电子课程设计报告08521135终稿.docx
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电子课程设计报告08521135终稿
2009-2010第二学期
北京工业大学实验学院
电子技术课程设计报告
题目双向交通信号灯控制系统、
直流放大器
专业电子信息工程
学号08521135
姓名胡国琦
成绩
指导教师余小滢
2010年6月26日
摘要
当今时代是一个自动化时代，交通灯控灯等很多行业的设备都与电子信息技术密切相关。
随着电子信息技术的迅速发展，以及其在控制技术方面的广泛运用，电子信息技术成为了现代科技发展的主流方向。
因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。
为了确保十字路口的车辆顺利畅通地行驶，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。
本文介绍了一个数字电路控制的交通灯系统的设计。
本系统由控制系统、计时系统、数码管显示系统等组成。
系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、分时段调整信号灯的点亮时间的功能。
本文另一部分是对直流放大器的设计，以及对其精度，零点漂移与失真特性的研究。
我们首先要运用运算放大器原理，通过差动放大，实现交流放大增益50倍的任务，并尽可能减小其温漂、零漂，以及增强其负载能力，达到技术指标的要求。
之后测试在100欧姆电阻上的正弦波最大不失真电压。
关键词：
信号灯双向交通灯放大器单电源
目录
1.电子课程设计概述3
2.数字设计部分4
2.1.设计内容与要求4
2.2.方案比较4
2.2.1.电路比较4
2.3.总体方案5
2.3.1.总体方案介绍5
2.3.2.各部分电路设计原理5
2.3.3.整体电路设计原理8
2.4.硬件仿真与测试分析10
2.4.1.硬件连接10
3.模拟部分12
3.1.设计内容与要求12
3.2.方案比较12
3.2.1.总体方案比较12
3.2.2.元器件方案比较13
3.2.3.仿真工具方案比较14
3.3.总体方案14
3.3.1.总体方案介绍14
3.3.2.单元电路设计原理14
3.4.整体电路设计原理17
3.5.软件仿真与测试分析18
3.6.硬件仿真与测试分析19
3.6.1.硬件连接19
3.6.2.硬件测试分析19
4.参考文献23
5.课题结论24
1.电子课程设计概述
电子技术课程设计是模拟、数字电子技术课程的实践性教学环节，是对学生学习电子技术的综合性训练，这种训练是通过学生独立完成某一个或两个课题的设计、安装和调试任务。
通过电子技术课程设计要求学生：
（1）综合运用电子技术课程中所学到的理论知识，独立完成一个设计课题。
（2）通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。
（3）了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。
（4）学会电子电路的安装与调试技能，掌握电子电路的测试方法及了解印刷线路板的设计，制作方法。
（5）掌握常用电子仪器的使用方法。
（6）MULTISIM作为电子线路仿真软件，是一种在计算机上进行电路仿真、硬件模拟实验的平台。
要求学生运用MULTISIM完成电子电路的设计仿真，以掌握电子电路设计的计算机辅助设计的方法，培养学生的设计能力。
（7）学会撰写课程设计总结报告。
（8）培养学生严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
（9）为了发挥学生的创新精神，允许学生自定义题目，题目的难度和任务量应符合大纲要求。
2.数字设计部分
2.1.设计内容与要求
设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行使中的车辆有时间停止在禁行线外．
用红、绿、黄发光二极管作信号灯，用传感器或逻辑开关作检测车辆是否到来的信号。
主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行，主干道亮绿灯时，支干道亮红灯；支干道亮绿灯时，主干道亮红灯。
主、支干道均有车时，两者交替允许通行。
主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒，设立45秒、25秒计时、显示电路。
在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮5秒黄灯作为过渡，使行使中的车辆有时间停在禁行线外，设立5秒计时、显示电路。
2.2.方案比较
设计交通信号控制系统要求对绿灯黄等红灯分别进行50秒10秒30秒倒计时，通过所学习过的数字电路知识以及资料的查询，设计并运用Multisim软件进行仿真，并在数字电路试验箱上进行硬件仿真。
我们预先构想的两种方案中灯光的显示控制无非是使用74LS74，74LS00，74LS02，74LS138、74LS194等几种器件来实现，可能出现不同的部分主要在于计时控制电路的元器件选择上，采用74LS160或者74LS190芯片是我们考虑采用的两种方案。
2.2.1.电路比较
2.2.1.1.74LS160
如图1所示为采用74LS160进行设计的电路框图
图1采用74LS160设计框图
2.2.1.2.电路方案确定
电路计时部分由芯片74LS194，74LS190实现电路倒计时功能并控制计时电路的计时时间长度。
通过74LS138的灯显示控制部分控制绿、黄、红三色信号灯的开关状态。
计时显示部分则由数码管实现。
在实际生活当中，为了让道路上的车辆与行人清楚地知道，距离下一次灯的转换还有多长时间，好为下一步的行动作好准备，现实中的红绿灯系统都采用倒计时设置。
采用74LS160芯片虽然也能实现50，10，30秒时长的计时，但只能局限于正计时可以说是符合题意但联系实际来看，这种方案便显得有些荒唐，现在的实践环节都是以后实际工作的模拟和演练，更应该从实际出发，毕竟设计的东西都要讲究实用价值，从这个角度来看我们更倾向于选择采用74LS190的电路设计。
灯显示控制采用74LS138，直接用灯的工作原理即通过输出译码的高低电平来实现灯的亮灭。
2.3.总体方案
2.3.1.总体方案介绍
整个交通信号控制系统由计时控制部分，灯控制部分，灯显示部分，计时显示部分这四大部分构成，下面将就每个部分逐一进行介绍。
其中各部分结构关系如下图2所示
图2交通灯整体设计结构关系框图
2.3.2.各部分电路设计原理
2.3.2.1.计时控制部分设计原理
状态控制模块设计：
根据设计要求，信号灯四种不同的状态分别用S0（绿灯亮）、S1（黄灯亮）、S2（红灯亮）、S4（黄灯亮）表示，信号灯的工作顺序流程如图3所示。
S1
S3
S2
S0
图3状态流程图
计时控制模块设计：
由控制模块得：
设置的4个状态、分别为1000，0100，0010，0001，状态编码与信号灯关系表如表1所示。
表1状态编码与信号灯关系表
QA
QB
QC
QD
1
0
0
0
状态0：
主干道绿灯
0
1
0
0
状态1：
主干道黄灯
0
0
1
0
状态2：
主干道红灯
0
0
0
1
状态3：
主干道黄灯
根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，以完成45s、25s、5s的倒计时任务。
如图1-7所示，用两片74LS190加减计数器作为倒计时模块，当工作在状态0时，初始化190十位预置4，各位预置5，选择置数倒计时模式，接通电源脉冲信号给190的个位计数端，同时进入计数模式，当各位由5减到0时，给190十位脉冲信号，十位减1，个位变为9。
直到190的十位和个位都为0时，给预置端高电平通过一系列逻辑门电路给74LS194时钟端，使194移位进入下一个状态，使190十位预置0，各位预置5。
当两位都为0时，进入下一个状态，使190十位预置2，各位预置5。
当两位都为0时，进入下一个状态，使190十位预置0，各位预置5，回到第一个状态。
以此循环，便完成了状态控制模块和计时控制模块。
状态控制与计时控制电路，如图4所示。
图4状态控制与计时控制电路
74LS190为十进制加减计数器，其中CP是计数输入端；S是使能端，
=l时为保持态，
=0时为计数状态；M是加／减工作方式控制端．M=0时为加计数，M＝l时为减计数，S端或M端必须在CP=1时才允许改变状态，否则会影响计数器正常计数。
D3D2D1D0是预置数的数据输入端；LD是直接置数端，
=1时为计数状态，
=0时为置数状态，在此状态能把D3D2D1D0的数直接置入Q3Q2Q1Q0；QCC／QCB，是进位／借位输出端，输出为正脉冲，宽度与计数脉冲的周期相同；QCR是进位时钟脉冲输出端，输出为负脉冲它与计数脉冲的负脉冲同步等宽．所用工作电压为4.75V-5.25V。
74LS194管脚图如图6，74LS194功能表如表2
图574LS190管脚图
图674LS194管脚图
表274LS194功能表
灯控制模块：
根据状控制模块的状态，灯控制模块通过74LS138控制三种灯的亮灭。
灯控制模块电路如图7所示
图7灯控制模块电路
2.3.3.整体电路设计原理
根据题目设计要求绿、黄、红灯亮的时间分别为50秒、10秒、30秒。
所以绿、黄、红灯亮时数码管倒计时显示为49－00、9－00、29－00，这首先决定了74LS190芯片的置数设置。
当计时开始时由于灯显示控制部分中的反馈控制电路作用，
的状态为100。
（即此时绿灯的状态为高电平，绿灯亮。
红、黄灯的状态为低电平，红、黄灯不亮）。
倒计时的显示从49－00循环。
上个计数周期结束后，当计时显示为00时，计时单元给灯显示控制部分一个低电平CLK。
的状态变为010（即黄灯亮，绿、红灯不亮）。
第
（1）块74LS190A、B、C、D管脚的状态为0001（4），第
（2）块74LS190A、B、C、D管脚的状态为0000（0）。
由于两块74LS190A、B、C、D初始置数状态，倒计时从09开始，为09－00循环。
上个计数周期结束后，当计时显示为00时，计时单元给灯显示控制部分一个低电平CLK。
的状态变为001（即红灯亮，绿、黄灯不亮）。
第
（1）块74LS190A、B、C、D管脚的状态为0011（4），第
（2）块74LS190A、B、C、D管脚的状态为0000
（2）。
由于两块74LS190A、B、C、D初始置数状态，倒计时从29开始，为29－00循环。
上个计数周期结束后，当计时显示为00时，计时单元给灯显示控制部分一个低电平CLK。
的状态变为100。
（即绿灯亮，黄、红灯不亮）。
第
（1）块74LS190A、B、C、D管脚的状态为0101（4），第
（2）块74LS190A、B、C、D管脚的状态为0000（4）。
由于两块74LS190A、B、C、D初始置数状态，倒计时又重新回到最先开始的从49－00循环。
如此持续循环实现交通信号灯控制器的功能。
其电路图如图8所示
图8单向交通信号灯控制器电路图
双向交通灯与双向基本没有区别，单向交通信号灯控制器电路图如下图9所示
图9双向交通信号灯控制器电路图
2.4.硬件仿真与测试分析
2.4.1.硬件连接
2.4.1.1.元器件清单
数字电路实验箱TPE-D6ⅢA1台
示波器YB4320A1台
导线若干
74LS1381片
74LS1941片
74LS1902片
74LS041片
74LS321片
实际的硬件连接操作按照仿真原理图连接，如图10所示。
绿、黄、红灯变化正常，计时显示正常。
图10单向交通信号灯控制系统电路实际硬件连接
双向交通灯和单向的没有什么本质上的区别，就是数字上的改动而已，并且时间要对应上，两边不要冲突。
实际的硬件连接操作如图11所示。
绿、黄、红灯变化正常，计时显示正常。
图11双向交通信号灯控制系统电路实际硬件连接
3.模拟部分
3.1.设计内容与要求
根据基本要求完成设计。
包括电路形式、元器件参数。
进行上机仿真得出直流特性、温度特性。
给出曲线和表格的数据表达方式。
写出设计说明书。
在实验箱或电路板上，用运算放大器（LM358/TLC2262CP/LM741），按指定的外部引线方式搭接电路，供自己调试和实际测评。
电路形式，元件参数和内部接线方式不限。
题测试评价内容：
直流放大增益=50倍。
输入为0V时的输出电平。
外部加热源照射时的输出漂移值。
200W白炽灯照射20秒钟，按1秒间隔记录输出温漂电压。
计算累加值。
在100欧姆电阻上的正弦波最大不失真电压。
仿真测试条件：
增益测试直流输入电平50mV、100mV两档。
最大不失真测试，信号频率100Hz。
分别给出几种不同温度条件的仿真结果。
对12V单电源供电和正负6V双电源供电的设计参数进行比较。
3.2.方案比较
3.2.1.总体方案比较
方案一：
由题目要求，设计50倍放大电路，本方案采用一级放大电路，单电源供电，一级放大电路放大电压50倍，，其系统框图如图12所示：
图12方案一系统框图
方案二：
从设计要求的带载能力出发，采用推挽式功率放大电路，其带载能力更强，可以提供更大的输出电流，以满足更小的电阻做为负载。
其放大也分为两集放大，但放大倍数都有所增加，能够达到约2000倍电压放大，且其放大电压不是真，并采用单电源供电方式。
其系统框图如图13所示：
图13方案二系统框图
方案确定：
经Multisim10仿真后发现，方案一的放大电路虽然有一定的电流放大作用，但其放大的电流在负载电阻为100Ω时，负载电路出现失真现象，由于题目要求，不能出现失真，方案二不仅能够提供更大的负载电流，且方案二放大倍数大于方案一，这也是选择方案二的一个重要原因，故采用方案二。
3.2.2.元器件方案比较
可供选择的运算放大器有LM741、LM324和LM358三种。
LM741芯片内有1个运放器、LM324芯片内有4个运放器、LM358芯片内有2个运放器，从经济的角度考虑选用LM324较好，但其放大效果不佳；此外，LM741在电路中需先进行“调零”，否则产生的波形容易失真，综上所述，选择LM358放大器。
3.2.3.仿真工具方案比较
与数字电路部分仿真工具比较相同，采用multisim软件进行仿真。
3.3.总体方案
3.3.1.总体方案介绍
本设计分为电压放大部分和功率放大部分，首先说明电压放大电路，电压放大用2片LM358作为放大器，使用其中三个运算放大器搭成仪表放大器，功率放大采用OCL功率放大电路。
最终电路电压放大倍数能够达到50倍，当负载电阻为100Ω时，电路不失真。
3.3.2.单元电路设计原理
3.3.2.1.放大电路
电压放大采用LM358作为放大器，其特点为内部频率补偿，直流电压增益高（约100dB），单位增益频带宽（约1MHz），电源电压范围宽：
单电源（3—30V），双电源（±1.5一±15V），低功耗电流，适合于电池供电，低输入偏流，低输入失调电压和失调电流，共模输入电压范围宽，包括接地，差模输入电压范围宽，等于电源电压范围，输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V），其管脚图和放大单元原理图如图14所示。
图14LM358管脚图及放大单元原理图
本电压放大电路采用仪表放大电路，可得出其放大电路如图15所示
图15放大器放大电路
3.3.2.2.功率放大电路
OCL功率放大电路分别采用PNP型低频功率晶体管2SA952和NPN型低频功率晶体管2SC2001，2SA952参数为Icm=700mA，Pt=600mW，Ubrceo=25V，Uces=0.2V
2SC2001参数为Icm=-700mA，Pt=600mW，Ubrceo=-25V，Uces=-0.25V，其输出功率为交流功率，可用瓦特表测量，电源消耗功率Pv为平均功率，可采用直流表测量电源的输出平均电流，然后计算Pv。
其计算公式为：
效率计算公式为：
其电路连接如图16所示
图16OCL功率放大电路
3.3.2.3.单电源运放
单电源供电的电路运放的电源脚连接到正电源和地。
正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。
将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom之内。
有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。
这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh和Vol。
在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以我们必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。
单电源工作的运放需要外部提供一个虚地，通常情况下，这个电压是VCC/2，的电路可以用来产生VCC/2的电压，但是他会降低系统的低频特性。
R1和R2是等值的，通过电源允许的消耗和允许的噪声来选择，电容C1是一个低通滤波器，用来减少从电源上传来的噪声。
在有些应用中可以忽略缓冲运放。
单电源运放的转换如图17所示，放大器虚地电路如图18所示
图17（A）单电源（B）双电源
图18放大器虚地电路
3.3.2.4.调零电路
由于外界温度影响，与零电位相差较多，所以由此我们想到了手动调零装置，也就是说每次使用电路前都可以通过此装置将电路调零，从而达到精确实验的目的。
此部分的具体设计如图19：
图19调零电路
将此部分接入正负电源和第二级放大器之间，调节变阻器（电位器）可以起
到精确调零的作用。
3.4.整体电路设计原理
本电路为50倍电压放大电路，并配有功率放大电路，可带载100Ω且使输出波形不失真，由于想使放大电压可调，故加一个滑动变阻器，调整放大倍数。
作为单电源放大电路，还需自行搭建虚地电路，使放大器可以正常工作。
放大器理论计算公式：
=
3.5.软件仿真与测试分析
单电源放大电路仿真图如图20所示：
负载为100Ω电阻时输出波形如图21所示：
图20单电源放大电路仿真图
图21负载为100Ω电阻时输出波形
分析：
在未加功率放大的情况下，输出接100Ω负载，波形赋值下降。
3.6.硬件仿真与测试分析
3.6.1.硬件连接
3.6.1.1.元器件清单
模拟电路实验箱SAC-MS31台
EE1641B1信号发生器1台
示波器YB4320A1台
导线若干
硬件连接：
硬件连接时，按照仿真原理图进行连接，连接后用示波器对放大器输出进行测试。
硬件连接图如图22：
图22电路连接图
3.6.2.硬件测试分析
经测试：
数据如下表3，硬件连接图如下图23，图24，图25，图26，图27
表3
方案一
=
-
噪声
备注
100
<<50
方案二
=
-
噪声
备注
26.6Hz
28.15KHz
28.1234KHz
50
30mv
100
<50
交越失真（无功率放大）
100
50
不失真（有功率放大）
图23简单放大电路
图24仪表放大器
图25仪表放大器
图26交越失真
图27加功率放放大器后
经SAC-MS3型模拟电路实验箱按仿真电路链接后，实验结果与仿真结果相同，进一步证明设计原理正确。
4.参考文献
1．华成英童诗白.模拟电子技术技术.第四版.高等教育出版社.2006年5月
2．李银华.电子线路技术指导.北京航空航天大学出版社.2005年6月
3．阎石.数字电子技术.第五版.高等教育出版社,2006年5月
4．罗杰，谢自美.电子线路设计实验测试.第四版.电子工业出版社，2008年4月
5．熊伟侯传教梁青孟涛.Multisim7电路设计及仿真应用.清华大学出版社.2007年
5.课题结论
数字电路是我们上个学期所学的课程，在考试和实验中感觉自己对数电有了一定的掌握，但在这次设计交通灯系统时，我发现有很多知识我已经记不清楚很多感觉自己掌握的知识自己其实掌握得还很不熟练，这一点在设计与应用过程中暴露无疑，在时序与逻辑关系上显得尤为突出，为此我们可以说对上个学期的数电课程进行了一次复习，并且走进图书馆连接互联网查询相关资料。
时序逻辑是我们所没有接触过的一项技术知识，但它同时也是数字电路的最核心内容，可以说掌握了时序逻辑分析这项只是我们便可以从理论高度对数字电路进行掌握和认识，在指导老师的建议下我们在实现了基本任务要求完成了交通灯控制系统的软件仿真以及硬件测试后，在电路中连接逻辑分析仪。
起初我们对时序逻辑的概念并不是很清晰，通过时序逻辑分析仪的图像并不能够实际电路中的各种状态相对应进行分析，我们找老师进行了探讨，在这个过程中我们对时序逻辑的概念有了更清晰地认识，也发现了我们第一次报告中所列出的逻辑分析仪图像的不合理之处，我们进行了修改并获得了正确的逻辑分析结果。
我们看到了电路中各点在不同阶段的不同状态，是一个抽象的电路状态变化过程相对形象的表现了出来，使我们认识到这项技术的重要性，我想这是我们本次数字电路课程设计的最大收获。
经过单电源和双电源两个电路的比对我们可以发现，双电源电路相对稳定，输出波形好，不易产生波动，但其是双电源电路，在工程应用当中显得十分麻烦，然而单电源电由于采用虚地的方法供电，运算放大器内部的很多稳定工作的电路都没有用上，故易受温度、噪声等外部影响，产生波形波动等现象，因此，我们采用了差动输入方式，以减少温度，湿度，及其它外界因素对放大器的影响，但差动放大器的参数很难配置，在使用时最好使用同轴滑动电阻器，以保证对应电阻阻止一样。
另外，放大器实验中很重要的一部分，通过实验学习，加深了我对放大器的了解。
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