数字密码设计.docx

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数字密码设计

1.软件介绍

Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

multisim10概述：

（1）通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路

（2）通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为

（3）借助高级电路分析,理解基本设计特征

（4）通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试

（5）通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间

NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。

借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。

与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

2.设计内容

图1设计方框图

（1）根据本次课设题目在网上寻找相关资料，并找到相关的原理图，适当改变原理图中元件的相关参数。

（2）购买原理图中的相关元件进行识别和测试。

包括各类芯片、数码管、电阻、电容、二极管、自锁开关的数值、质量、电器性能的准确判断，尤其注意数码管选择的是共阳，电容器尽量选择聚丙烯电容。

上网了解电压峰值检测原理和NE5534P功能和相关资料，电压放大器资料，电压显示芯片7107相关的功能和资料；

（3）根据原理图在万用板上布线，焊接电路，完成调试工作（重点是电路噪音要小，不然会湮没被检测的电压信号。

有可能存在电路不能正常工作的检测）。

（4）用protues和Multisim绘制本次实验用的原理图，设计内容方框图，编写此次的设计实验报告书，相关的心得体会。

3.理论分析

3.1放大电路

由于检测的是0-10mV的电压幅值，而要求数码管显示的为0-1999，那么就必须将电压放大到200倍，然后进行峰值检测。

而根据7107显示电路的设计，在电压幅值为200mV时候显示出即为1999，那么放大电路的放大倍数设置为20倍，反馈电阻取为1K，那么选择滑动变阻器为50K可调，方便调整电路的放大倍数。

图2放大电路

3.2电压峰值检测电路

峰值检测电路在AGC（自动增益控制）电路和传感器最值求取电路中广泛应用，自己平时一般作为程控增益放大器倍数选择的判断依据。

峰值检测电路（PKD，PeakDetector）的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo=Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。

就是要对信号的峰值进行采集并保持。

其效果如下如（MS画图工具绘制）：

图3电压峰值检测波形

根据这样的要求，我们可以用一个二极管和电容器组成最简单的峰值检测器。

如下图：

方案一

 图4峰值检测1

这时候我们可以选择用面包板搭一个电路，接上信号源示波器观察结果，但在这之前利用仿真软件Multisim进行简单验证会节省很多时间。

通过简单仿真（输入正弦信号1kHz,2Vpp）时输出结果波形仿真图：

图5仿真图1

我们发现仅仅一个二极管和电容器组成的峰值检测器可以工作，但性能并不是很理想，而且，由于没有输入输出的缓冲，在实际应用中，电容器中的电荷会被其他部分电路负载消耗，造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。

而且对于小于1Vpp的电压信号基本上检测不出波形。

上图检测的误差主要来自与二极管的正向导通电压降，因此我们可以用模电书上说的“超级二极管”代替简单二极管。

因此，我们需要在电路中加入防止负饱和的措施，也就是说，我们输入部分的处理环节要能够尽量跟随输入信号的电压，并提供一个尽可能理想的二极管，同时能够提供有效的输入缓冲。

这里我们用的是一个电压跟随器，它的特点是输出电压等于输入电压，但是由于运放的放大倍数很大，一个小电压可以放大到一定的倍数，这样就克服了小电压不能是二极管导通的问题。

方案二：

图6峰值检测图2

经过以上的简单描述，其实我们已经可以将峰值检测器分成几个模块：

（1）模拟峰值存储器，即电容器；

（2）单向电流开关，即二极管；

（3）输入输出缓冲隔离，即运算放大器；

（4）电容放电复位开关（这部分非必须，如：

如果电容值选取合适，两次采样时间间隔较大）。

那么经过分析，选择用下面的原理图，前面的一个电压跟随器分析同上，后面一个电压跟随器是利用了其输入阻抗无穷大，输出阻抗为零的特点，就相当于电容C1不能通过后面的电路放电，这样就保证了峰值的不变。

方案三：

图7峰值检测图3

3.3电压显示电路

3.3.1显示芯片

图8电压显示电路

使用该电压显示芯片应该注意一下几点：

（1）辨认引脚：

芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。

也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。

知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第2至第40引脚。

（1脚与40脚遥遥相对）。

（2）牢记关键点的电压：

芯片第一脚是供电，正确电压是DC5V。

第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V至－5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。

芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV的电压。

在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

（3）注意芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是0.22uF,47K,0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。

芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。

（4）注意接地引脚：

芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。

（5）负电压产生电路：

负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个+5V供电就可以解决问题。

比较常用的方法是利用ICL7660或者NE555等电路来得到，这样需要增加硬件成本。

我们常用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K－56K的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为2.4V－2.8V为最好。

这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。

这个电压，最好是在－3.2V到－4.2V之间。

（6）如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了。

利用一个电位器和指针万用表的电阻X1档，我们可以分别调整出50mV,100mV,190mV三种电压来，把它们依次输入到ICL7107的第31脚，数码管应该对应分别显示50.0,100.0,190.0的数值，允许有2－3个字的误差。

如果差别太大，可以微调一下36脚的电压。

（7）比例读数：

把31脚与36脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是100.0，通常在99.7－100.3之间，越接近100.0越好。

这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少mV无关，也无法在外部进行调整这个读数。

如果差的太多，就需要更换芯片了。

（8）ICL7107也经常使用在±1.999V量程，这时候，芯片27,28,29引脚的元件数值，更换为0.22uF,470K,0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在±1.999V量程了

图97107芯片管脚图

3.3.2数码管显示原理：

数码管由7个发光二极管组成,行成一个日字形,它们可以共阴极,也可以共阳极.通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字,这就是它的工作原理.下面是LG5621BH共阳数码管的管脚示意图：

图10数码管引脚图

4.电路焊接及实物

根据电路原理图，选择芯片和电路元件焊接电路实物图，

（1）放大电路的焊接。

注意由于设计的放大倍数是20倍，所以滑动变阻器选用的是50K，手头现有的运放NE5534P可以实现电路的要求。

（2）峰值检测电路的焊接。

由于电路电容的要求比较精密，所以选用的电容基本上是聚丙烯电容。

而且峰值检测的输出部分焊接一个输出检测位置，为用示波器观测输出波形。

（3）电压显示电路的焊接。

由于芯片是40脚芯片，而且数码管的引脚也比较多，所以不选择直接用焊锡焊接，而用导线连接，这样整个焊接的过程减少了好多的工作，而且避免了整个显示部分很庞大的弊端。

下面是这次课程设计的实物图，芯片用的都是±5V电压，所以电路电压共同接在了一起。

图11电路实物图

5．仿真结果及分析

通过理论分析我们如果不方便直接做成实物的话，那么可以采用Multisim软件进行仿真，将可以得到理论分析相近的结果。

那么根据仿真原理图，得以下仿真结果图：

（1）方案一峰值检测电路的仿真结果

图12简单峰值检测电路仿真波形图

分析理论原理图可以得到与以上波形图相似的误差，电路存在着不足之处，那么导致这样结果的原因就是因为普通二极管存在着导通电压压降，使得输出电压无法跟输入电压匹配，从导致误差的存在，上图检测的误差主要来自与二极管的正向导通电压降改进的目的是想要消除二极管上的压降，因此就用“超级二极管”代替简单二极管，从而减小误差。

或者从方案二的比较中可以看出，用电压跟随器更能起到电压输入与输出的匹配问题。

（2）方案二峰值检测的仿真结果

图13方案二峰值检测电路仿真波形图

通过分析我们知道，需要在电路中加入解决负饱和的方法，我们输入部分的处理环节要能够尽量跟随输入信号的电压，并提供一个尽可能理想的二极管，同时能够提供有效的输入缓冲。

一个经典的电路是通过在输入和输出间增加一个二极管，这有点类似于电压钳位。

而且电压跟随器的加入能够更好的匹配输出与输入电压，使得输出电压跳变不是很大，而且电容器两端的电量更不容易流失造成误差的扩大。

（3）方案三电压峰值检测仿真结果

图14方案三峰值检测电路波形图

这个波形就很完善，而且基本上没什么误差。

通过两个电压跟随器的连接，达到了减小误差的效果，第二个电压跟随器利用其输入阻抗无穷大的特点，起到了防止电容器放电带来的误差，第一个电压跟随器并接一个二极管起到了输出与输入电压的跟随效果，使电路消除了反应速度慢的特点。

6．调试与故障检测

测试步骤：

（1）接电源。

由于芯片的工作电压为±5V电压，所以千万要保证电压数值的正确，防止芯片烧坏。

（2）接被测电压源。

课程设计要求的被测范围为0-10mV电压的幅值，故我们设置的电压为交流电压信号，峰值为8mV，频率定为1KHZ（仿真和实物实验知道当频率过高和过低实验误差相当大）。

（3）打开电源开关和信号源的开关，电路工作正常。

调节信号源的电压峰峰值和频率，看看数码管显示的数值是不是符合理论分析的要求。

当电路不能正常工作时，首先用手触摸芯片是不是发热，判断芯片是不是由于电压不正常烧坏。

当芯片正常工作时候，观察电路的导线是不是断开，由于是节省时间用导线连接而不是焊接的，导线容易脱落，使用时注意小心。

当电路读数不正常的时候，看看被测信号电压的峰值是不是超出了预设的范围，如果超出范围，那样读数会溢出，导致读数不正确。

排除信号电压超出范围，那样就看看设置的输入信号的频率是不是过高或者是过低，在合适的范围内电路工作是比较精确的。

7．设计总结

峰值检测电路主要包括信号跟随，信号保持，信号复位等。

即当输入信号增大时，电路对其采样，并使输出能够很好的跟随输入；当输入信号减小时，电路进入保持阶段，即保持前一个峰值并输出；当输入电压再次大于此保持电压时，电路继续跟踪输入进行采样；当复位信号到来时，电容放电，然后开始采样保持到下一周期。

能过电容和二极管，OP搭接成的电压跟随器，可以很好的对测量信号进行峰值保持，然后送给信号处理电路进行分析。

峰值保持器为较高频率的信号采样提供了一个很好的解决方案，具有很高的工业实用价值。

本电路结构简单，易于实现，成本较低，可以作为测量登记表中的一个模块，提高登记表的准确性和灵敏性。

8.心得体会

通过对各元器件的引脚功能、真值表的分析、并设计其原理图，且利用电子电路计算机进行仿真使得学习研究电子技术变得更加简单、直观，学习效果进一步提高，带动了学习的积极性。

通过学习使自己对课本上的知识能够应用于实际，使得理论与实际相结合，加深了对课本上知识的理解，并能够利用到图书馆查阅资料，增加了许多课本以外的知识，且实习也锻炼了我个人的动手能力，通过书写电子密码锁论文同时也锻炼了我的文字表达能力。

在设计过程中，我感受到了老师对学生的那种悔人不卷的精神，每天的固定时间，老师都来给我们指导，使我们少走弯路，顺利完成实习任务，请允许我向你们致意崇高的敬意！

参考文献

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