电子电路设计与开发 -课件全套

任务1助听器电路设计与开发任务2手提式扩音机电路设计与开发任务3简易信号发生器电路设计与开发1任务4直流稳压电源电路设计与开发任务5八路抢答器电路设计与开发任务7十字路口交通灯电路设计与开发任务8PWM调光台灯电路设计与开发任务9十层电梯电路设计与开发2任务10血氧检测仪电路设计与开发任务6数字电子钟电路设计与开发任务1助听器电路设计与开发3

学习目标1．能描述驻极体传声器的结构、原理与连接方式。2．能描述负反馈的概念和特点。3．能描述多级放大电路的耦合要求和性能指标。4．能描述复合管的结构和类型。5．能分析助听器电路的构成，合理选择电路参数，完成电路设计和仿真分析。6．能根据PCB设计要求，完成助听器电路PCB设计。7．能根据电路安装与调试要求，完成助听器电路的安装与调试。4随着年龄的增大，有些老年人的听力出现退化，不能在正常的距离内听清声音，对生活造成不便。助听器是一种小型扩声设备，它将外界的声音放大到听力损失患者需要的程度，利用听力损失患者的残余听力补偿听力不足，使听力损失患者能和正常人一样听到声音，是目前帮助听力损失患者改善听力的有效工具，助听器的应用如图所示。5助听器的应用经市场调查，目前助听器的市场需求持续上升。假设你是助听器研发技术员，请设计一款具有噪声抑制、语音增强功能的助听器，践行工匠精神，为听力障碍人士重获清晰世界贡献你的技术力量。具体要求如下。（1）使用三极管构成三级放大器，第一、二级采用共射极形式，提供足够的电压放大倍数。（2）输出级采用射极输出器，以推动耳机播放声音。（3）为了便捷，整机采用锂电池进行供电。67一、驻极体传声器1．结构与原理助听器中一般选用驻极体传声器来接收声波信号，这种传声器体积小、灵敏度高、频响宽且失真小。驻极体传声器由声电转换电路和阻抗变换电路两部分组成。声电转换电路的关键元件是振动膜，当声波使驻极体产生位移时，改变了金属极板与驻极体之间的距离，从而引起电容的容量变化。由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式Q=CU，当C变化时，必然引起电容两端电压U

的变化，从而输出电信号，实现声-电转换。8如图所示为驻极体传声器外形，驻极体传声器的内部结构如图所示。驻极体传声器外形驻极体传声器的内部结构92．连接方式驻极体传声器有三端式和两端式两种连接方式，如图所示。无论采用何种连接方式，驻极体传声器必须满足一定的偏置条件才能正常工作。驻极体传声器的连接方式a）三端式b）两端式10二、负反馈在电子电路中，将输出量的一部分或全部通过一定的网络以一定的方式返送到输入回路，以影响信号输入量的技术称为反馈。若反馈信号使净输入信号减弱，则称为负反馈；若反馈信号使净输入信号增强，则称为正反馈。前者多用于改善输出信号的稳定性，后者多用于振荡电路。11下表所示为不同负反馈方式的特点。不同负反馈方式的特点12三、多级放大电路1．耦合要求因驻极体传声器采集到的声音信号很微弱，要将其放大到能推动负载工作的程度，仅通过单级放大电路放大，达不到实际的要求，必须通过多级放大电路连续多次放大，才可以满足实际需要。多级放大电路一般由两级或两级以上的放大电路组成。在多级放大电路中，级与级之间的连接方式称为耦合。13级与级之间耦合时，必须满足以下要求。（1）保证信号在级与级之间顺利传输。（2）多级耦合后，多级放大电路的性能必须满足实际要求。为了满足耦合后，各级放大电路仍具有合适的静态工作点，一般对多级放大电路的要求为输入级的输入电阻大，中间级的增益高，输出级的损耗小。142．性能指标多级放大电路常用的性能指标有放大倍数、输入/输出电阻、频率响应等。（1）放大倍数以电压放大倍数为例，多级放大电路的电压放大倍数（AU）等于各级放大电路电压放大倍数的乘积。增益（GU）的分贝表示法：

。15（2）输入/输出电阻对于多级放大电路来说，其输入电阻（Ri）等于从第一级放大电路的输入端向电路内部观察的等效电阻，多级放大电路的输出电阻（Ro）等于从最后一级放大电路的负载两端向电路内部观察的等效电阻。（3）频率响应多级放大电路频率响应的特点是，总的下限频率fL

高于任何一级的下限频率，总的上限频率fH

低于任何一级的上限频率，因此，整个电路的通频带

（fH-fL）比任一级都窄。16四、复合管将三极管复合使用，可以获得较大的电流放大系数（β），改善电路的性能参数，如提高输入电阻。复合管可由两个或两个以上相同或不同类型的三极管组合而成。无论何种类型的复合管，在前后两个三极管的连接关系上，应保证前级三极管的输出电流与后级三极管输入电流的实际方向一致，外加电压的极性应保证前后两个三极管均为发射结正偏、集电结反偏，使两管都工作在放大区。17NPN型复合管如图所示，一个出口端为发射极，两个进口端一个为基极，另一个为集电极。NPN型复合管a）连接方式1b）连接方式218PNP型复合管如图所示，一个进口端为发射极，两个出口端一个为基极，另一个为集电极。PNP型复合管a）连接方式1b）连接方式2任务2手提式扩音机电路设计与开发19

学习目标1．能描述反相比例运算电路、同相比例运算电路的组成和特点。2．能描述滤波器的功能及分类。3．能描述功率放大电路的特点、设计要求、工作状态和OTL甲乙类互补对称功率放大电路的工作原理。20

学习目标4．能分析手提式扩音机电路的结构，合理选择电路参数，完成电路设计和仿真分析。5．能根据PCB设计要求，完成手提式扩音机电路PCB设计。6．能根据电路安装与调试要求，完成手提式扩音机电路的安装与调试。21在日常生活中，有许多场合都需要使用功放设备，这些功放设备俗称“扩音机”，是音响系统中最基本的设备，用于把从麦克风、录放卡座、计算机、多媒体设备等送出的微弱信号放大成能推动扬声器发声的大功率信号。22根据实际需要和放大器件的不同，扩音机有很多种类，其中手持式扩音机是日常生活中较常见的一类产品，一般在教学、企业培训、现场参观等场合使用，还可用于现场促销、文艺表演等，应用非常广泛，如图所示。23手提式扩音机及其应用24随着广场舞的日益普及，老年人对手提式扩音机的需求不断增长。某企业紧跟市场需求，计划开发一款手提式扩音机。它既回应了社会的实际需求，又锻炼了我们的电路设计能力，更践行了服务社群的理念，用科技为老年人的生活增添温暖与便利。本任务的具体要求如下。（1）采用电池供电，可充电，方便携带。（2）能提供2W的输出功率，有麦克风采集和音频输入两种输入方式。25一、反相比例运算电路1．电路组成反相比例运算电路的输入信号和反馈信号都接入反相输入端，如图所示。其中，R为输入电阻，Rf为反馈电阻。R′为补偿电阻，为保证输入级差分的对称性，要求R′=R∥Rf。反相比例运算电路26输出特性如下。根据“虚短”和“虚断”，有u+=u-=0，iN=iP=0，。由于

，所以。闭环电压放大倍数。272．电路特点通1）反相比例运算电路由于存在“虚地”，因此它的共模输入电压为0，即对集成运放的共模抑制比要求低。（2）反相比例运算电路的输入电阻小，对输入信号的负载能力有一定要求。28二、同相比例运算电路1．电路组成如图所示为同相比例运算电路，输入信号经Ri

接入同相端，反相端与输出端之间跨接Rf，反相端与地之间跨接R1。R1为取样电阻，Rf

为反馈电阻。同相比例运算电路29输出特性如下。根据“虚短”和“虚断”，有。

由于

，所以

。闭环电压放大倍数

。302．电路特点（1）同相比例运算电路不存在“虚地”，对集成运放的共模抑制比要求高。（2）根据虚断的概念，该电路输入电流为0，故输入电阻很大，电路引入深度电压负反馈，所以输出电阻很小。31三、滤波器滤波器是一种选频装置，其作用是使信号中特定的频率通过，从而极大地衰减其他无用频率。滤波示意图如图所示。滤波示意图321．无源滤波器如图所示为无源低通滤波电路，其主要由电阻及电抗性元件等组成，结构简单。无源低通滤波电路33电路空载和带载时的通带增益及截止频率见下表。电路空载和带载时的通带增益及截止频率342．有源滤波器有源滤波器由集成运放、无源元件R和C、稳压管等组成，主要用于信号处理电路。有源滤波器的输入阻抗高，输出阻抗低，对信号具有缓冲作用；滤波参数不随负载变化，在滤波的同时对信号具有放大作用，避免了信号的过度衰减。35一阶有源低通滤波电路如图所示，电路的特点是通低频、滤高频。一阶有源低通滤波电路a）电路结构b）幅频特性36一阶有源高通滤波电路如图所示，电路的特点是通高频、滤低频。一阶有源高通滤波电路a）电路结构b）幅频特性37截止频率

，通带增益

，截止角频率

。电路只允许某一频段内的信号通过，有上限和下限两个截止频率。将高通滤波电路与低通滤波电路进行适当组合，可以构成带通滤波电路。38如图所示为二阶有源带通滤波电路，图中R1、C1决定低通特性，R2、C2决定高通特性，要求R1C1<R2C2，则低通环节的上限截止频率fP2

大于高通环节的下限截止频率fP1，两者之间形成了一个通带，由此实现带通滤波功能。二阶有源带通滤波电路a）电路结构b）幅频特性39四、功率放大电路1．主要特点功率放大电路是一种输出较大电功率的放大电路，要求同时输出较大的电压和电流，使功率器件工作于接近极限参数状态。功率放大电路一般用于直接驱动负载，带负载能力较强。402．设计要求（1）要求电路输出功率足够大，效率高。（2）功率三极管工作在大信号状态，容易产生非线性失真，需要尽可能减小失真。（3）功率三极管工作在极限状态，较大的功率消耗在集电结上，使结温和管壳温度升高，需解决散热等问题。413．工作状态（按功率管的静态导通情况）甲类：一个周期内均导通，电路最大能量转换效率ηmax=50%，其输出特性曲线如图a所示。乙类：导通角等于180°，电路最大能量转换效率ηmax=78.5%，其输出特性曲线如图b所示。甲乙类：导通角大于180°，电路最大能量转换效率ηmax=65%，其输出特性曲线如图c所示。42功率放大电路输出特性曲线a）甲类b）乙类c）甲乙类43甲类放大电路的工作点设置在放大区的中间，管耗大，电路能量转换效率低。乙类放大电路的工作点设置在截止区，只能对半个周期的输入信号进行放大，非线性失真大。甲乙类放大电路的工作点设在放大区但接近截止区，即三极管处于微导通状态，这样可以有效克服乙类放大电路的失真问题，且能量转换效率较高，目前应用较广泛。444．OTL甲乙类互补对称功率放大电路OTL甲乙类互补对称功率放大电路如图所示。静态时，VT1发射极电位为

，由于电容C2的容量足够大，若初始电压为0，电源VCC

通过VT1向电容C2充电，使

。OTL甲乙类互补对称功率放大电路45输入信号正半周，电源VCC向VT1供电；输入信号负半周，电容C2上存储的电压

向VT2供电。只要满足RLC2>>T（T

为输入电压的周期），电容C2就可充负半周电源。若忽略三极管饱和压降，电路最大不失真输出功率

，直流电源消耗功率

，效率

。如果考虑三极管的饱和压降，实际电路的效率要低于此值。任务3简易信号发生器电路设计与开发46

学习目标1．能描述信号发生器的分类。2．能描述正弦波发生器的组成和起振条件。3．能描述非正弦波发生器的类型和原理。4．能分析简易信号发生器电路的构成，合理选择电路参数，完成电路设计和仿真分析。5．能根据PCB设计要求，完成简易信号发生器电路PCB设计。6．能根据电路安装与调试要求，完成简易信号发生器电路的安装与调试。47在电路调试工作中，常常需要用到信号发生器（如图所示），它一方面用作测试的信号源或激励源，对电子元器件或电路的性能进行测试；另一方面也可作为校准信号源，产生标准信号，对一般信号源进行校准。48信号发生器在电子研发领域，信号发生器是测试仪器之基。假设你是企业技术人员，需设计简易信号发生器电路，通过实践，掌握振荡、整形等关键技术，培养创新精神与实践能力，为电子产业发展贡献力量。具体要求如下。（1）在±12V电源工作条件下，通过三个对应功能按键输出正弦波、矩形波和三角波。（2）在一定范围内调节输出频率（1~1.5kHz）和幅度（0~5V）。4950一、信号发生器的分类信号发生器也称自激振荡器，是一种不需要输入信号就能产生特定频率交流输出的电子设备。按输出信号波形，信号发生器可分为正弦波发生器和非正弦波发生器。其中，非正弦波发生器按信号输出形式又分为方波发生器、三角波发生器和锯齿波发生器。按选频网络，信号发生器可分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器等。51按输出频率范围，信号发生器可分为超低频信号发生器、低频信号发生器、高频信号发生器、超高频信号发生器（见下表）。信号发生器按输出频率范围分类52二、正弦波发生器1．组成正弦波发生器一般由放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅环节4部分组成。（1）放大电路：保证电路有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。（2）正反馈网络：使电路满足相位平衡条件。（3）选频网络：保证电路只产生单一频率的正弦波振荡，常和正反馈网络合二为一。选频网络可以是RC选频网络、LC谐振回路或石英晶体振荡电路。（4）稳幅环节：使输出信号幅值稳定。53如图所示为正弦波发生器电路。正弦波发生器电路542．起振条件（1）幅度条件：开环放大倍数与反馈系数的乘积大于1。（2）相位条件：电路必须引入正反馈。55三、非正弦波发生器运放处于开环或正反馈状态时，此时运放工作在非线性区域，可运用“虚断”对电路进行分析。“虚短”只能用于线性电路，在非线性电路中不适用。1．方波发生器方波发生器的核心是电压比较器，电压比较器电路如图所示。电压比较器电路56当

ui>uREF

时，uo输出低电平；当ui<uREF

时，uo

输出高电平。如果uREF

接地，电路为过零比较器。实际运用时，由于干扰或噪声的影响，电压比较器的灵敏度较高，输出电平信号会发生反复从一个电平跳到另一个电平的不稳定现象。为解决这种电平不稳定的情况，可以采用迟滞比较器。57迟滞比较器是在过零比较器的基础上，从输出端引入一个分压电阻Rf

到同相输入端，形成正反馈。采用双向稳压管将输出电压钳位在某个特定的电压值。迟滞比较器电路如图所示。迟滞比较器电路58迟滞比较器有两个阈值电压，用

UT表示，

。设输出电压uo

为高电平，当ui<UT时，输出电压保持不变；当ui

逐渐增大到大于UT

时，输出电压uo

从UZ跳变至-UZ。此时，输出电压uo为低电平。若保持ui>-UT，输出电压变，当ui逐渐减小至小于-UT

时，输出电压uo

从-UZ

跳变至UZ。此时，输出电压uo为高电平。59电压传输特性如图所示。电压传输特性60若同相端输入电阻不接地，接至固定电压UREF，则两个门限电压也随之改变，不再对称，即在迟滞比较器的基础上，调整反相输入端，即构成方波发生器，其电路如图所示。Rf2和C1为定时元件，构成微分电路。方波发生器电路的振荡周期为方波发生器电路612．三角波发生器对方波进行积分，可以产生三角波。方波加在积分电路的反相输入端，在运放A的输出端可得到周期性的三角波信号，三角波的频率取决于方波的频率。三角波发生器电路和输入/输出波形如图所示。三角波发生器电路和输入/输出波形a）电路b）输入/输出波形任务4直流稳压电源电路设计与开发62

学习目标1.能描述直流稳压电源的组成及分类。2.能描述稳压电路的技术指标及常见类型。3.能描述电压比较器的工作原理。4.能分析直流稳压电源电路的结构，合理选择电路参数，完成电路设计和仿真分析。5.能根据PCB设计要求，完成直流稳压电源电路PCB设计。6.能根据电路安装与调试要求，完成直流稳压电源电路的安装与调试。63当今社会，人们极大地享受着电子产品带来的便利，这些电子产品都有一个共同的电路——电源电路。电子产品对电源电路的要求是能够提供持续、稳定、满足负载要求的直流电，提供这种稳定的直流电的电源就是直流稳压电源，如图所示。64直流稳压电源直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位，广泛应用于大中专院校实验室、工矿企业等场合。随着电子技术的快速发展，高性能的电子产品对电源供电质量的要求越来越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，电子产品日益普及，对直流稳压电源的需求也日益增长。某企业敏锐地捕捉到了这一市场需求，计划开发新款直流稳压电源。作为这家企业的研发人员，你需要具备市场敏感度，紧跟市场需求，参与这款直流稳压电源的研发设计，用科技创新为电子产品提供稳定可靠的动力源，为人们的生活带来便利。65本任务的具体要求如下。（1）输入电压DC24V，输出电压DC0~15V，可调。（2）电路具有稳压、过流、短路保护功能。（3）电路具有工作状态指示功能。6667一、直流稳压电源的组成及分类1．组成

直流稳压电源的样式、复杂程度多种多样，除电池等直流供电装置外，大多数直流稳压电源由交流电网供电，通过整流、滤波和稳压等环节，最终得到所需的稳定直流电源。68如图所示为直流稳压电源组成框图。直流稳压电源组成框图69其中，整流电路的作用是将工频交流电转换为具有直流电成分的脉动直流电；滤波电路的作用是将脉动直流电中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分；稳压电路的作用是在电源电压波动或负载变化时稳定电源电路的输出电压。702．分类直流稳压电源的分类方法繁多，按稳压电路与负载的连接方式分，有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分，有简单稳压电源和反馈型稳压电源。一般在比较简单的电子产品中广泛使用线性稳压电源；在各种复杂电子产品中广泛使用开关稳压电源。71二、稳压电路1．技术指标稳压电路的技术指标用于衡量稳压电路性能的高低，有稳压系数、电压调整率、电流调整率和输出电阻等，这里主要介绍稳压系数和输出电阻。（1）稳压系数稳压系数是指负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。稳压系数表征了稳压电源抑制电网电压波动的能力，其值越小，输出电压受电网变化的影响就越小，输出越稳定。72（2）输出电阻输出电阻是指输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比。输出电阻反映了稳压电路受负载变化的影响。输出电阻越小，负载电流变化时，输出电压越稳定。732．典型串联型线性稳压电路如图所示为典型串联型线性稳压电路组成框图，电路主要由调整管、取样电路、比较放大电路和基准电压组成。典型串联型线性稳压电路组成框图74典型串联型线性稳压电路原理图如图所示。基准电压UZ加到运算放大器同相输入端，取样电压UF

加到运算放大器反相输入端，当输出电压发生变化时，取样电压UF

与基准电压UZ

比较，获得误差信号ΔUo，误差信号经放大后，控制三极管VT的管压降UCE

的变化，由于Uo=Ui-UCE，因此可达到使输出电压稳定的目的。典型串联型线性稳压电路原理图75当输入电压增大时，稳压过程如下。763．典型并联型线性稳压电路并联型线性稳压电路中，稳压二极管与负载电阻并联，稳压二极管工作在反向击穿区，可在一定条件下使输出电压基本不变，从而起到稳定电压的作用。并联型线性稳压电路适用于输出电压固定、输出电流较小且负载变化不大的场合。如图所示为典型并联型线性稳压电路原理图。典型并联型线性稳压电路原理图77当输入电压增大时，稳压过程如下。78三、电压比较器电压比较器是一种常用的集成电路，广泛用于报警器、自动控制、高速采样及电源电压监测等电路。作为集成运放的非线性应用电路，电压比较器将一个模拟电压信号与参考电压进行比较，在两者幅度相等时，其输出电压将产生跃变，并相应输出高电平或低电平。79电压比较器电路如图a所示，UR

为参考电压，加在集成运放的同相输入端，输入电压ui加在反相输入端。其传输特性如图b所示。电压比较器a）电路b）传输特性80当ui<UR

时，集成运放输出高电平，即uo=UZ。当ui>UR

时，集成运放输出低电平，即uo=UD。因此，以UR

为界，当输入电压ui变化时，输出端呈现两种状态：高电位和低电位。任务5八路抢答器电路设计与开发81

学习目标1．能描述基本逻辑门电路的功能和使用方法。2．能描述编码、译码电路的作用和原理。3．能描述锁存电路的作用和原理。4．能分析八路抢答器的基本功能，合理选择电路参数，完成电路设计和仿真分析。5．能根据PCB设计要求，完成八路抢答器电路PCB设计。6．能根据电路安装与调试要求，完成八路抢答器电路的安装与调试。82抢答器作为智力竞赛中的核心设备，其重要性不言而喻。它融合了数显、灯光、音响等多种技术手段，操作方便，能够准确、公正地判定第一位抢答者，在竞赛中发挥了重要作用（如图所示）。83抢答器在竞赛中的应用84为铭记抗战历史，弘扬民族精神，某电视台推出“铭记抗战史·竞答忆先烈”抢答节目。有8名选手经过层层选拔，脱颖而出，进入决赛。为配合节目制作需求，电视台特委托某企业设计八路抢答器电路。本任务将引导你设计八路抢答器，为节目的顺利开展提供支持。具体要求如下。（1）抢答器需支持八路独立抢答输入，每路对应一名选手的抢答按钮，按钮编号与选手编号一致。（2）抢答器应设有1个主持人控制开关，用于控制系统的清零和开始。（3）抢答器应具备数据锁存和显示功能。抢答开始后，系统应能锁存最先触发者的编号，并立即在数码管上显示该编号，同时锁定输入，禁止其他抢答信号。85一、基本逻辑门电路1．二极管与门电路实现与逻辑关系的电路称为与门电路。二极管具有导通和截止两种状态，常作为开关使用。利用二极管的开关特性可以构成二极管与门电路，如图所示。二极管与门电路的逻辑表达式为Y=A·B。二极管与门电路862．二极管或门电路实现或逻辑关系的电路称为或门电路。如图所示为二极管或门电路。二极管或门电路的逻辑表达式为Y=A+B。二极管或门电路873．三极管非门电路如图所示为三极管非门电路。当三极管发射极承受正向电压时，三极管饱和导通，这时UCE=UCES≈0.2V。当三极管发射极承受反向电压时，三极管截止，三极管集电极与发射极相当于开路。三极管非门电路的逻辑表达为。三极管非门电路88二、编码、译码电路1．编码器常见的编码器有二进制编码器和二-十进制编码器。二进制编码器是通过将输入的多个信号转换成n位二进制数码来进行编码的。由于二进制编码仅包含两种状态（0和1），其抗噪声与抗失真能力较强，在信息传输中具有较高的可靠性。同时，仅使用两种状态的编码方式也便于信号的传输与存储。但是，由于二进制编码使用的是二进制数列，每一个字符或数字都需要多位二进制数来表示，因此所需存储空间相对较大。89如图所示为3位二进制编码器逻辑图，编码输出Y2、Y1、Y0的逻辑表达式分别为3位二进制编码器逻辑图90二-十进制编码器是一种将0~9的十进制数字转换为二进制代码的组合逻辑电路，也称十进制编码器。由于要对十个独立信号进行编码，其输出至少需要4位二进制代码。该编码器在涉及十进制输入的应用场合具有重要价值，可以方便地将十进制数字转换为二进制代码，以便于后续的处理。91如图所示为二-十进制编码器电路。S0~S9是10个按键开关，其中S0代表十进制数中的0，S1代表十进制数中的1，以此类推。S0~S9的一端并联后接地，另一端与各有关逻辑门输入端相连。当任一开关接通时，如S1接通，逻辑门G4的一个输入端为低电平；当S1未接通时，则逻辑门G4的这一输入端接高电平，这一高电平通过电阻R2取自直流电压5V。开关S0~S9在同一时间内只能有一个接通，如S1接通时，其他各开关均处于断开状态。92二-十进制编码器电路93编码器共有4个输出，即A、B、C

和D，这4个输出各有1和0两个输出状态，它们的不同组合就能表示输入端的0~9。S

为控制使用标志。当S0~S9中任何一个开关接通时，S=1；当没有开关接通时，S=0。控制使用标志是为了区别以下情况：当S0~S9都未接通时或按下S0时，编码器均输出0000。此时S=0可明确指示所有开关均未动作，而S=1且输出为0000则唯一对应S0被按下，从而有效消除输出歧义，确保编码结果的唯一性和可靠性。942．译码器与编码器相对应，译码器也有二进制译码器和二-十进制译码器。二进制译码器是一种将二进制代码转换为特定信息的组合逻辑电路。其主要特点是，对于n个输入变量，有2n

个输出，且每个输出都对应输入变量的一个最小项。这意味着，当译码器工作时，无论输入什么，有且仅有一个输出端电平与其他输出端电平不同。这种特性使得二进制译码器能够准确识别并译出输入的二进制代码，从而实现特定的功能。二进制译码器常用于实现单输出或多输出的任意逻辑函数，具有广泛的应用范围。95二-十进制译码器的主要作用是将输入的二进制代码转换为对应0~9这十个十进制数字的输出信号。这种译码器在需要将二进制代码转换为十进制数的场合非常有用，如数字显示系统或计算器等。由于其输出与十进制数直接对应的电信号，在驱动十进制指示灯或类似设备时，可以极大地简化外部电路设计并提高处理速度。96如图所示为二-十进制译码器逻辑图。二-十进制译码器逻辑图97下表所示为对应的真值表。二-十进制译码器真值表98三、锁存电路锁存电路用于存储和传输数字信号。锁存电路的主要作用是在输入信号变化之后，将其保持在原始状态，直到下一个输入信号到来。锁存电路有多种不同的实现方式，其中最常见的是SR锁存器和D锁存器。基本SR锁存器是由两个相互交叉的或非门构成的，其电路结构如图所示。基本SR锁存器的电路结构99下表所示为基本SR锁存器的功能表，约束条件为SR=0。基本SR锁存器的功能表100D锁存器能够消除基本SR锁存器的不确定状态，即在基本SR锁存器前增加一对与非门G3、G4和一个非门G5，从而保证S

和R

不同时为1。D锁存器的电路结构如图所示。D锁存器的电路结构101功能表见下表。D锁存器的功能表任务6数字电子钟电路设计与开发102

学习目标1．能描述振荡器的原理及常见类型。2．能描述计数器的原理。3．能分析数字电子钟电路的构成，合理选择电路参数，完成电路设计和仿真分析。4．能根据PCB设计要求，完成数字电子钟电路PCB设计。5．能根据电路安装与调试要求，完成数字电子钟电路的安装与调试。103当今社会，人们生活、工作、学习节奏日益加快，需要对时间进行精细规划。数字电子钟（如图所示）凭借其成本低、准确度高、功能丰富等优势，已逐渐取代机械钟成为主流计时工具。104数字电子钟105某企业敏锐把握这一市场趋势，积极投入研发创新。本任务将引导你设计开发一款实用的数字电子钟电路，助力你紧跟电子技术发展的步伐。本任务的具体要求如下。（1）利用六个数码管完成时、分、秒显示。（2）用三个按键进行时、分、秒校时调整。106一、振荡器脉冲信号产生电路利用电子元件之间的耦合与反馈机制，实现对电容的周期性充放电，从而生成重复的脉冲信号。在这一过程中，反馈回路是形成周期性振荡的关键，而实现这一振荡核心功能的电路，正是振荡器。107常用的振荡器有不对称型多谐振荡器（如图所示）。不对称型多谐振荡器（TTL型，T≈2.2RC）a）电路图b）波形图108对称型多谐振荡器（如图所示）。对称型多谐振荡器（TTL型，T≈1.4RC）a）电路图b）波形图109石英晶体多谐振荡器（如图所示）等。石英晶体多谐振荡器a）电路图b）电抗频率特性110上图所示电路中，常取R1=R2=10~100kΩ；C1、C2是耦合电容，C1=C2，在石英晶体的谐振频率f0处，C1、C2的容抗可以忽略不计。该电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率，与外接的电阻、电容无关。此外，将施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回输入端，也可构成多谐振荡器，如图所示。由施密特触发器构成的多谐振荡器（TTL型，T≈0.7RC）111二、计数器计数器不仅能对时钟脉冲计数，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。计数器的分类见下表。计数器的分类构成任意进制计数器的方法：设定当前有N进制计数器，需要得到M

进制计数器，这时有M<N

和M>N

两种情况。1121．M<N

的情况M<N

的情况有置零法和置数法两种。这里用同步十进制计数器74160，分别采用置零法和置数法构成同步六进制计数器。（1）置零法置零法适用于有置零输入端的计数器，如图所示，当Q3Q2Q1Q0=0110时，门G输出低电平信号给RD端，将计数器置0，回到0000状态。同步六进制计数器（置零法）113（2）置数法采用置数法时可以从计数循环中的任何一个状态置入适当的数值而跳越（N-M）个状态，得到M

进制计数器。具体方法是用Q3Q2Q1Q0=0101状态译码产生低电平信号，送往LD端，下一个CLK信号到达时置入0000状态，从而跳过0110~1001这4个状态，得到六进制计数器（如图所示）。同步六进制计数器（置数法）1142．M>N

的情况当M>N

时，必须用多片N

进制计数器组合起来，才能构成M

进制计数器。各片之间的连接方式有串行进位方式（如图所示）。串行进位方式（74160）115并行进位方式（如图所示）。并行进位方式（74160）任务7十字路口交通灯电路设计与开发116

学习目标1．能描述常见触发器的类型和原理。2．能描述555定时器的各种应用及接线方式。3．能分析十字路口交通灯电路的构成，合理选择电路参数，完成电路设计和仿真分析。4．能根据PCB设计要求，完成十字路口交通灯电路PCB设计。5．能根据电路安装与调试要求，完成十字路口交通灯电路的安装与调试。117随着城市化进程的不断加快，城市规模持续扩大，交通拥堵问题日益突出，特别是在繁华的十字路口，车辆与行人流量大，交通情况复杂，交通信号灯作为调节交通流、保障通行秩序的重要设施，对出行安全具有关键作用（如图所示）。118十字路口交通灯119某企业承接了一项十字路口交通灯电路的生产任务。假设你是该企业的技术人员，需根据客户要求，设计并制作一个符合实际使用需求的十字路口交通灯电路。具体设计要求如下。（1）东西南北四个方向均分布有红色、黄色、绿色的三个信号灯，红绿灯的点亮时间可自主设定，设定范围为4~99s。120（2）电路总共有四种状态，切换过程如下。状态1：东西方向红灯亮、南北方向绿灯亮，其余灯不亮。其间，第一组数码管计数亮灯倒计时间，当倒计时到3s时，进入状态2。状态2：黄灯开始闪烁，当倒计时到0s时，进入状态3。状态3：东西方向绿灯亮、南北方向红灯亮，其余灯不亮。其间，第二组数码管计数亮灯倒计时间，当倒计时到3s时，进入状态4。状态4：黄灯开始闪烁，当倒计时到0s时，切换到状态1。121一、触发器触发器是数字逻辑电路中的基本记忆单元，具备存储二进制信息的能力。它具有两种稳定的输出状态，分别是“0”状态和“1”状态。在无外部输入信号作用时，触发器能够长期保持某一稳态不变，而在适当的输入信号激励下，其输出状态可以从一个稳态转换到另一个稳态。1221．RS触发器（见下表）RS触发器123RS触发器124RS触发器1252．JK触发器（见下表）JK触发器126JK触发器1273．D触发器（见下表）D触发器128D触发器1294．T触发器（见下表）T触发器130二、555定时器1．用555定时器构成的施密特触发器把555定时器的阈值端（TH）和触发端（

）连在一起作为信号输入端，即“二六搭一”，便可得到施密特触发器，其电路如图a所示，工作波形如图b所示。施密特触发器一般应用于波形转换、脉冲整形、脉冲鉴幅等。该电路的回差电压ΔUT=UT+-UT-。用555定时器构成的施密特触发器a）电路b）工作波形1312．用555定时器构成的单稳态触发器把555定时器的触发端（

）作为触发信号的输入端，放电端（DISC）和阈值端（TH）连接后，与电阻R和电容C相连，即“七六搭一，上R下C”，便可得到单稳态触发器，其电路如图a所示，工作波形如图b所示。单稳态触发器一般应用于脉冲整形、脉冲定时、脉冲延时等。暂稳态时间（即输出脉冲宽度）tW

与电阻R、电容C的关系为tW=RCln3≈1.1RC132用555定时器构成的单稳态触发器a）电路b）工作波形1333．用555定时器构成的多谐振荡器把555定时器按“8脚正，1脚地，4脚高，5脚容，2、6脚短接，7脚接电阻”的方法连接后，便可得到多谐振荡器，其电路如图a所示，工作波形如图b所示。电路的振荡周期T与电阻R1、R2和电容C之间的关系为T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2≈0.693（R1+2R2）C输出脉冲的占空比为134用555定时器构成的多谐振荡器a）电路b）工作波形任务8PWM调光台灯电路设计与开发135

学习目标1．能描述PWM调光的原理、技术参数和特点。2．能描述数值比较器和模数转换器的常见类型和原理。3．能分析PWM调光台灯电路的构成，合理选择电路参数，完成电路设计和仿真分析。4．能根据PCB设计要求，完成PWM调光台灯电路的PCB设计。5．能根据电路安装与调试要求，完成PWM调光台灯电路的安装与调试。136以白炽灯、卤素灯或荧光灯为光源的传统台灯，普遍存在光效低、能耗高且不易实现调光等不足。与之相比，PWM调光技术通过调节信号高电平时间占整个周期的比例，能够精确控制LED灯的亮度，从而实现对光照强度的灵活调节。该技术具备调光范围宽、亮度稳定等优势，目前已在多种照明场景中得到广泛应用。如图所示为一款采用PWM调光技术的台灯。137一款采用PWM调光技术的台灯138为积极响应国家碳达峰、碳中和目标，推动绿色低碳发展，某企业紧跟政策与市场趋势，投身绿色照明研发，致力于开发一款基于PWM调光技术的台灯。本任务将引导你亲身参与该台灯电路的设计与制作，通过实践掌握PWM调光技术，以实际行动支持节能减排，推动绿色照明理念的普及与落实。本任务的具体要求如下。（1）+12V工作电源，具有10挡亮度调节功能，亮度可以通过旋钮控制。（2）可以通过一个数码管显示亮度挡位，数码管显示范围为0~9，分别对应10挡亮度。139一、PWM调光1．原理理解PWM调光的关键在于认识视觉暂留现象。该现象是指光信号传入大脑神经后，视觉形象并不会随光源消失而立即消失，其影像会暂存0.1~0.4s。正是基于这一生理特性，当LED灯以高于人眼感知范围的频率（通常高于100Hz）快速亮灭时，人们并不会感觉到闪烁，而是会将其融合成一个连续的光感。140PWM技术正是利用了这一特性。当需要较低亮度时，PWM调光系统便延长每个周期中“灭”的时间、缩短“亮”的时间。由于人眼对光强的感知是一段时间内的平均效果，因此就会产生光线变暗的视觉感受。实际上，灯光的真实亮度并未连续改变，而是通过调整脉冲宽度，巧妙地“引导”大脑感知到不同的亮度。不同亮度对应的脉冲宽度变化如图所示。不同亮度对应的脉冲宽度变化1412．技术参数（1）占空比占空比是指在一个脉冲周期内，高电平的时间占整个周期时间的比例。如图所示中，占空比

。占空比142（2）周期周期是指高低电平变化所需要的时间，单位为s。周期与频率的关系为

（T

为周期，f

为频率）。（3）频率频率是指在1s内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，即1s内PWM有多少个周期，单位为Hz。1433．特点（1）色彩保真度高由于LED灯始终在额定电流导通与零电流关断两种状态下切换，其发光光谱保持恒定，从而避免了模拟调光中因电流变化而导致的色谱偏移问题。（2）调光精度极高该技术通过数字脉冲控制，可实现对脉冲宽度的精确调制，理论调光精度可达万分之一量级，能满足高标准的亮度控制需求。144（3）调光范围宽、线性度佳PWM调光可实现从0%~100%的宽范围亮度调节，且输出亮度与信号占空比之间具有良好的线性关系。其调光频率范围通常设计为200Hz（低频）~20kHz（高频）。然而，PWM调光技术也存在其固有的挑战，最显著的是潜在的频闪问题。尽管当调光频率超过100Hz时，人眼难以直接察觉闪烁，但使用手机摄像头等设备拍摄时，仍可能观察到条纹或闪烁现象。若人长期工作于低频PWM调光环境下，这种肉眼不可见的频闪可能导致视觉疲劳、头痛等健康问题。145二、数值比较器1．1位数值比较器标1位数值比较器是对A、B两个数进行比较，以判断其大小的逻辑电路，其逻辑图如图所示。1位数值比较器逻辑图146比较结果为A>B

时L1=1，A<B

时L2=1，A=B

时L3=1。1位数值比较器的真值表见下表。1位数值比较器的真值表1472．2位数值比较器2位数值比较器逻辑图如图所示。分析比较两位数字A1、A0

和B1、B0

的情况，利用1位比较器的结果，2位数值比较器逻辑图148可以列出简化的2位数值比较器的真值表（见下表）。2位数值比较器的真值表149三、模数转换器1．模数转换器简介模数转换器（ADC）是一种将连续的电模拟信号转换为离散的数字量的集成电路。在现代工业与科技领域，无论是实时检测系统还是实时控制系统，其精确运作都高度依赖于模数转换器。150在一个典型的实时控制系统中，要实现对现场工况的监控，首先需要通过传感器将各种物理参数测量出来，并转换成相应的电模拟信号。该信号经由放大、滤波等调理电路处理后，被送至ADC。ADC的核心作用在于将此模拟信号准确地转换为数字信号，以便后续的微处理器或数字控制器能够进行采集、处理与分析。151根据转换原理的不同，模数转换器主要分为直接型与间接型两大类。直接型ADC直接将模拟信号量化为数字代码，常见的有并行比较型ADC和逐次逼近型ADC。间接型ADC则采用两步转换法，首先将模拟信号精确地转换为一个中间变量，然后将此中间变量进一步转换为最终的数字量。1522．并行比较型模数转换器并行比较型模数转换器内置多个比较器，仅通过一次并行比较即可完成转换，因而具有极高的转换速率。该架构采用电阻分压网络生成一系列基准电压，并同时与输入模拟电压进行比较。对于一个

n位分辨率的转换器，需要2n-1个比较器来执行此操作。153并行比较型模数转换器主要由比较器、寄存器、编码器等构成，如图所示。并行比较型模数转换器154下表所示为并行比较型模数转换器真值表。并行比较型模数转换器真值表155并行比较型模数转换器真值表任务9十层电梯电路设计与开发156

学习目标1．能描述SR锁存器的原理和应用。2．能描述逻辑电路中的竞争-冒险现象。3．能分析十层电梯电路的构成，合理选择电路参数，完成电路设计和仿真分析。4．能根据PCB设计要求，完成十层电梯电路PCB设计。5．能根据电路安装与调试要求，完成十层电梯电路的安装与调试。157电梯作为现代建筑的垂直交通纽带，极大地方便了人们的日常出行与工作（如图所示）。158电梯的应用159它不仅能快速、安全地运送人和物于楼层之间，还提升了建筑的使用效率和居住舒适度。电梯系统通常由曳引、导向、轿厢、门、质量平衡、电力拖动、控制及安全保护等多个子系统构成，其中电梯控制系统堪称电梯的“智慧大脑”，掌控着电梯的运行逻辑、速度、方向及停靠楼层等核心功能。160随着全国老龄化趋势的加剧，老旧小区的建筑设施逐渐老化，老年人上下楼困难重重，严重影响了他们的居住体验和生活品质，更潜藏着安全隐患。为此，政府积极推进老旧小区改造升级，加装电梯成为解决老年人出行难题、保障出行安全的关键举措。某企业近期接到一项设计电梯控制电路的订单，你作为技术人员，应秉持“以人为本”的设计理念，把老年人的需求放在首位，设计一套适用于十层楼宇的电梯控制电路。161具体要求如下。（1）楼层选择按钮通过按键编码电路实现目标楼层的输入，并借助8421译码驱动电路，控制七段数码管及LED灯组显示当前电梯所在楼层。其中，数字0代表停车层，数字9代表第九层。（2）LED灯组与数码管按照从当前楼层到目标楼层的顺序依次点亮，其点亮节奏由1Hz的多谐振荡器控制，以实现每秒一次的动态指示效果。（3）通过锁存器与比较器实现楼层的升降判断：当目标楼层高于当前楼层时，七段数码管执行递增计数；当目标楼层低于当前楼层时，七段数码管执行递减计数。162一、SR锁存器1．用或非门构成的SR锁存器用或非门构成的SR锁存器如图所示，当S=1、R=0时，Q=1、=0。在S=1信号消失以后（即S回到0），由于Q接到G2的另一个输入端，因而电路的1状态得以保持。当S=0、R=1时，Q=0、=1。在R=1信号消失以后，电路保持0状态不变。当S=R=0时，电路维持原来的状态不变。用或非门构成的SR锁存器163当S=R=1时，Q==0，这既不是定义的1状态，又不是定义的0状态，而且在S

和R

同时回到0以后无法判定锁存器将回到1状态还是0状态。因此，在正常工作时输入信号应遵循S·R=0的约束条件，即不允许S=R=1。用或非门构成的SR锁存器的功能表见下表。用或非门构成的SR锁存器的功能表1642．用与非门构成的SR锁存器用与非门构成的SR锁存器如图所示，这个电路以低电平作为输入信号。约束条件：

。无论是用或非门构成的SR锁存器还是用与非门构成的SR锁存器，只要输入S=1或R=1的信号，Q和

的状态便立刻随之改变。这就是SR锁存器在置位、复位时的动作特点。用与非门构成的SR锁存器165用与非门构成的SR锁存器的功能表见下表。用与非门构成的SR锁存器的功能表1663．SR锁存器的应用在单脉冲产生电路中，开关闭合和断开