较复杂，但是只需要一个放大器（方案二需两个放大器），这就导致方案一的实际连线图比方案二的实际连线图要简单，操作起来比较容易。因此，减法器也选择方案一。综上，模拟电路方案选择方案一。2.2 数字电路方案2.2.1 方案一2.2.1.1 单元电路设计自动循环调光灯电路由NE555组成的多谐振荡电路，CD4017组成的十进制计数器，三极管9013组成的调光控制电路组成。使灯在熄灭微亮较亮最亮四种状态下循环。1) NE555组成的多谐振荡电路由NE555组成的多谐振荡电路为十进制计数器提供时钟脉冲信号，其电路图如图4示。图4 NE555多谐振荡电路当加上电源电压后，由于电容C1上端电压不能突变，故NE555处于置位状态，输出端（3脚）呈高电平“1”，而内部的放电管VTl截止，C1通过R1、R2对其充电，低电平触发端（2脚）电位随C1上端电压的升高呈指数上升。当C1上的电压随时间增加，达到2/3VDD阈值电平(6脚)时，上比较器A1翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出V0呈低电平“0”。此时放电管VT1饱和导通，C1上的电荷经R2至VT1管放电。当C1放电使其电压降至1/3VDD触发电平(2脚)时，比较器A2翻转，RS触发器复位，经倒相后，使输出端(3脚)呈高电平“1”。以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。2）CD4017组成的十进制计数器CD4017主要由十进制计数电路和时序译码电路组成，是一种十进制计数器。其基本功能是对“CP”端输入的脉冲进行计数。并将输入脉冲依次输出到Q0-Q9十个输出端。当计满十个数时，计数器清零，并产生一个进位脉冲。自动循环调光灯共有四种状态变化，那么只需计数器的四个输出端来控制灯的亮度。利用CD4017输出端一次输出高电平的特点来实现调光灯电路图如图5所示。图5 计数器当时钟脉冲由“CP”端输入，Q0-Q4端依次输出高电平。当Q4端输出高电平是，计数器清零并重新计数。则Q2-Q0输出状态为001-010-100-000-001循环进行。3）三极管9013组成的调光灯控制电路由三极管9013组成的调光电路如图6所示。Q0-Q2依次出现高电平，其变化状态为000-100-010-001-000循环进行。当Q0-Q2出现高电平时，经三极管放大，点亮灯泡，由于R0-R2的电阻阻值不同，起到了控制灯泡亮度的作用。当Q3端出现高电平时，Q0-Q2输出都为低电平，灯泡熄灭。当Q4出现高电平时，计数器清零复位，Q0-Q2输出为100，计数器进入新一轮循环。因此，随着Q0-Q4端输出电平的变化，灯泡在熄灭-微亮-较亮-最亮四种状态下循环变化。图6 调光灯控制电路2.2.1.2 电路原理分析自动循环调光灯电路如图7所示。共由NE555多谐振荡电路，CD4017十进制计数器，三极管9013调光灯控制电路三部分构成。使灯在熄灭-微亮-较亮-最亮四种状态下循环变化。图7自动循环调光灯方案一原理图NE555组成的多谐振荡电路用来产生脉冲信号，调节RV1可以改变振荡频率，也就是灯光变化的循环速度。当脉冲信号输入到计数器的“CP”端时，计数器开始计数。随着脉冲的不断输入，Q0-Q4端依次输出高电平，当Q0-Q2依次输出高电平时，经放大器放大，点亮灯泡，由于R0-R2电阻依次降低，起到了控制灯泡亮度的作用。当Q3端出现高电平时，Q0-Q2输出都为低电平，灯泡熄灭。当Q4出现高电平时，计数器清零复位，Q0-Q2输出为100，计数器进入新一轮循环。因此，随着Q0-Q4端输出电平的变化，灯泡在熄灭-微亮-较亮-最亮四种状态下循环变化。2.2.1.3 电路参数计算NE555工作电压为4.5V-15V，CD4017工作电压为3V-18V。实际工作电路中电源电压选为6V。使各个器件正常工作。多谐振荡电路的频率为f=1.44/（R+2RV1）*C1。当取C1=1uF,R=47K，RV1max=470K，计算得1.46Hzf30.62Hz。电路中其它参数：R0=300K,R1=200K,R2=100K。2.2.2 方案二2.2.2.1 单元电路设计自动循环调光电路由与非门组成的多谐振荡电路，CD4017组成的十进制计数器，三极管9013组成的调光控制电路三部分组成。使灯炮在熄灭-微亮-较亮-最亮四种状态下循环变化。1） 与非门组成的多谐振荡电路图8为由74LS00与非门集成电路及RC器件构成的振荡电路。通过RC电路的充放电，使电路产生谐振，电路中与非门以反相器的形式接入，其输出为矩形脉冲。R，C的值可以确定电路的振荡频率。启动开关S用来控制多谐振荡起启动，开关S闭合时，电路起振；开关S断开时，电路停止振荡。图8 与非门组成的多谐振荡器2） CD4017组成的十进制计数器同方案一的单元电路设计CD4017组成的十进制计数器部分。3） 三极管9013组成的调光灯控制电路同方案一单元电路设计三极管9013组成的调光灯控制电路部分。2.2.2.2电路原理分析自动循环调光灯电路如图9所示。由与非门组成的多谐振荡电路，CD4017组成的十进制计数器，三极管9013等组成的调光灯控制电路三部分构成，使灯在熄灭-微亮-较亮-最亮四种状态下循环变化。图9 自动循环调光灯方案二原理图与非门组成的多谐振荡器，用来产生时钟脉冲信号。调节RV1的大小，可以控制振荡频率，即灯光变化的循环速度。当脉冲信号输入到计数器的“CP”端时，计数器开始计数。随着脉冲的不断输入，Q0-Q3端依次输出高电平，当Q0-Q2依次输出高电平时，经放大器放大，点亮灯泡，由于R0-R2电阻依次降低，起到了控制灯泡亮度的作用。当Q3出现高电平时，计数器清零复位，灯炮熄灭。因此，随着Q0-Q3输出电平的变化，电路实现了灯泡熄灭-微亮-较亮-最亮的循环变化。2.2.2.3 电路参数计算 CD4017的工作电压为3V18V，实际电路中电源电压取6V，电路中各元器件能正常工作。多谐振荡电路的频率f=1/（2.2*RV1*C）。取C=10uF，RV1max=47K。计算得f0.97Hz。电路中其它参数为：R0=300K，R1=200K，R2=100K。2.2.3 方案比较本实验要求设计自动循环调光灯电路。该电路需要有信号产生电路，计数器，调光灯控制电路三部分。共设计了两种信号产生电路：由NE555组成的多谐振荡电路和由与非门组成的振荡电路。计数器选择了比较稳定，接线比较简单的CD4017。调光灯电路选择了三极管来实现，因为三极管比较经济且安全。通过比较两种信号产生电路，由NE555组成的电路比较简单，操作和仿真都比较容易实现，接相对经济，实用。因此，方案一对实验的要求较小，灯光的变化速度容易调节，实验布线比较简单。所以选择方案一来完成实验。3 实现方案3.1 模拟电路方案3.1.1 电路器件说明及反相器电路1）LF353LF353为一8脚封装的器件，含有两个放大器。图10为其引脚图及内部结构图，各引脚的名称和作用如下：1脚-OUTPUT A，放大器A的输出端；2脚-INVERTING INPUT A，放大器A的反相输入端；3脚-NON-INVERTING INPUT A，放大器A的同相输入端；4脚-V-,LF353的负电平输入端；5脚- NON-INVERTING INPUT B，放大器B的同相输入端；6脚- INVERTING INPUT B，放大器B的反相输入端；7脚- OUTPUT B，放大器B的输出端；8脚-V+,LF353的正电平输入端。实际电路中为其提供12V电压，使其正常工作。图10 LF353引脚图及内部结构图2）反相器反相放大器原理图如图11所示。图11 反相器原理图规定：R1端输入电压为vi，输出电压为v0。输出表达式中取Rf=R1，有 v0=-RfR1vi=-vi其作用是实现反相运算功能。3.1.2 电路原理分析1）加法器加法器实际电路如图12所示。图12 加法器电路图规定：R1端输入电压为vi1,；R2输入电压为vi2；输出电压为v0。取 R1=R2=Rf则（1）式变为 vo=-(vi1+vi2)即实现了加法器的功能。可以在电路输出端添加反相器，使输出变为 vo=vi1+vi22）减法器减法器实际电路如图13所示。图13 减法器电路图规定：R1端输入电压为vi1,；R2输入电压为vi2；输出电压为v0。取 Rf=R1 R2=R3则（2）式变为： v0=-（vi1-vi2）即实现了减法器的功能。可以在输出端添加反相器，则输出变为： v0=vi1-vi23.2数字电路方案3.2.1 电路器件说明1）NE555NE555为一8脚封装的器件。图14为其引脚图，各引脚的名称和作用如下：1脚GND，接地端；2脚TL，低电平触发端；3脚Q，电路的输出端；4脚R为复位端，低电平有效；5脚V-C，电压控制端；6脚TH，阈值输入；7脚DIS，放电端；8脚Vcc，电源电压端，其电压范围为：4.5V15V。图14 NE555引脚图其真值表如下：表1 NE555真值表输入输出THTLRQ放电管状态XX00导通2/3Vcc1/3Vcc10导通1/3Vcc1保持不变保持不变2/3Vcc1/3Vcc10导通2/3Vcc1/3Vcc11截止2）CD4017CD4017集成电路是一种十进制计时器，其采用标准的双列直插式16脚塑装，图15是其引脚图。图15 CD4017引脚图其引脚的名称与功能如下：1脚（Q5），第5输出端；2脚（Q1），第1输出端；3脚（Q0），第0输出端，电路清零时，该端为高电平；4脚（Q2），第2输出端；5脚（Q6），第6输出端；6脚（Q7），第7输出端；8脚（GND），接地端；9脚（Q8），第8输出端；10脚（Q4），第4输出端；11脚（Q9），第9输出端；12脚（QC0），级联进位输出端，每输入10时钟脉冲就生成一个进位输出脉冲，13脚（EN），时钟输入端，下降沿有效；14脚（CP），时钟输入端，上升沿有效；15脚（R），清零输入端；当R端加高电平时，CD4017计数器中各计数单元输出低电平“0”，在译码器中，输出端“Q0”为高电平；16脚（Vcc），电源正端，接3V18V直流电压。CD4017的基本功能是对“CP”端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲依次分配给Q0-Q9，当计满十个数时，计数器复位清零，并产生一个进位脉冲。3）三极管90139013是一种NPN型三极管，图16为9013的引脚图。1脚为发射极，2脚为基极，3脚为集电极。图16 9013三极管引脚图其参数为：最大耗散功率为：0.625W（t=25）；最大集电极电流：0.5A；集电极-基极击穿电压：45V。3.2.2 电路原理分析自动循环调光灯电路如图17所示。共由NE555多谐振荡电路，CD4017十进制计数器，三极管9013调光灯控制电路三部分构成。使灯在熄灭-微亮-较亮-最亮四种状态下循环变化。图17 自动循环调光灯原理图NE555组成的多谐振荡电路用来产生脉冲信号，调节RV1可以改变振荡频率，也就是灯光变化的循环速度。当脉冲信号输入到计数器的“CP”端时，计数器开始计数。随着脉冲的不断输入，Q0-Q4端依次输出高电平，当Q0-Q2依次输出高电平时，经放大器放大，点亮灯泡，由于R0-R2电阻依次降低，起到了控制灯泡亮度的作用。当Q3端出现高电平时，Q0-Q2输出都为低电平，灯泡熄灭。当Q4出现高电平时，计数器清零复位，Q0-Q2输出为100，计数器进入新一轮循环。因此，随着Q0-Q4端输出电平的变化，灯泡在熄灭-微亮-较亮-最亮四种状态下循环变化。3.2.3 电路参数设计NE555工作电压为4.5V-15V，CD4017工作电压为3V-18V，因此工作电路中电源电压选为6V。使各个器件正常工作。多谐振荡电路的频率为f=1.44/（R+2RV1）*C1，取C1=1uF,R=47K，RV1max=470K，计算得1.46Hzf30.62Hz。电路中其它参数：R0=300K,R1=200K,R2=100K。4 调试过程及结论4.1 模拟部分在调试模拟电路的时候，开始的时候，减法器调试结果比较理想。加法器得到的结果却与理论计算相差较大，在检查电路后，确定电路布线正确，因此想到电路中实际参数是否正确。用万能表测量了电路中各个电阻的阻值后，发现两个电阻的阻值与其它电阻阻值不相同，原来是因为将提供的3阻值的电阻当作为同一种电阻接入了电路，导致实验结果有误。在更换了电阻以后得到以下数据：表2 模拟部分调试结果vi1（v）vi2(v)v0(v)加法器2.041.85-3.882.561.64-4.15减法器2.061.84-0.212.541.87-0.67测量结果比理论计算结果相差0.01v,在误差允许范围之内。因此模电实验取得了成功。由此数据可得加法器是将多个输入端输入电压进行求和并放大。减法器则是两输入端电压相减并放大。在此基础上可以进行扩展，实现多个输入端的线性计算。4.2 数字部分 数字部分我选择设计自动循环调光灯电路。该实验在所有实验中相对简单，主要由三部分组成。通过接线将三部分合理连接起来即可。在设计的时候，运用proteus软件进行仿真，起初将Q3输出端与15脚（R），清零输入端相连，发现仿真结果只有三种状态，灯泡不会熄灭。当将Q4 输出端与清零端相连，仿真结果出现了预期的结果。但是考虑到当Q3输出为高电平的时候，计数器清零，Q0-Q3应为低电平，此时，灯泡会熄灭。产生了两种假设：a仿真软件与实际结果有误差；b-计数器清零时并不出现输出全为低电平的情况。带着这个疑问，去了实验室进行实际操作，调试结果发现实际状况与仿真结果完全相同。只有当Q4端与清零端相连的时候，灯泡才会熄灭，出现四种状态的循环。所以假设a是错误的，但假设b也并没有得到证明。在写报告的时候继续查阅了资料得知：当清零端接高电平的时候，译码器输出端Q0输出为高电平。解决了心中的疑惑。当将Q4输出端与清零端相连的时候，灯泡在熄灭-微亮-较亮-最亮四种状态下循环变化。调节滑动变阻器RV1，可以改变灯泡亮度变化的频率。通过示波器观察振荡器输出端和灯泡两端的输出波形信息如下：1）振荡器输出端波形：矩形波（脉冲）电压幅值：6V。周期T=3.7*0.1=0.37S 频率：f1=1T2.7Hz2) 灯泡两端波形：前进呈“台阶”状的波形电压：0-0.03V-0.05V-0.11V-0循环。循环一次时间：T24T。通过实验也成功完成