課程設計報告---自動循環(huán)調光燈電路的設計和模擬信號運算電路的設計

1、<p>　　自動循環(huán)調光燈電路的設計和模擬信號運算電路的設計</p><p><b>　　1 技術指標</b></p><p><b>　　1.1初始條件</b></p><p>　　直流可調穩(wěn)壓電源一臺、以集成電路運算放大器LF353、NE555和CD4017集成電路、三極管9013、萬用表一塊、面包板一塊、元

2、器件若干、剪刀、鑷子、導線等必備工具。</p><p><b>　　1.2 技術要求</b></p><p><b>　　1）模擬部分</b></p><p>　　以集成電路運算放大器LF353為主，設計一種模擬信號運算電路。具體包括加法運算電路和減法運算電路，要求能夠實現兩路可調模擬信號的加法運算和減法運算。</p

3、><p><b>　　2）數字部分</b></p><p>　　以NE555和CD4017集成電路為主芯片，設計一種調光燈電路?？梢允篃粼谙纭⒘痢^亮—最亮四種狀態(tài)下循環(huán)。要求燈光變化的循環(huán)速度可以進行調節(jié)。</p><p>　　2 設計方案及其比較</p><p>　　2.1 模擬電路方案</p>&l

4、t;p><b>　　2.1.1 方案一</b></p><p><b>　　1）加法器</b></p><p>　　方案一加法器原理圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 方案一加法器原理圖</p><p>　　規(guī)定：R1端輸入電壓為,通過的電流為；R2輸入電壓為，通過的電流為;RF通過的電

5、流為；輸出電壓為。</p><p>　　根據“虛短”和“虛地”得知放大器兩輸入端接地，電壓0。列Ｎ點節(jié)點電流方程有：</p><p><b>　　因為：　　　　。</b></p><p><b>　　所以：　　　　</b></p><p><b>　　即：　　　　　</b>&l

6、t;/p><p><b>　　2) 減法器</b></p><p>　　方案一減法器電路原理圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 方案一減法器原理圖</p><p>　　規(guī)定：R1端輸入電壓為；R2輸入電壓為；放大器同相輸入端輸入電壓為輸出電壓為。</p><p>　　在作用，=0時，這是一個反相

7、器，則</p><p>　　在作用，=0時，這是一個同相放大器,則</p><p>　　根據電壓疊加原理，，同時作用時輸出電壓為</p><p><b>　　2.1.2 方案二</b></p><p>　　用方案一的方法來實現加法器是最簡單，最準確的，也是最優(yōu)的方法。因此不做其他考慮，現設計另一種減法器。</p&g

8、t;<p>　　方案二減法器的電路圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 方案二減法器原理圖</p><p>　　規(guī)定：R1端輸入電壓為；R2輸入電壓為；放大器1,2的輸出電壓分別為，。</p><p>　　同加法器同樣的方法計算，可得：</p><p>　　2.1.3 方案比較</p><p>　　因

9、為加法器比較容易實現，且方案一的加法器電路是最簡單，最準確也是最優(yōu)方案，因此加法器電路就采用方案一的電路原理圖。</p><p>　　對于減法器，雖然方案一的原理圖理論分析相對于方案二較復雜，但是只需要一個放大器（方案二需兩個放大器），這就導致方案一的實際連線圖比方案二的實際連線圖要簡單，操作起來比較容易。因此，減法器也選擇方案一。</p><p>　　綜上，模擬電路方案選擇方案一。<

10、;/p><p>　　2.2 數字電路方案</p><p><b>　　2.2.1 方案一</b></p><p>　　2.2.1.1 單元電路設計</p><p>　　自動循環(huán)調光燈電路由NE555組成的多諧振蕩電路，CD4017組成的十進制計數器，三極管9013組成的調光控制電路組成。使燈在熄滅—微亮—較亮—最亮四種狀態(tài)下

11、循環(huán)。</p><p>　　NE555組成的多諧振蕩電路</p><p>　　由NE555組成的多諧振蕩電路為十進制計數器提供時鐘脈沖信號，其電路圖如圖4示。</p><p>　　圖4 NE555多諧振蕩電路</p><p>　　當加上電源電壓后，由于電容C1上端電壓不能突變，故NE555處于置位狀態(tài)，輸出端（3腳）呈高電平“1”，而內部的放

12、電管VTl截止，C1通過R1、R2對其充電，低電平觸發(fā)端（2腳）電位隨C1上端電壓的升高呈指數上升。</p><p>　　當C1上的電壓隨時間增加，達到2/3VDD閾值電平(6腳)時，上比較器A1翻轉，使RS觸發(fā)器置位，經緩沖級倒相，輸出V0呈低電平“0”。此時．放電管VT1飽和導通，C1上的電荷經R2至VT1管放電。當C1放電使其電壓降至1/3VDD觸發(fā)電平(2腳)時，比較器A2翻轉，RS觸發(fā)器復位，經倒相后，

13、使輸出端(3腳)呈高電平“1”。以上過程重復出現，形成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩。</p><p>　　2）CD4017組成的十進制計數器</p><p>　　CD4017主要由十進制計數電路和時序譯碼電路組成，是一種十進制計數器。其基本功能是對“CP”端輸入的脈沖進行計數。并將輸入脈沖依次輸出到Q0-Q9十個輸出端。當計滿十個數時，計數器清零，并產生一個進位脈沖。</p><p&

14、gt;　　自動循環(huán)調光燈共有四種狀態(tài)變化，那么只需計數器的四個輸出端來控制燈的亮度。利用CD4017輸出端一次輸出高電平的特點來實現調光燈電路圖如圖5所示。</p><p><b>　　圖5 計數器</b></p><p>　　當時鐘脈沖由“CP”端輸入，Q0-Q4端依次輸出高電平。當Q4端輸出高電平是，計數器清零并重新計數。則Q2-Q0輸出狀態(tài)為001-010-10

15、0-000-001循環(huán)進行。</p><p>　　3）三極管9013組成的調光燈控制電路</p><p>　　由三極管9013組成的調光電路如圖6所示。Q0-Q2依次出現高電平，其變化狀態(tài)為000-100-010-001-000循環(huán)進行。當Q0-Q2出現高電平時，經三極管放大，點亮燈泡，由于R0-R2的電阻阻值不同，起到了控制燈泡亮度的作用。當Q3端出現高電平時，Q0-Q2輸出都為低電平，

16、燈泡熄滅。當Q4出現高電平時，計數器清零復位，Q0-Q2輸出為100，計數器進入新一輪循環(huán)。因此，隨著Q0-Q4端輸出電平的變化，燈泡在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。</p><p>　　圖6 調光燈控制電路</p><p>　　2.2.1.2 電路原理分析</p><p>　　自動循環(huán)調光燈電路如圖7所示。共由NE555多諧振蕩電路，CD4017十進制

17、計數器，三極管9013調光燈控制電路三部分構成。使燈在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。</p><p>　　圖7自動循環(huán)調光燈方案一原理圖</p><p>　　NE555組成的多諧振蕩電路用來產生脈沖信號，調節(jié)RV1可以改變振蕩頻率，也就是燈光變化的循環(huán)速度。當脈沖信號輸入到計數器的“CP”端時，計數器開始計數。隨著脈沖的不斷輸入，Q0-Q4端依次輸出高電平，當Q0-Q2依次輸出

18、高電平時，經放大器放大，點亮燈泡，由于R0-R2電阻依次降低，起到了控制燈泡亮度的作用。當Q3端出現高電平時，Q0-Q2輸出都為低電平，燈泡熄滅。當Q4出現高電平時，計數器清零復位，Q0-Q2輸出為100，計數器進入新一輪循環(huán)。因此，隨著Q0-Q4端輸出電平的變化，燈泡在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。</p><p>　　2.2.1.3 電路參數計算</p><p>　　NE5

19、55工作電壓為4.5V-15V，CD4017工作電壓為3V-18V。</p><p>　　實際工作電路中電源電壓選為6V。使各個器件正常工作。</p><p>　　多諧振蕩電路的頻率為f=1.44/（R+2RV1）*C1。</p><p>　　當取C1=1uF,R=47K，RV1max=470K，計算得1.46Hzf3≤0.62Hz。</p><

20、p><b>　　電路中其它參數：</b></p><p>　　R0=300K,R1=200K,R2=100K。</p><p><b>　　2.2.2 方案二</b></p><p>　　2.2.2.1 單元電路設計</p><p>　　自動循環(huán)調光電路由與非門組成的多諧振蕩電路，CD4017

21、組成的十進制計數器，三極管9013組成的調光控制電路三部分組成。使燈炮在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。</p><p>　　與非門組成的多諧振蕩電路</p><p>　　圖8為由74LS00與非門集成電路及RC器件構成的振蕩電路。通過RC電路的充放電，使電路產生諧振，電路中與非門以反相器的形式接入，其輸出為矩形脈沖。R，C的值可以確定電路的振蕩頻率。啟動開關S用來控制多諧振蕩起

22、啟動，開關S閉合時，電路起振；開關S斷開時，電路停止振蕩。</p><p>　　圖8 與非門組成的多諧振蕩器</p><p>　　CD4017組成的十進制計數器</p><p>　　同方案一的單元電路設計—CD4017組成的十進制計數器部分。</p><p>　　三極管9013組成的調光燈控制電路</p><p>　　

23、同方案一單元電路設計—三極管9013組成的調光燈控制電路部分。</p><p>　　2.2.2.2電路原理分析</p><p>　　自動循環(huán)調光燈電路如圖9所示。由與非門組成的多諧振蕩電路，CD4017組成的十進制計數器，三極管9013等組成的調光燈控制電路三部分構成，使燈在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。</p><p>　　圖9 自動循環(huán)調光燈方案二原

24、理圖</p><p>　　與非門組成的多諧振蕩器，用來產生時鐘脈沖信號。調節(jié)RV1的大小，可以控制振蕩頻率，即燈光變化的循環(huán)速度。當脈沖信號輸入到計數器的“CP”端時，計數器開始計數。隨著脈沖的不斷輸入，Q0-Q3端依次輸出高電平，當Q0-Q2依次輸出高電平時，經放大器放大，點亮燈泡，由于R0-R2電阻依次降低，起到了控制燈泡亮度的作用。當Q3出現高電平時，計數器清零復位，燈炮熄滅。因此，隨著Q0-Q3輸出電平的

25、變化，電路實現了燈泡熄滅-微亮-較亮-最亮的循環(huán)變化。</p><p>　　2.2.2.3 電路參數計算</p><p>　　CD4017的工作電壓為3V—18V，實際電路中電源電壓取6V，電路中各元器件能正常工作。</p><p>　　多諧振蕩電路的頻率f=1/（2.2*RV1*C）。取C=10uF，RV1max=47K。計算得f≤0.97Hz。</p>

26、;<p>　　電路中其它參數為：R0=300K，R1=200K，R2=100K。</p><p>　　2.2.3 方案比較</p><p>　　本實驗要求設計自動循環(huán)調光燈電路。該電路需要有信號產生電路，計數器，調光燈控制電路三部分。共設計了兩種信號產生電路：由NE555組成的多諧振蕩電路和由與非門組成的振蕩電路。計數器選擇了比較穩(wěn)定，接線比較簡單的CD4017。調光燈電路選

27、擇了三極管來實現，因為三極管比較經濟且安全。</p><p>　　通過比較兩種信號產生電路，由NE555組成的電路比較簡單，操作和仿真都比較容易實現，接相對經濟，實用。因此，方案一對實驗的要求較小，燈光的變化速度容易調節(jié)，實驗布線比較簡單。所以選擇方案一來完成實驗。</p><p><b>　　3 實現方案</b></p><p>　　3.1

28、模擬電路方案</p><p>　　3.1.1 電路器件說明及反相器電路</p><p><b>　　1）LF353</b></p><p>　　LF353為一8腳封裝的器件，含有兩個放大器。圖10為其引腳圖及內部結構圖，各引腳的名稱和作用如下：1腳-OUTPUT A，放大器A的輸出端；2腳-INVERTING INPUT A，放大器A的反相輸入

29、端；3腳-NON-INVERTING INPUT A，放大器A的同相輸入端；4腳-,LF353的負電平輸入端；5腳- NON-INVERTING INPUT B，放大器B的同相輸入端；6腳- INVERTING INPUT B，放大器B的反相輸入端；7腳- OUTPUT B，放大器B的輸出端；8腳-,LF353的正電平輸入端。實際電路中為其提供12V電壓，使其正常工作。</p><p>　　圖10 LF353引腳

30、圖及內部結構圖</p><p><b>　　2）反相器</b></p><p>　　反相放大器原理圖如圖11所示。</p><p>　　圖11 反相器原理圖</p><p>　　規(guī)定：端輸入電壓為，輸出電壓為。</p><p><b>　　輸出表達式中取，有</b></

31、p><p>　　其作用是實現反相運算功能。</p><p>　　3.1.2 電路原理分析</p><p><b>　　1）加法器</b></p><p>　　加法器實際電路如圖12所示。</p><p>　　圖12 加法器電路圖</p><p>　　規(guī)定：R1端輸入電壓為,；R

32、2輸入電壓為；輸出電壓為。</p><p>　　取 </p><p>　　則（1）式變?yōu)?</p><p>　　即實現了加法器的功能。</p><p>　　可以在電路輸出端添加反相器，使輸出變?yōu)?lt;/p><p><b>　　2）減法器</b></p>

33、;<p>　　減法器實際電路如圖13所示。</p><p>　　圖13 減法器電路圖</p><p>　　規(guī)定：R1端輸入電壓為,；R2輸入電壓為；輸出電壓為。</p><p>　　取 </p><p>　　則（2）式變?yōu)椋?</p><p>　　即實現了減法器的功能。<

34、;/p><p>　　可以在輸出端添加反相器，則輸出變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　3.2數字電路方案</b></p><p>　　3.2.1 電路器件說明</p><p><b>　　1）NE555</b></p><p>　　NE555為一8腳封裝的器件。圖14為其引腳圖，

35、各引腳的名稱和作用如下：</p><p>　　1腳—GND，接地端；2腳—TL，低電平觸發(fā)端；3腳—Q，電路的輸出端；4腳—為復位端，低電平有效；5腳—V-C，電壓控制端；6腳—TH，閾值輸入；7腳—DIS，放電端；8腳—，電源電壓端，其電壓范圍為：4.5V—15V。</p><p>　　圖14 NE555引腳圖</p><p><b>　　其真值表如下：

36、</b></p><p>　　表1 NE555真值表</p><p><b>　　2）CD4017</b></p><p>　　CD4017集成電路是一種十進制計時器，其采用標準的雙列直插式16腳塑裝，圖15是其引腳圖。</p><p>　　圖15 CD4017引腳圖</p><p>

37、　　其引腳的名稱與功能如下：1腳（），第5輸出端；2腳（），第1輸出端；3腳（），第0輸出端，電路清零時，該端為高電平；4腳（），第2輸出端；5腳（），第6輸出端；6腳（），第7輸出端；8腳（GND），接地端；9腳（），第8輸出端；10腳（），第4輸出端；11腳（），第9輸出端；12腳（），級聯進位輸出端，每輸入10時鐘脈沖就生成一個進位輸出脈沖，13腳（），時鐘輸入端，下降沿有效；14腳（CP），時鐘輸入端，上升沿有效；15腳（R），

38、清零輸入端；當R端加高電平時，CD4017計數器中各計數單元輸出低電平“0”，在譯碼器中，輸出端“”為高電平；16腳（），電源正端，接3V—18V直流電壓。</p><p>　　CD4017的基本功能是對“CP”端輸入脈沖的個數進行十進制計數，并按照輸入脈沖的個數順序將脈沖依次分配給Q0-Q9，當計滿十個數時，計數器復位清零，并產生一個進位脈沖。</p><p><b>　　3）

39、三極管9013</b></p><p>　　9013是一種NPN型三極管，圖16為9013的引腳圖。1腳為發(fā)射極，2腳為基極，3腳為集電極。</p><p>　　圖16 9013三極管引腳圖</p><p><b>　　其參數為：</b></p><p>　　最大耗散功率為：0.625W（t=25）；<

40、/p><p>　　最大集電極電流：0.5A；</p><p>　　集電極-基極擊穿電壓：45V。</p><p>　　3.2.2 電路原理分析</p><p>　　自動循環(huán)調光燈電路如圖17所示。共由NE555多諧振蕩電路，CD4017十進制計數器，三極管9013調光燈控制電路三部分構成。使燈在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。</

41、p><p>　　圖17 自動循環(huán)調光燈原理圖</p><p>　　NE555組成的多諧振蕩電路用來產生脈沖信號，調節(jié)RV1可以改變振蕩頻率，也就是燈光變化的循環(huán)速度。當脈沖信號輸入到計數器的“CP”端時，計數器開始計數。隨著脈沖的不斷輸入，Q0-Q4端依次輸出高電平，當Q0-Q2依次輸出高電平時，經放大器放大，點亮燈泡，由于R0-R2電阻依次降低，起到了控制燈泡亮度的作用。當Q3端出現高電平時

42、，Q0-Q2輸出都為低電平，燈泡熄滅。當Q4出現高電平時，計數器清零復位，Q0-Q2輸出為100，計數器進入新一輪循環(huán)。因此，隨著Q0-Q4端輸出電平的變化，燈泡在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。</p><p>　　3.2.3 電路參數設計</p><p>　　NE555工作電壓為4.5V-15V，CD4017工作電壓為3V-18V，因此工作電路中電源電壓選為6V。使各個器件正

43、常工作。</p><p>　　多諧振蕩電路的頻率為f=1.44/（R+2RV1）*C1，取C1=1uF,R=47K，RV1max=470K，計算得1.46Hz≤f≤30.62Hz。</p><p>　　電路中其它參數：R0=300K,R1=200K,R2=100K。</p><p><b>　　4 調試過程及結論</b></p>

44、<p><b>　　4.1 模擬部分</b></p><p>　　在調試模擬電路的時候，開始的時候，減法器調試結果比較理想。加法器得到的結果卻與理論計算相差較大，在檢查電路后，確定電路布線正確，因此想到電路中實際參數是否正確。用萬能表測量了電路中各個電阻的阻值后，發(fā)現兩個電阻的阻值與其它電阻阻值不相同，原來是因為將提供的3阻值的電阻當作為同一種電阻接入了電路，導致實驗結果有誤。在更

45、換了電阻以后得到以下數據：</p><p>　　表2 模擬部分調試結果</p><p>　　測量結果比理論計算結果相差0.01v,在誤差允許范圍之內。因此模電實驗取得了成功。由此數據可得加法器是將多個輸入端輸入電壓進行求和并放大。減法器則是兩輸入端電壓相減并放大。在此基礎上可以進行擴展，實現多個輸入端的線性計算。</p><p><b>　　4.2 數字部

46、分</b></p><p>　　數字部分我選擇設計自動循環(huán)調光燈電路。該實驗在所有實驗中相對簡單，主要由三部分組成。通過接線將三部分合理連接起來即可。在設計的時候，運用proteus軟件進行仿真，起初將Q3輸出端與15腳（R），清零輸入端相連，發(fā)現仿真結果只有三種狀態(tài)，燈泡不會熄滅。當將Q4 輸出端與清零端相連，仿真結果出現了預期的結果。但是考慮到當Q3輸出為高電平的時候，計數器清零，Q0-Q3應為低

47、電平，此時，燈泡會熄滅。產生了兩種假設：a—仿真軟件與實際結果有誤差；b-計數器清零時并不出現輸出全為低電平的情況。帶著這個疑問，去了實驗室進行實際操作，調試結果發(fā)現實際狀況與仿真結果完全相同。只有當Q4端與清零端相連的時候，燈泡才會熄滅，出現四種狀態(tài)的循環(huán)。所以假設a是錯誤的，但假設b也并沒有得到證明。在寫報告的時候繼續(xù)查閱了資料得知：當清零端接高電平的時候，譯碼器輸出端Q0輸出為高電平。解決了心中的疑惑。</p>&l

48、t;p>　　當將Q4輸出端與清零端相連的時候，燈泡在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。調節(jié)滑動變阻器RV1，可以改變燈泡亮度變化的頻率。通過示波器觀察振蕩器輸出端和燈泡兩端的輸出波形信息如下：</p><p><b>　　1）振蕩器輸出端</b></p><p>　　波形：矩形波（脈沖）</p><p><b>　　電壓

49、幅值：。</b></p><p>　　周期T=3.7*0.1=0.37S 頻率：=2.7Hz</p><p><b>　　2) 燈泡兩端</b></p><p>　　波形：前進呈“臺階”狀的波形</p><p>　　電壓：0-0.03V-0.05V-0.11V-0循環(huán)。</p><p&

50、gt;　　循環(huán)一次時間：T24T。</p><p>　　通過實驗也成功完成了自動循環(huán)調光燈的設計。燈泡在熄滅-微亮-較亮-最亮四種狀態(tài)下循環(huán)變化。</p><p><b>　　5 心得體會</b></p><p>　　本試驗包括模擬和數字兩部分。通過本次試驗，對已學過的模擬電路和數字電路有了一個更加系統(tǒng)的認識。模擬部分通過學習課本上那個的理論知

51、識來設計加法器和減法器，反過來也加深對課本上知識的理解。數字部分則側重于實際運用，自動循環(huán)調光燈，在實際生活中也會遇到，但對它的工作原理卻并不是很明白，通過本次試驗了解到所學的知識在實際生活中的確派上用場，而且離我們很近。這樣可以激發(fā)我們的學習興趣。同時也啟發(fā)我們在平時學習的過程中，多看一些與專業(yè)相關的論文，多關注一些所學專業(yè)知識在實際生活中的運用，甚至動手自己設計一些電路。通過這些方法，一定會學有所成，并能將所學知識運用到實際中去。&

52、lt;/p><p>　　在實驗過程中會接觸到很多芯片和器件，如三極管，NE555在學習這些器件工作原理的時候，也是將所學知識前后系統(tǒng)的串聯起來，更加深刻地去理解它們。同時也將模擬電路和數字電路結合起來運用。</p><p>　　本次試驗不僅需要我們有過硬的理論知識，還要求我們擁有動手能力。事實上，理論設計和實際布線操作是完全獨立的兩個部分。后者受到很多因素的影響，容易出錯，這是會經常遇到的情況

53、，重要的是在這種狀況下能冷靜下來，找出錯誤所在，并給出解決方案。</p><p>　　如在模擬部分實驗中，因電阻的不匹配，導致無法得到預期的實驗結果，這種情況下就不能慌張，需要分析電路，確定問題出現的地方，并作相應修改。在實驗中也應當善于發(fā)現問題，并能堅持尋找問題的解決方法，直至問題解決。如在數字部分電路中，計數器清零端的接法，不同的接法會有不同的結果，是什么原因導致的，需要在實驗過程中去尋找。事實上，堅持不懈，

54、是做學問必備的素質。</p><p>　　另外，從實驗的設計到調試，再到寫報告，需要我們查閱資料，運用軟件，排版等。培養(yǎng)了我們多方面的能力。</p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p>　　[1]吳友宇.模擬電子技術基礎.清華大學出版社.2009</p><p>　　[2]伍時和.數字電子技術基礎.