电子技术综合设计.docx
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电子技术综合设计
电子技术综合设计
1、选题安排
实行网上自由选题，每人1题，包含若干个软件仿真设计小题、其中有1道小题在仿真实现的基础上要求完成硬件制作，具体要求见选题。
设计流程：
查阅有关文献资料→拟定电路原型→依据性能指标，进行参数计算，确定电路元器件参数→画出原理电路→仿真分析验证设计方案、调整有关电路参数→实际制作、测试电路性能参数→写出设计报告。
时间安排：
选题结束后，自己安排时间进行课题资料查阅、原理方案设计和参数计算，然后进行软件仿真（可以利用自己的PC机或利用实验室开放时间段预约后到实验室进行仿真实验），完成上述工作后预约第一阶段检查验收，验收合格后，凭指导教师验收签字单到实验中心领取器材进行硬件制作部分，完成调试后，经指导教师验收签字，最后，撰写课程设计总结报告并提交到实验中心。
成绩评定：
严格按评分标准进行成绩评定，不及格等级者需要重修。
2、设计报告要求
编写课程设计的总结报告是对学生写科学论文和科研总结报告的能力训练。
通过写总结报告，不仅将设计、组装、调试的内容进行全面总结，而且可以将实践内容上升到理论高度。
总结报告应包括以下内容：
（1）课题名称；
（2）内容摘要；
（3）设计内容及要求；
（4）系统方案设计，分析比较各种方案的优缺点，画出系统框图；
（5）单元电路设计、参数计算和器件选择；
（6）画出完整的电路图，并说明电路的工作原理；
（7）组装调试部分：
使用的主要仪器，调试电路的方法和技巧，测试的数据和波形并与计算结果比较分析，调试中出现的故障、原因及排除方法；
（8）总结设计电路的特点，并提出改进意见；
（9）收获和体会；
（9）附录：
列出参考文献；列出系统需要的元器件清单。
3、评分标准
序号
评分项目
要求
基本分
评分
加分
备注
1
资料查阅
有查阅设计参考书、科技论文、科技报告等资料记录
10
良好：
10
资料查阅充实，加5分
一般：
6
较差：
4
2
问题回答
准确回答问题
10
良好：
10
回答问题准确无误，加5分
一般：
6
较差：
4
3
软件仿真
仿真功能正确、参数测试正确
30
良好：
30
综合结果特别优秀的加10分
一般：
20
较差：
10
4
硬件制作
工作稳定、参数测试正确
20
良好：
30
布局焊接美观、测试准确5
一般：
20
较差：
10
5
设计报告
20
良好：
20
设计报告工整、规范5
一般：
15
较差：
10
合计
90
30
优秀等级：
总分≥105分，其中基本分≥80分。
良好等级：
总分≥90分，其中基本分≥70分。
中等等级：
总分≥70分，其中基本分≥60分。
及格等级：
总分≥60分，其中基本分≥50分。
不及格等级：
总分≤59分，或有下列行为之一者，直接评为不及格。
（1）抄袭行为，指资料查阅、软件仿真电路、硬件电路原理图等其中之一直接拷贝同学的、或设计报告抄袭达30%以上者。
（2）缺设计报告，规定时间内不能提交设计报告。
（3）不能按时完成者，指选题、资料查阅及回答提问、仿真设计及检查验收、硬件制作及测试验收等环节规定的最终时间。
选题：
每人自由选其中1题，选题一周后不能更改。
一、放大器设计
放大器是应用广泛的基本模拟电路，主要用于小信号的放大，基本性能指标有增益系数、输入电阻、输出电阻、通频带（带宽）等，依据不同的性能要求选用不同的集成运放作为放大器件，不同的集成运放其增益带宽积为不同的常数，输入电阻决定于第一级、输出电阻决定于最后一级。
1、要求完成原理设计并通过软件仿真部分
（1）输入为100mV的正弦信号，负载电阻1KΩ，放大器的性能参数为：
增益40dB、输入电阻50Ω、输出电阻≤10Ω、通频带范围300Hz~4000Hz。
总结：
1、设计放大电路第一步确定反馈类型：
运放器一般都用负反馈，使得放大电路稳定，正反馈电路会造成放大电路的不稳定。
2、正相放大与反向放大的区别：
正相放大不发生相位的改变，且总是放大；反相放大会发生相位滞后180°，且不仅可以放大也可以缩小。
3、低通滤波器会造成相位滞后，高通滤波器会造成相位超前。
4、放大器中滤波器决定通频带，反馈支路决定增益。
万用表测量的是有效值。
5、Q（品质因素）是相移造成的。
6、设计放大器的思路：
1）确定反馈类型
2）确定滤波器
3）调节通频带
4）调节增益
5）调试
7、741的带宽增益积为1M，如果带宽fh为400Khz，一级只能放大2.5倍。
（2）输入为0.5mV的正弦信号，负载电阻1KΩ，设计放大器的性能参数为：
增益80dB、输入电阻≥200KΩ、输出电阻≤50Ω、通频带范围20Hz~400KHz。
总结：
1、设计放大器时，对于较高的通频带，应注意芯片的带宽增益积。
带宽增益积=增益*通频带（约等于上限频率），所以芯片的增益都有一定的限制范围。
2、放大器只放大幅值，并不改变频率，如若输入与输出的频率发生改变，原因可能是发生了自激振荡。
３、芯片内阻大约为１Ｍ欧姆，要求反馈电阻不能过大，如果与内阻相近，那么虚断原则将不会成立。
一般反馈电阻在１～１００Ｋ欧姆左右。
（3）输入为10mV的正弦信号，负载电阻1KΩ，设计放大器的性能参数为：
增益60dB、输入电阻10KΩ、输出电阻≤20Ω、通频带范围500Hz~10KHz，要求增益可调，调节步进10dB。
软件仿真部分元器件不限，只要元器件库中有即可，但需要注意合理选取。
2、要求实际制作部分
上述（3）输入为10mV的正弦信号，负载电阻1KΩ，设计放大器的性能参数为：
增益60dB、输入电阻10KΩ、输出电阻≤20Ω、通频带范围500Hz~10KHz，要求增益可调，调节步进10dB。
硬件制作部分核心元器件：
LM324、uA741、DAC0832，电阻电容不限。
二、滤波器设计
滤波器是限制信号的频率范围，用于提取有用信号、滤除噪声干扰信号、提高信噪比。
滤波器类型有无源滤波器和有源滤波器，其中又分为低通、高通、带通、带阻、全通等。
滤波器的主要性能参数有：
截止频率、下降速率、品质因素等。
1、要求完成原理设计并通过软件仿真部分
（1）低通滤波器电路，截止频率分别为300Hz、1KHz，衰减速率≥40dB/十倍频。
总结：
1、RC低通滤波器中，R的阻值会影响运放器的输入电阻，实际运放中靠近原点附近存在死区，当输入电流很小时，运放器将会工作在类似于截止区的死区，从而无法如预期中放大。
2、低通滤波器一般可以放置在中间级。
放置在输入级，R的电阻将会影响输入电阻；放置在输出级将会影响输出电阻，均会使得其工作在死区，所以一般滤波器放置在中间级，如若放置在输入或输出级，应使得R的电阻足够小，不影响输入或输出电阻，一般R的总值不宜超过1M。
3、运放器的输出电阻比较小，一般输出级的电阻不应影响运放器的输出电阻。
4、一级放大，出于输入、输出电阻的考虑，低通滤波器一般置于输入级，高通滤波器一般置于输出级。
（2）高通滤波器电路，截止频率分别为300Hz、1KHz，衰减速率≥40dB/十倍频。
（3）带通滤波器，频率范围300Hz~3400Hz，衰减速率≥40dB/十倍频。
（4）四阶椭圆形低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，要求在200kHz处小于-50dB，-3dB通带误差不大于5%。
软件仿真部分元器件不限，只要元器件库中有即可，但需要注意合理选取。
2、要求实际制作部分
上述（4）四阶椭圆形低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为20kHz，要求在80kHz处小于-50dB，-3dB通带误差不大于5%。
硬件制作部分核心元器件：
uA741、LM324、9013，电阻电容不限。
交通灯定时控制系统的设计、制作
在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。
交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。
1、设计任务及要求
设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：
（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒。
（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。
（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。
选做扩展功能：
（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；
（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。
2、设计原理
（1）分析系统的逻辑功能，画出其框图
交通灯定时控制系统的原理框图如图1所示。
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
图中：
TL：
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到，TL=1，否则TL=0。
TY：
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到，TY=1，否则，TY=0。
ST：
表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号，由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。
定时器
甲车道信号灯
秒脉冲
发生器
TLTYST
译码器
控制器
乙车道信号灯
图1交通灯控制系统原理框图
（2）画出交通灯控制系统的ASM（算法状态机）图
一般十字路口的交通灯控制系统的工作状态及其功能如表1：
表1
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
S0（00）
S1（01）
S3（11）
S2（10）
甲绿，乙红
甲黄，乙红
甲红，乙绿
甲红，乙黄
甲车道通行，乙车道禁止通行
甲车道缓行，乙车道禁止通行
甲车道禁止通行，乙车道通行
甲车道禁止通行，乙车道缓行
控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
AG=1：
甲车道绿灯亮；BG=1：
乙车道绿灯亮；
AY=1：
甲车道黄灯亮；BY=1：
乙车道黄灯亮；
AR=1：
甲车道红灯亮；BR=1：
乙车道红灯亮。
由此得到交通灯的ASM图，如图2所示：
ARBY
ST
AGBR
0
1
TY
TL
0
1
0
0
1
1
ST
TL
ARBG
ST
TY
AYBR
ST
图2交通灯控制系统的ASM图
（3）单元电路的设计
①定时器
定时器由与系统秒脉冲同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号ST作用下，先清零，然后在时钟上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
②控制器
控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表2所示：
表2
输入
输出
现态
状态转换条件
次态
状态转换信号
TLTY
ST
00
00
01
01
11
11
10
10
0X
1X
X0
X1
0X
1X
X0
X1
00
01
01
11
11
10
10
00
0
1
0
1
0
1
0
1
控制器的逻辑图自行设计。
③译码器
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态翻译成甲、乙车道上的6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编号与信号灯控制信号之间的关系如表3所示。
译码器电路请自行设计。
表3
Q1Q0
AGAYAR
BGBYBR
00
01
11
10
100
010
001
001
001
001
100
010
3、设计内容与步骤
（1）在Multisim工具软件中设计电路并进行仿真，仿真结果正确则进入下一步骤；
（2）安装、调试定时电路；
（3）安装、调试控制器电路；
（4）安装、调试译码器电路，其输出接甲、乙车道上的6只信号灯（用发光二极管代替），验证电路的逻辑功能；
（5）安装、调试秒脉冲产生电路；
（6）完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。
4、参考元器件
集成电路：
74LS741片，74LS002片（TTL与非门），74LS1532片（数据选择器），74LS1632片（同步清零加法计数器），NE5551片（555定时器制作多谐振荡器）
电阻：
52K
1只，200
6只
电容：
10
F1只，0.1
F1只
其他：
发光二极管6只
１、秒脉冲信号发生器：
采用NE555芯片，接成多谐振荡器，周期计算公式：
T=1.44（R1+2R2）C1
2、逻辑门：
74HC4072：
四引脚或门74HCT4002：
四引脚或非门
74LS00：
二引脚与非门74LS04：
非门
74LS27：
三引脚或非门74LS74：
D触发器
7SEG-COM-CATHODE:
七段共阴极显示器
多功能数字钟电路设计
1、功能要求：
①基本功能:
以数字形式显示时、分、秒的时间，小时计数器的计时要求为“12翻1”，并要求能手动快校时、快校分或慢校时、慢校分。
②扩展功能:
定时控制，其时间自定；仿广播电台正点报时—自动报正点时数。
2、设计步骤与要求：
①拟定数字钟电路的组成框图，要求先实现电路的基本功能，后扩展功能，使用的器件少，成本低；
②设计各单元电路，并用Multisim软件仿真；
③在通用电路板上安装电路，只要求显示时分；
④测试数字钟系统的逻辑功能；
⑤写出设计报告。
设计报告要求：
写出详细地设计过程（含数字钟系统的整机逻辑电路图）、调试步骤、测试结果及心得体会。
3、给定的主要器件：
74LS00（4片），74LS160（4片）或74LS161（4片），74LS03（OC，1片），74LS04（2片），74LS20（2片），74LS48（4片），数码管BS202（4只），发光二极管（2只），555（2片）。
4、仪器和设备:
稳压电源（或数字逻辑学习机），双宗示波器，数字万用表、数字通用板、拨线钳和电烙铁等。
5、参考文献:
1、《电子技术基础课程设计指南》清华大学出版社、焦宝文主编；
2、《电子线路设计大全》华中科技大学出版社、陈碗儿主编
3、《数字电子技术基础》清华大学出版社、阎石主编
4、《TTL集成电路大全》电子工业出版社
6、数字电子钟的设计提示
扩展部分
1）、数字电子计时器组成原理
图1数字电子计时器的结构框图
2）、用74160实现12进制计数器
图2用整体置零法构成的12进制计数器
3）、校时电路
当刚接通电源或时钟走时出现误差时，都需要进行时间的校准。
校时是数字钟应具有的基本功能，一般电子钟都有时、分、秒校时功能。
为使电路简单，这里只进行分和小时的校准。
校时可采用快校时和慢校时两种方式。
校时脉冲采用秒脉冲，则为快校时；如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供则为慢校时。
图3中C1、C2用于消除抖动。
校时脉冲
图3校时电路
4、时基电路
图4由555定时器构成的多谐振荡器
5、定时控制电路
数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”，或对某装置进行控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。
例如，要求上午7点59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。
7时59分对应数字钟的时计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）H1=0111，分十位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）M2=0101，分个位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）M1=1001。
若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路‘可以使音响电路正好在7点59分响，且持续时间1分钟停响。
所以闹时控制信号Y的表达式为：
Y=（Q2Q1Q0）H1（Q2Q0）M2（Q3Q0）M1
如果用与非门和集电极开路门电路实现，上式可改写为：
图5定时控制电路
6、仿电台正点报时电路
仿电台正点报时电路的功能要求是：
每当数字钟计时快要到正点时发出声响，通常按照4低音1高音的顺序发出声响，以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。
设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1kHz）发生在59分59秒，它们的持续时间为1秒。
根据以上设定可得到电台正点报时时的分十位状态Q2M2Q0M2=11（0101），分个位的状态为Q3M1Q0M1=11（1001），秒十位状态为Q2S2Q0S2=11（0101），秒个位的状态为Q0S1=1（1、3、5、7、9）。
而发低音还是高音只与秒个位有关，根据设定可列表如表1所示：
由表中的状态可总结出如下结论：
秒个位的第三位Q3S1可用来作为鸣低音或高音的控制信号，即
Q3s1=0时，输入500Hz的低频信号至音响电路
Q3S1=1时，输入1kHz的高频信号至音响电路。
表1正点报时状态功能表
CP（秒）
Q3S1Q2S1Q1S1Q0S1
功能
Cp（秒）
Q3S1Q2S1Q1S1Q0S1
功能
50
51
52
53
54
55
0000
0001
0010
0011
0100
0101
鸣低音
停
鸣低音
停
鸣低音
56
57
58
59
00
0110
0111
1000
1001
0000
停
鸣低音
停
鸣高音
停
1、555多谐振荡器产生1KHZ的信号，经过分频分频为1HZ，作为主电路的输入信号。
在设计多谐振荡器时注意，R与C的数值大小。
数字式竞赛抢答器
1、设计任务与要求
（1）设计一个可容纳8组参赛的数字式抢答器，每组设一个按钮，供抢答使用。
（2）抢答器具有第一信号鉴别和锁存功能，使除第一抢答者外的按钮不起作用。
（3）设置一个主持人“复位”按钮。
（4）主持人复位后，开始抢答，第一信号鉴别锁存电路得到信号后，由指示灯显示抢答组的编号，同时扬声器发出2~3秒的音响。
选做扩展功能：
（5）设置一个计分电路，每组开始预制100分，由主持人计分，答对一次加10分，答错一次减10分。
2、设计原理
显示
电路
译码
电路
锁存器
优先编
码电路
抢答按钮
主电路
报警电路
控制电路
主持人
控制开关
显示电路
译码电路
计分电路
预制
扩展功能电路
加分减分
图1抢答器总体框图
定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分构成，主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。
扩展电路完成各选手的得分显示功能。
定时抢答器的工作过程是：
接通电源时，主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯；抢答开始时，主持人将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，这时，抢答器完成以下工作：
（1）优先编码器电路立即分辨出抢答者编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；
（2）扬声器发出短暂声响，提醒主持人注意；（3）控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；（4）当选手将问题回答完毕，主持人操作计分开关，计分电路采用十进制加/减计数器、数码管显示。
本轮抢答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。
单元电路设计：
（1）抢答电路
抢答电路包括抢答按钮、优先编码电路、锁存器、译码显示电路。
抢答电路的功能有两个：
一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。
（2）控制电路
控制电路主要完成以下功能：
主持人将控制开关拨到“开始”位置时，控制扬声器发声，使抢答电路进入正常抢答工作状态；当参赛选手按动抢答键时，让扬声器发声，并使抢答电路停止工作。
（3）报警电路
可以用555构成的多谐振荡器推动扬声器发声。
（4）计分电路
计分电路与主电路相互独立，由主持人控制进行加、减计数。
3、设计内容与步骤
（1）在Multisim工具软件中设计电路并进行仿真，仿真结果正确则进入下一步骤；
（2）安装调试各单元电路；
（3）测试定时抢答器的逻辑功能，以满足设计功能要求；
（4）画出定时抢答器的系统逻辑电路图；
（5）写出设计性实验报告。
4、参考元器件
优先编码器：
74LS148；RS锁存器：
74LS279；显示译码器：
74LS48；可预制数同步可逆十进制双时钟计数器：
74LS192；两输入四与非门：
74LS00；
单稳态多谐振荡器：
74LS121；555定时器：
NE555；发光二极管；共阴极数码显示器。
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