数字电路与逻辑设计实验电子制作内容DOC.docx
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数字电路与逻辑设计实验电子制作内容DOC
项目四:
数字电子设计内容
一、目的要求
1、熟悉数字系统的设计步骤。
2、掌握数字系统的设计思想及实现方法。
二、制作内容
1、声音响度显示电路
●任务目标
设计声音响度显示电路,使其能够显示正常说话的音量,通过发光二极管来判别说话的声音大小,并能够根据声音大小显示出亮度。
●任务分析
根据任务目标,绘制原理框图如图所示
图2-4-1声音响度原理框图
电路包括声音检测电路和显示电路两个部分,声音检测电路使用放大器LM386来实现放大咪头拾取的语言信号,声音大小显示电路用来检测无声状态、声音较小状态和声音足够大状态后用二极管作出相应的显示。
●任务设计
根据任务目标,设计声音响度显示电路,如图所示
图2-4-2声音响度仿真原理图(proteus环境)
图中电路是由六个反相器CD4069构成的声音响度显示电路。
电路主要由两只集成块和6只发光二极管构成。
LM386是一块音频功率放大集成电路;CD4069是一块非门集成电路;咪头提供给LM386声音声源。
●任务实现
(1)供电电路
电池盒供给5V直流电压用于响度检测和显示电路作工作电压。
(2)声音检测放大电路
声音检测电路由咪头和LM386为主构成,由咪头检拾到的声音信号,经变换为电信号后加至LM386放大输出,通过二极管对电容进行充电,由此即可将声音的大小变换为电容上所充电压的大小。
(3)显示电路
显示电路由CD4069与6只发光二极管共同组成,CD4069的6只非门的触发电平均为电源电压的1/2,R1-R6为降压电阻,由于降压电阻的作用,使咪头上的充电电压分配到6只非门输入端的作用电压依次降压,也就是使非门1至非门6翻转时所需的咪头端电压依次升高。
无声状态:
当无声音被咪头检拾到时,电容两端电压略低于电源电压1/2,6只非门电路的输入端均处于低电平状态,其输出均为高电平,故LED1-LED6发光二极管均不会点亮。
声音较小状态:
当咪头检拾到的声音较小时,咪头两端所充电压较低,只有前面一个或两个非门被触发器翻转输出低电平,以使相对应的发光二极管被导通发光。
声音足够大状态:
当咪头检拾到声音足够大时,咪头两端的充电电压会接近电源电压,该电压虽经R1-R5降压,但在R6的上端仍可分得超过1/2电源电压的作用电压,使非门6也翻转,并输出低电平,点亮LED6发光二极管。
此时LED1-LED6全部点亮,以显示声音的响度最高。
这种声音响度显示电路适用于娱乐中测量掌声、喊叫声的响度,也可用于家庭音响系统,作为音响电平指示器等。
●任务难点
R1-R6分压电阻的选取。
电路设计者首先要在multisim或proteus中仿真出结果,仿真时,声音信号可以用信号发生器代替。
当仿真出结果时,电阻值基本上粗略估定,然后用万用版插接实验,插接时可以电阻可以使用可变电阻代替,当实验得出效果后,测出实际电阻用固定电阻代替。
●所用元件列表
表2-4-1声音响度电路元件清单
电池盒(四节)
1只
1.5V干电池
4节
按键开关
3只
电阻
若干只
CD4069非门
1只
发光二极管
6只
电路板
一块
导线
若干
●任务要求
(1)要做出multisim或proteus仿真图。
(2)要做出protel原理图和PCB图,设置最小线宽及线间距大于等于8mil(0.2mm),焊盘内径为20mil-40mil(0.6-1mm),焊盘外径大于等于60mil(1.5mm)。
(3)做出实物要考虑电源开关,咪头输入和发光二极管等输入输出及调整元件的位置以便包装。
(4)要写出设计文档,要求文章结构同电子类设计文档一样。
文档中要求写出LM386的有关电路,并说明本电路放大了多少倍,写出CD4069非门的管脚图及功能,写出分压电路各点的参考电压等关键性数据,写出咪头的相关参数,给出LM386输出电压的范围。
2、水箱水位检测电路
●任务目标
水位监测电路监测到水箱不同的水位后,通过译码器译码输出控制音响电路发出不同声音或闪烁提示。
●任务分析
根据任务要求,该系统包括水位监测电路、译码器、音响电路、载频振荡电路4个部分,如下图所示。
水位检测电路用来检测水位信号,当水位到达某一位置时,给出输出信号,译码器电路主要目的是把水箱水位信号转换为控制信号,显示电路把水位信号能够显示出来。
图2-4-3水位监测电路原理框图
●任务设计
水箱水位监测电路设计图如下图所示:
图2-4-4水位监测电路仿真图(protues环境)
电路主要由2块集成电路和四只发光二极管组成。
其中:
与非门的型号为CD4011,是一块2输入4与非门数字集成电路;CD4514是一块4-16译码器(高电平有效)数字集成电路。
●任务实现
(1)水位检测与信号转换
水箱中的水位用波动开关进行模拟。
U1A-U1B组成4个反相器,将水位高低转换为4组二进制码加到CD4514的2、3、21、22脚上。
(2)信号译码
CD4514是一块4-16译码器,它对检测到的水位信号进行译码,译码后的结果分别去控制发光二极管的亮灭。
(3)显示电路
通过二极管来显示水位的不同变化。
●所用元件列表
表2-4-2水位监测电路元件清单
电池盒(四节)
1只
1.5V干电池
4节
4排波动开关
1只
471K电阻
4只
CD4011与非门
1只
CD4514译码器
1只
发光二极管
4只
二极管限流电阻
若干
电路板
一块
导线
若干
●任务要求
(1)要做出multisim或proteus仿真图。
(2)要做出protel原理图和PCB图,设置最小线宽及线间距大于等于8mil(0.2mm),焊盘内径为20mil-40mil(0.6-1mm),焊盘外径大于等于60mil(1.5mm)。
(3)做出实物要考虑电源开关,咪头输入和发光二极管等输入输出及调整元件的位置以便包装。
(4)要写出设计文档,要求文章结构同电子类设计文档一样。
文档中要求写出CD4514的相关技术资料及使用方法和作用,写出CD4011的相关技术资料,分析此处使用4514的目的。
3、可预制时间的定时电路的设计
●任务目标
用计数器构成可预制时间的定时电路,应用于各种智力和知识竞赛场合,并设定抢答时间。
●任务分析
根据任务目标,绘制原理框图如下图。
图2-4-5定时电路原理框图
该设计包括秒脉冲发生器电路、计数器、显示译码器和数码管4个部分。
在智力和知识竞赛中,节目主持人根据抢答题的难易程度,通过计数器设定抢答时间,显示译码器驱动数码显示对应时间,秒脉冲电路给计数器提供时钟脉冲。
●任务设计
设计电路如下图所示:
图2-4-6定时电路仿真图(proteus)
电路由2块十进制同步加/减计数器192预制答题的抢答时间,计数器的时钟脉冲由555时基电路组成的多谐振荡器提供,显示译码器48驱动数码管显示预制的时间。
●任务实现
(1)秒脉冲电路
555时基电路组成多谐振荡器,产生一定频率的矩形脉冲。
脉冲周期由电容C的充放电时间决定,T=0.7(R1+2R2)C=1s。
(2)时间显示电路
时间显示电路选用2块显示译码器74ls48来驱动数码管显示预制的时间。
(3)预制时间电路
预制时间电路选用2块十进制同步加/减计数器192进行设计。
两个集成块的时钟脉冲均从DN(down)输入。
低位片的DN接秒脉冲电路产生的秒脉冲信号,高位片的DN接低位片的借位端BO’,低位片每计10个秒脉冲,高位片计1个,即高位片预制定时时间的十位数,低位片预制定时时间的个位数。
假设定时时间预制为30s,则预制高位片数据端D3D2D1D0=0011,低位片数据的D3D2D1D0=0000。
接通电源和控制开关S,七段数码管显示数据“30”,然后断开控制开关S。
每过1s,数码管显示数据递减,直到00,数码管显示数据就不再变化。
●所用元件列表
表2-4-3可预置定时电路元件清单
74ls192
2个
74ls48
2个
七段共阴极数码管(单个8引脚)
2个
74ls00
1个
电阻
若干
电容
若干
555
1片
发光二极管
1只
+5V电源
单刀双掷开关
8个
按键开关
1个
●任务要求
(1)要做出multisim或proteus仿真图。
(2)要做出protel原理图和PCB图,设置最小线宽及线间距大于等于8mil(0.2mm),焊盘内径为20mil-40mil(0.6-1mm),焊盘外径大于等于60mil(1.5mm)。
(3)做出实物要考虑电源开关,预置开关和发光二极管等输入输出及调整元件的位置以便包装。
(4)要写出设计文档,要求文章结构同电子类设计文档一样。
文档中要求写出74LS192、74LS48和74LS00的管脚图及功能表。
试说明两个与非门在电路中的作用并计算时钟电路的参数。
4、按键式加减电路的设计
●任务目标
用一个拨动开关控制加减,用按键或一个秒脉冲发生器来产生时钟脉冲,当开关拨动到加时,按键实现加计数,当开关拨动到减时,按键实现减计数。
●任务分析
根据任务目标,绘制原理框图如下图。
图2-4-7按键式加减电路原理框图
该设计包括秒脉冲发生器电路(或按键)、计数器加减控制、显示译码器和数码管4个部分。
在很多应用场合,需要通过一个开关来控制加减计数控制,通过按键来实现加减计数。
显示译码器驱动数码显示对应时间,秒脉冲电路给计数器提供时钟脉冲。
●任务设计
设计参考电路如图所示:
图2-4-8按键式加减电路仿真图(Proteus环境)
●任务实现
(1)秒脉冲电路
555时基电路组成多谐振荡器,产生一定频率的矩形脉冲。
脉冲周期由电容C的充放电时间决定,T=0.7(R1+2R2)C=1s。
或是通过按键方式来实现加减计数。
555时基电路图参考上例。
(2)时间显示电路
时间显示电路选用1块显示译码器74ls48来驱动数码管显示计数内容。
(3)计数加减控制电路
加减控制可以通过一个单刀双掷开关来控制,通过它的拨动来选择加或减计数,再配合秒脉冲发生器就可以实现上述功能。
●所用元件列表
表2-4-4按键式加减控制电路元件清单
74ls192
1个
74ls48
1个
七段共阴极数码管(单个8引脚)
1个
电阻
若干
电容
若干
555
1片
发光二极管
1只
+5V电源
单刀双掷开关
2个
按键开关
1个
●任务要求
(1)要做出multisim或proteus仿真图。
(2)要做出protel原理图和PCB图,设置最小线宽及线间距大于等于8mil(0.2mm),焊盘内径为20mil-40mil(0.6-1mm),焊盘外径大于等于60mil(1.5mm)。
(3)做出实物要考虑电源开关,预置开关等输入输出及调整元件的位置以便包装。
(4)要写出设计文档,要求文章结构同电子类设计文档一样。
文档中要求写出74LS192、74LS48的管脚图及功能表。
试说明控制加减功能的实现。
(5)如果要控制两位数的加减,试设计其实现电路。
5、四人抢答电路
●任务目标
用D触发器74LS175设计一个四人抢答器,当四人中有一人按下按键则屏蔽其他人继续按下。
●任务分析
根据任务目标,绘制原理框图如下图。
图2-4-9四人抢答电路原理框图
该设计包括按键电路、多触发器记忆电路、锁定电路和显示电路4个部分。
●任务设计
设计电路如下图所示:
图2-4-10四人抢答电路仿真图(proteus环境)
时钟信号采用100Hz,可以自己参考上面的例子用555定时器设计。
●任务实现
(1)按键电路
当没有按键按下时,按键电路输出为低电平,当有按键按下时,输出为高电平。
(2)触发器记忆电路
74LS175的1引脚为清零信号,当按下与它连接的按钮时,触发器输出清零,即Q0Q1Q2Q3=0000,相应的二极管都不亮。
当有一人按下按键时,屏蔽了时钟输入信号,此时其他人按下也不能使状态进入触发器。
(3)显示电路
采用发光二极管用来显示按下的位置。
●用元件列表
表2-4-5四人抢答电路元件清单
74LS175
1个
发光二极管
4个
普通二极管
1个
三极管2N222
1个
扬声器(8欧姆)
1个
74LS00
1个
74LS20
1个
电阻
若干
按键开关
4个
导线
若干
时钟电路
1个
电源
1个
●任务要求
(1)要做出multisim或proteus仿真图。
(2)要做出protel原理图和PCB图,设置最小线宽及线间距大于等于8mil(0.2mm),焊盘内径为20mil-40mil(0.6-1mm),焊盘外径大于等于60mil(1.5mm)。
(3)做出实物要考虑电源开关,预置开关等输入输出及调整元件的位置以便包装。
(4)要写出设计文档,要求文章结构同电子类设计文档一样。
文档中要求写出74LS175、74LS20和74LS00的管脚图及功能表。
试说明抢答功能的实现及锁定抢答电路的原理。
(5)如果有8个人抢答,试设计其实现电路。
6、三态逻辑电平笔
●任务目标
设计一三态逻辑电平笔,不仅可以检测出电路的高电平、低电平与高阻状态,还可以测出电路中是否存在脉冲信号。
●任务分析
根据任务目标,绘制原理框图如下图。
图2-4-11三态逻辑电平原理框图
该设计包括检测电路、显示电路2个部分。
●任务设计
设计电路如下图所示:
图2-4-12三态逻辑电平仿真图(proteus环境)
当开关拨动到上方时,探笔与高电平连接,发光二极管D3导通发光,当开关拨动到中间时,探笔为高阻悬空状态,两个发光二极管都不发光,当开关拨动到下方时,发光二极管D4导通发光。
●任务实现
(1)检测电路
当电路的测试点没有接触电路或者接触的是高阻状态时,由于电阻R3、R4和二极管D1、D2的分压作用,使PNP型三极管Q2的基极电压约为3.2V,它的发射级电压约为3.8V。
三极管Q2截止,发光二极管D4不亮(因为发光二极管的电压降为1.8V)。
同样此时NPN型三极管Q1的基极电压约为1.8V,它的发射极电压约为1.2V,发光二极管D3也不亮。
R5的作用是减小逻辑电平笔对被测电路的影响。
R1和R2的作用是限流。
(2)显示电路
当电路的测试点接触到高电平时,三极管Q1的基极电位升高,三极管Q1导通,发光二极管D3亮。
而三极管Q2仍然截止,发光二极管D4不亮。
当电路的测试点接触到低电平时,三极管Q2的基极电位降低,三极管Q2导通,发光二极管D4亮。
而三极管Q1仍然截止,发光二极管D3不亮。
●用元件列表
表2-4-6三态逻辑电平电路元件清单
电阻
若干
发光二极管
2个
普通二极管1N4148
2个
三极管9015
1个
三极管9014
1个
导线
若干
电源
1个
●任务要求
(1)要做出multisim或proteus仿真图。
(2)要做出protel原理图和PCB图,设置最小线宽及线间距大于等于8mil(0.2mm),焊盘内径为20mil-40mil(0.6-1mm),焊盘外径大于等于60mil(1.5mm)。
(3)做出实物要考虑电源开关,预置开关等输入输出及调整元件的位置以便包装。
(4)要写出设计文档,要求文章结构同电子类设计文档一样。
文档中要求写出电路工作原理,要有理论计算过程。
(5)如果测量12V的脉冲电路,应如何设计电路。
7、秒表的制作
●任务目标
设计一秒表实现电路,可以以1/10s,或者1/100s为单位进行时间的测定。
4位计数器分为1/100s,1/10s,1s和10s这4位,最大的计数为99.99s。
并具有启动、停止和复位开关。
●任务分析
根据任务目标,绘制原理框图如下图。
图2-4-11秒表电路原理框图
该设计包括1/100s振荡器、计数、译码和显示电路4个部分。
●任务设计
设计电路如下图所示:
图2-4-12秒表电路仿真图(proteus环境)
点击启动开关开始计数,中间点击停止开关会停止计数并显示停止时刻的数字。
再点击启动则继续计数。
点击复位开关会清零。
●任务实现
(1)1/100s振荡电路
振荡电路查阅相关资料自行设计一般情况下用1MHz晶振进行10000分频实现。
(2)计数电路
采用74LS160十进制计数芯片实现,采用并行方式进行控制。
(3)译码电路
采用74LS48实现译码
(4)显示电路
采用共阴极数码管来显示
●用元件列表
表2-4-7三态逻辑电平电路元件清单
电阻
若干
共阴极数码管
4个
74LS48
4个
74LS160
4个
74LS00
1个
按键开关
3个
电源
1个
1/100s发生电路
1个
电线若干
●任务要求
(1)要做出multisim或proteus仿真图。
(2)要做出protel原理图和PCB图,设置最小线宽及线间距大于等于8mil(0.2mm),焊盘内径为20mil-40mil(0.6-1mm),焊盘外径大于等于60mil(1.5mm)。
(3)做出实物要考虑电源开关,预置开关等输入输出及调整元件的位置以便包装。
(4)要写出设计文档,要求文章结构同电子类设计文档一样。
文档中要求写出电路工作原理,特别说明如何实现启动、停止和复位的原理。
(5)说明各个74LS160芯片如何协同工作。