自动循环调光灯电路的设计和模拟运算电路的设计.docx
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自动循环调光灯电路的设计和模拟运算电路的设计
目录
1技术指标1
1.1初始条件1
1.2技术要求1
2设计方案及其比较1
2.1模拟电路方案1
2.1.1方案一1
2.1.2方案二2
2.1.3方案比较3
2.2数字电路方案4
2.2.1方案一4
2.2.2方案二7
2.2.3方案比较8
3实现方案9
3.1模拟电路方案9
3.1.1电路器件说明9
3.1.2电路原理分析9
3.1.3电路参数计算10
3.2数字电路方案10
3.2.1电路器件说明10
3.2.2电路原理分析15
3.2.3电路参数计算16
4调试过程及结论16
4.1模拟电路部分16
4.2数字电路部分17
5心得体会18
6参考文献19
自动循环调光灯和模拟运算电路的设计
1技术指标
1.1初始条件
直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具
1.2技术要求
设计一种自动循环调光灯电路，可以使灯在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。
要求灯光变化的循环速度可以进行调节。
设计一种模拟信号运算电路，具体包括加法运算电路和减法运算电路，要求能够实现两路可调模拟信号的加法运算和减法运算。
2设计方案及其比较
2.1模拟电路方案
2.1.1方案一
1）反相加法运算电路[1]
原理图如图1所示（原理图都由proteus软件作出，导出图片裁剪所得）：
图1反相加法器
工作原理：
该电路图为反向加法电路，图中R4和R2前分别为Vi1，Vi2输入端，Vi1端输入+5V电压，Vi2通过电位器从+5V分压得到电压信号；然后俩输入运放LF353构成的电路时，进行反相加运算，又由于R1=R2=R3=R4=1KΩ,即可知R1后加法运算输出：
Vo=-
（Vi1+Vi2）。
2）减法器运算电路
原理图如图2所示：
图2减法器
工作原理：
该电路为减法运算电路，图中R4和R2前分别为Vi1、Vi2输入端，Vi1、Vi2分配电压信号原理同加法运算电路；俩输入经过两个运放组成的电路时，进行加法运算，由于R1=R2=R3=R4=R5=R6=1KΩ，可知R6后减法运算输出：
Vo=Vi2-Vi1。
2.1.2方案二
1）反相加法运算电路
原理图如图3所示：
图3反相加法器2
工作原理：
信号电压的输入原理和方案一方案二相同。
信号电压Vi1、Vi2输入前三个运放构成的电压比较器组合电路后所得的结果为Vo’=Vi1*R1/（R1+R2）+Vi2*R2/（R1+R2），又由于R1=R2=1KΩ，Vo’=（Vi1+Vi2）/2；之后通过第四个反相比例运算放大器运算结果为Vo=-Vo’*R4/R3，由R4=2*R3=2KΩ，则Vo=-2*Vo’,所以最终运算结果为：
Vo=-（Vi1+vi2）,即为反相加法电路。
2）减法运算电路
原理图如图4所示：
图4减法器2
工作原理：
该电路采用差动输入方法，通过控制各电阻阻值的大小而组成二输入减法器电路；如图4中，俩电压输入方法和前面电路一致。
根据运算放大器差动输入方式所得计算结果，即Vo=-Vi1*R1/R2+（1+R1/R2）*（R4/（R3+R4））*Vi2,由于R1=R2=R3=R4=1KΩ，可计算得Vo=Vi2-Vi1,即为减法运算电路。
2.1.3方案比较
方案一反相加法器电路和减法器电路原理相似，即减法器电路是在反相加法器前加一个反相器所得，因此两种电路在一起进行实验时互相之间具有很好的参照性、可移植性，可以通过比较两电路的工作结果，更易深入的理解其工作原理，在调试时，由于他们原理相似，如果有一点路工作异常，通过对比另一正常电路，可以更容易地分析工作失常的原因。
而方案二两电路的工作原理完全不相同，其中反相加法器是先运用电压比较器组合而成的电路进行信号相加缩小运算，然后再经过反相器进行相加缩小信号放大运算，使之形
成反向加法运算，从电路图可以看出，该电路较复杂，可操作性较弱，另外图4中减法器虽然原理图较简单，但原理和反相加法器完全相左，毫无互相参照移植可言。
所以用方案一实现所要求电路较为理想。
2.2数字电路方案
2.2.1方案一
1）单元电路设计
该方案自动循环调光灯电路由NE555定时器构成的多谐振荡器、CD4017组成的四进制计数/分配器、三极管9013组成的调光灯控制信号放大电路等组成，使灯在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断的循环工作。
A）由NE555构成的多谐振荡电路
NE555构成本功能电路的多谐振荡器，其作用是为CD4017构成的四进制计数分配器提供脉冲信号，使计数器循环工作，提供电路控制信号，其电路原理图如图5所示。
图5NE555构成的多谐振荡器
工作原理：
当加上+Vcc电源后，由于电容C1上的电压不能突变，故NE555处于置位状态，输出端Q（3脚）呈高电平“1”，而内部放电管截止，C1通过R1、R2及变阻器对其充电，低电平触发端（2脚）电位随C1右端电压的升高呈指数上升，当C1上的电压随时间增加，达到2/3Vdd阀值电平（6脚）时，比较器A1翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出端Q呈低电平“0”。
此时放电管饱和导通，C1上电荷经R2及变阻器放电。
当C1放电使其电压降至1/3Vdd阀值电平时，比较器A2翻转，RS触发复位，经倒相后，使输出端Q再呈高电平“1”。
如此重复，形成无稳态多谐振荡器[2]。
B）CD4017组成的四进制计数/分配器
原理图如图6所示：
图6CD4017构成的四进制计数/分配器
工作原理说明：
CD4017集成电路是一种十进制计数/时序译码器，它由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。
其基本功能是对CLk端输入的脉冲个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Q0—Q9这是个输出端，计满十个数后计数器复零，同时输出一个进位脉冲。
本设计中自动循环调光灯一共有四种状态循环变化，也就是需要四个输出端依次控制灯的亮度，可以利用CD4017输出高电平的特点来实现调光灯电路。
电路原理图如图6所示，当时钟脉冲输入CLK端时，开始计数，随着时钟脉冲的不断输入，Q0—Q3依次出现高电平。
当Q4端出现高点平时，高电平输入MR端，将使CD4017清零复位。
这样，随着脉冲不断的输入，Q0Q1Q2Q3的状态变化为0000→1000→0100→0010→0001→0000，循环进行。
C）三极管9013组成的调光灯控制信号放大电路
原理图如图7所示：
图7调光灯控制电路
工作原理：
Q1—Q3依次出现高电平（Q1输入R4，Q2输入R5，Q3输入R6），Q1Q2Q3的状态变化为000→100→010→001→000，如此循环进行。
可知当Q1—Q3依次出现高点平时，经9013放大，点亮LED灯，由于R4R5R6阻值不同，使9013放大的电流不同，因此灯的亮度也将不同，因此，若电阻阻值为R4>R5>R6，LED将出现熄灭→微亮→较亮→最亮的亮度状态循环现象。
2）电路原理分析
将上述讨论的三部分电路组合起来，即形成自动循环调光灯电路，如图8所示：
NE555构成的多谐振荡器，用来产生脉冲信号，调节其中的1M欧姆电位器，可控制振荡频率，也就是可以改变灯光变化的循环速度。
当多谐振荡器输入脉冲给CD4017的CLK端时，计数器开始计数，随着脉冲的不断输入，Q0Q1Q2Q3依次出现高电平，当Q4为高点平时，高点平输入MR端，即对计数器强制清零，Q0Q1Q2Q3回归0000状态。
由此可归纳出，当脉冲不断输入,Q0Q1Q2Q3状态变化依次为0000→1000→0100→0010→0001→0000，如此循环。
所以当Q1Q2Q3为000时，三极管无足够强信号输入，即三极管截止，此时灯不亮；由于R4>R5>R6，当Q1Q2Q3为100时，R4前有高电平信号输入，三极管导通，R4阻值最大，此时灯微亮；当Q1Q2Q3为010时，R5前有高电平信号输入，三极管导通，R5阻值次之，此时灯较亮；当Q1Q2Q3为001时,R6前有高电平信号输入，三极管导通，R6阻值最小，此时灯最亮；然后Q1Q2Q3，又为000，灯熄灭。
因此随着脉冲信号的不断输入，可以控制LED灯在熄灭→微亮→较亮→最亮→熄灭状态不断循环变化，形成可调变换速度的自动循环调光灯。
图8自动循环调光灯电路
3）电路参数计算
NE555的工作电压为4.5V-15V，CD4017的工作电压为3V-18V，本实验中全部元器件工作电压统一使用5V，各电路可正常工作。
C1=1μF，R1=R2=1.5KΩ，电位器RPmax=1MΩ,频率f=1.44C1/（R1+2R2+2RP）,所以可计算得多谐振荡器提供频率范围：
0.71Hz≤f≤320Hz。
电阻暂定（实验中进一步确定）：
R4=100K欧姆，R5=50k欧姆，R6=10K欧姆。
2.2.2方案二
1）单元电路设计
该方案自动循环调光灯电路由与非门组成的多谐振荡器、CD4017组成的四进制计数/分配器、三极管9013组成的调光灯控制信号放大电路等组成，使灯在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断的循环工作。
A）与非门组成的多谐振荡电路
原理图如图9所示：
图9与非门组成的多谐振荡器
工作原理说明：
图9所示为74LS00与非门及电容电阻元件组成的与非门多谐振荡器，其工作时通过RC电路的充放电使电路产生多谐振荡，电路中的与非门被接成反相器的形式，其输出为矩形脉冲波，振荡器频率可以通过选择R、C值来确定，启动开关S是用来控制多谐振荡器的起振，当S闭合，电路振荡；反之电路停振。
B）CD4017组成的四进制计数/分配器
参见方案一单元电路设计
C）三极管9013构成的调光灯控制信号放大电路
参见方案一单元电路设计
2）电路原理分析
该电路的工作原理基本和方案一的工作原理相同，只需将与非门组成的多谐振荡器替换方案一中的NE555定时器构成的多谐振荡器即可。
该电路通过调节RP阻值大小来改变振荡频率，从而控制，调光灯状态循环的快慢。
（由于只需使用图9替换图8中的多谐振荡器，所以该方案自动循环调光灯的完整电路不再画出）
3）电路参数计算
多谐振荡电路的振荡频率为f=1/2.2RP*C1,设C1=10μF，RPmax=47KΩ，计算得：
f≥0.97Hz。
电路其它部分参数和方案一一致。
2.2.3方案比较
方案一和方案二的计数电路和信号控制电路相同，唯一的区别就在于多谐振荡器电路的选用，方案一采用NE555定时器构成的多谐振荡器电路，该电路比较简单且容易实现；方案二采用的74LS00与非门构成的多谐振荡器电路来产生脉冲信号，与方案一所用的NE555相比，不方便调节脉冲频率，而且很关键的是其需要的电阻和电容难以满足。
况且方案一比较方案二，其布线较为简单，现象也容易观察。
所以方案一比较符合实验要求。
3实现方案
3.1模拟电路方案
3.1.1电路器件说明
1）LF353集成运算放大器
图Ⅱ引脚图
LF353集成运算放大器是一种成本低，工作速度快的双输入JEET放大器，还具有输入偏置电流低，高输入阻抗等特征，每个LF353集成芯片封装了两个放大器。
如图Ⅰ、图Ⅱ分别为其内部结构图和实物芯片引脚图。
图Ⅰ内部结构
3.1.2电路原理分析
模拟信号加减法运算电路原理图分别由图Ⅲ和图Ⅳ所示。
信号分别从Vi1Vi2输入，Vo输出，可分别实现信号的加减。
如图Ⅲ的反相加法运算电路，R4和R2前分别为Vi1、Vi2输入端，Vi1端输入+5V电压，Vi2通过电位器从+5V分压得到电压信号；然后俩输入运放LF353构成的电路时，进行反相加运算，又由于R1=R2=R3=R4=1KΩ,即可知R1后加法运算输出：
Vo=-（Vi1+Vi2）。
如图Ⅳ的减法运算电路，R4和R2前分别为Vi1、Vi2输入端，Vi1、Vi2分配电压信号原理同加法运算电路；俩输入经过两个运放组成的电路时，进行加法运算由于R1=R2=R3=R4=R5=R6=1KΩ，可知R6后减法运算输出：
Vo=Vi2-Vi1。
图Ⅲ反相加法器运算电路
图Ⅳ减法器运算电路
3.1.3电路参数计算
1）反相加法运算电路：
Vo=-（Vi1+Vi2）,其中R1=R2=R3=1KΩ，电位器RV1阻值范围为0-10KΩ。
2）加法运算电路：
Vo=Vi2-Vi1,其中R1=R2=R3=R4=R5=R6=1KΩ，电位器也为0-10KΩ。
3.2数字电路方案
3.2.1电路器件说明
1）NE555定时器
NE555定时器电路是一块介于模拟电路和数字电路的一种混合电路,由于这种特殊的地位，故NE555定器在报警电路、控制电路得到广泛的应用时。
如图a为NE555的内部电
路，从图中可以看出，其仅有两个比较器、一个触发器、一个倒相器、放电管和几个电阻组成，由于比较器电路是一个模拟电路，而触发器电路为数字电路，故其为混合器件。
图aNE555内部结构
NE555为一8脚封装器件，其电压范围为4.5-15V。
图b为其引脚图，各引脚的名称和作用如下表1所示
图bNE555引脚图
表1NE555引脚名及作用
引脚
作用
引脚
作用
1
接地端（GND）
5
电压控制端（V-C）
2
低电平触发端（TL）
6
阀值输入端（TH）
3
电路的输出端（Q）
7
放电端（DIS）
4
复位端（）
8
电源电压端（Vcc）
当V-C端不外接电压时，三个电阻对电源进行分压，每个电阻上的压降为1/3Vcc，则两个比较器的同相端的输出电压分别为：
1/3Vcc,2/3Vcc.从图中可以看出，其555的工作可分为下列三种情况加以讨论：
a.当触发输入端TL输入电压低于1/3Vcc而阀值输入端电压大于2/3Vcc时，其下面比较器输出为高电平，触发器输出高电平；
b.当触发输入端TL输入电压高于1/3Vcc而阀值输入端电压小于2/3Vcc时，其两个比较器输出皆为低电平，触发器输出保持不变；
c.当触发输入端TL输入电压高于1/3Vcc而阀值输入端电压大于2/3Vcc时，其上面比较器输出为高电平，触发器输出为低电平。
从上面讨论，可写出如下表2：
图cNE555输出波形
表2NE555真值表
输入
输出
TH
TL
Q
放电管状态
×
×
0
0
导通
>2/3Vcc
>1/3Vcc
1
0
导通
<2/3Vcc
>1/3Vcc
1
保持不变
保持不变
>2/3Vcc
>1/3Vcc
1
0
导通
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
1
截止
2）CD4017
CD4017集成电路是一种十进制计数/时序译码器，其结构简单，造价低廉，性能稳定可靠，工艺成熟，使用方便。
CD4017采用标准的双列直插式16脚塑封[3]，他的引脚图如图d所示。
且其引脚名及功能如下表3。
表3CD4017引脚及功能
引脚
功能
引脚
功能
1
第5输出端（Q5）
9
第8输出端（Q8）
2
第1输出端（Q1）
10
第4输出端（Q4）
3
第0输出端（Q0）
11
第9输出端（Q9）
4
第2输出端（Q2）
12
级联进位输出端（CO）
5
第6输出端（Q6）
13
脉冲输入端（下降沿有效）
6
第7输出端（Q7）
14
脉冲输入端CP（上升沿有效）
7
第3输出端（Q3）
15
清零输入端R（高电平有效）
8
接地端（GND）
16
电源输入Vcc（DC3-18V）
图dCD4017引脚图
CD4017内部逻辑电路原理图如图e所示[4]。
它是由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。
其中D触发器F1-F5构成十进制约翰逊计数器，门电路5-14构成了时序译码电路。
十进制约翰逊计数器的工作工程是，当第一个脉冲作用时后，F1变成“1”，F2-F5仍保持“0”态，此时计数器为“10000”态，此时D1=Q5=1，D2=Q1=1，D3=Q1Q3+Q2=0，D4=D3=0，D5=D4=0。
所以在第二个脉冲作用后，F1为“1”态，F2为“1”态，F3-F5仍保持“0”态，计数器为“11000”态。
依次类推，由于第9个CP脉冲作用后，Q1-Q4=0，Q5=1，所以当第10个脉冲作用后，各触发器均处于“0”态，返回到初始状态“00000”，这样就完成了一个计数循环，从下一个脉冲开始，又重复上述计数过程。
时序译码电路也很简单，不难得出对应于计数器各状态下的译码器的输出状态。
当计数器为“00000”时，Y0=Q1Q5=1；当计数器为“10000”时，Y1=Q1Q2=1。
显然，当计数器从“00000”到“00001”时，十个输出端便会得到顺序输出的正脉冲，即时序脉冲。
在R端加高电平或是正脉冲时，计数器中各计数单元F1-F5均被置零，计数器为“00000”状态。
图eCD4017内部结构图
从上述分析中可以看出，CD4017的基本功能是对“CP”端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Q0-Q9这十个输出端，计满十个数后计数器清零，同时输出一个进位脉冲。
如下表4为CD4017的真值表。
表4CD4017真值表
输入
输出
CP
R
Q0-Q9
计数脉冲为Q0-Q4时：
Qco=H
×
×
H
Q0
↑
L
L
计数
H
↓
L
L
×
L
保持
计数脉冲为Q5-Q9时：
Qco=L
×
H
L
↓
×
L
×
↑
L
3）三极管9013
其实物引脚图如图f所示，其中1脚为发射机，2脚为基极，3脚为集电极。
9013是一种NPN型小功率三极管，他是非常常见的晶体三极管，主要用于放大电路信号，应用非常广泛。
其参数为：
最大耗散功率：
Pcm=0.625W（T=25℃）
最大集电极电流：
Icm=0.5A
集电极-基极击穿电压V（BR）CBO=45V
图f9013三极管引脚图
3.2.2电路原理分析
图g自动循环调光灯原理图
自动循环调光灯实现方案电路原理图如图g所示，由NE555组成的多谐振荡器电路、CD4017组成的四进制计数/分配器、三极管9013组成的调光灯控制电路等组成，使LED灯在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环变化。
电路中NE555组成多谐振荡器，用来产生脉冲信号，调节变阻器R3可以改变振荡频率，也就是改变了灯光状态变化的循环速度。
当脉冲输入给CD4017的CP端时，开始计数，随着脉冲的不断输入，CD4017的Q0-Q4依次出现高电平，当Q1-Q3依次出现高点平时，经VT1放大，点亮LED，由于R4-R6的阻值不同，起到了控制灯亮度的作用。
当Q4端出现高点平时，将使CD4017强制清零复位，使LED熄灭。
因此随着Q1—Q4输出端电平的变化，LED在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环变化。
图g自动循环调光灯原理图
3.2.3电路参数计算
NE555的工作电压为4.5V-15V，CD4017的工作电压为3V-18V，本实验中全部元器件工作电压统一使用5V，各电路可正常工作。
C1=1μF，R1=R2=1.5KΩ，电位器RPmax=1MΩ,频率f=1.44C1/（R1+2R2+2RP）,所以可计算得多谐振荡器提供频率范围：
0.71Hz≤f≤320Hz。
经测试，在任务所提供的电阻中，能使该功能电路正常工作的电阻搭配为：
R4=47KΩ，R5=20KΩ，R6=10KΩ。
4调试过程及结论
4.1模拟电路部分
1）按照实现方案在面包板上完成接线后，进入调试过程。
给电路通上电（集成运放接+12V和-12V，输入信号接+5V），然后使用万用表测量俩输入端和一个输出端的电压大小。
①反相加法电路
经反复测量，得到以下稳定数据：
Vi1
Vi2
Vo
5.04V
0.3V
-5.38V
②减法电路
经反复测量，得到以下稳定数据：
Vi1
Vi2
Vo
5.04V
0.3V
-4.71V
2）结论：
观察反相加法器电路中所得的数据，可以看出该电路基本满足反相加法的功能原理，即Vo=-（Vi1+Vi2）。
但还有0.04V的微小误差，当然由于电路中在理论上要求相等的电阻在现实中不可能完全相等（通过用万用表测量可以发现），还有集成运放的工作也不能完全和理想状态下一致，所以该微小误差的出现也算是正常的。
同理，观察减法电路我们可以发现，该电路满足减法关系，即Vo=Vi2-Vi1。
受与加法电路相同的原因和减法电路较加法电路复杂的影响，该电路产生了0.03V的误差，比加法电路的大，但也在可接受范围。
所以，该模拟信号加减法运算电路的设计是成功的。
4.2数字电路部分
1）调试过程：
按实现方案原理图在面包板上连接好该自动循环调光灯电路，由于该电路的工作电压较低，且工作电压带宽较大，显然，在学生寝室没有学校实验室提供的专用直流电源的情况下，我们可以使用四节干电池串联起来，即可得+6V电源，并将之接入电路。
初始调试电路参数如下R4=200KΩ，R5=20KΩ，R6=1KΩ，其他参数和设计方案一致。
此时电路工作时发现LED只有两种状态，即熄灭和亮。
使用LED灯测试发现，多谐振荡器和CD4017构成的四进制计数电路工作正常。
推测a：
问题就出在三极管和电阻构成多灯光控制电路上。
前面LED灯测试时发现，待控制LED亮只受Q3端输出高电平控制，也就是说虽然Q1Q2可以正常输出高低电平但却不能点亮待控制LED。
当继续测试发现，当Q1或Q2单独工作时（即保留R4，摘去R5、R6），灯有两兆状态（灭和亮），可见此时Q1和Q2可以正常控制电路。
推测b：
由于电阻之间阻值相差太大，受小电阻输出端的影响，大电阻输出端将失去控制作用。
根据推测b和设计任务所提供的电阻种类，①进行验证性改进如下：
R4=200KΩ，R5=20KΩ，R6=10KΩ，其他参数一致。
接通电源发现，此时待控制LED灯有了三种状态（灭、亮及较亮）。
并且用LED测试发现，亮和较亮分别受Q2和Q3控制。
接高电阻的Q1端依然没有控制作用。
②根据①的验证性改进基本可确定推测b时对的，因此在验证性改进的基础上进行深入改进如下：
R4=47KΩ，R5=20KΩ，R6=10KΩ，其他参数一致。
此时接通电源，待控制LED有四种状态（熄灭、微亮、较亮及最亮），满足设计任务要求。
附加测试：
通过测试发现，通过在三个电阻前分别加三个二极管（对高电平导通），当R4=200KΩ，R5=20KΩ，R6=1KΩ，电路仍可正常工作，可知加二极管后消除了大电阻差对控制电路的影响。
但由于设计任务中并未提供二极管，所以在实现方案中并未加上二极管。
2）结论：
在设计任务所提供的电子元器件中，选择R4=47KΩ，R5=20KΩ，R6=10KΩ，其他参数与原理图一致情况下，此任务所设计的自动循环调光灯能正常工作（即LED状态循环：
熄灭→微亮→较亮→最亮→熄灭）。
可
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