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。