B数显式电路设计方案之北京化工大学文档格式.docx
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作为百位显示,它的亮状态和暗状态分别用来代表1和0,两只LED
作为十位与个位显示,即最大显示数字为199。
数字显示器显示的
数字应当清晰,显示周期的长短要合适(应大于人眼的滞留时间
0.1S)。
(3)设B、C、E三个插孔,当被测二极管插入时,打开电源,显示器即显
示该二极管的β值,响应时间不超过2秒钟
(4)测量电路误差绝对值不超过1+5N/100(N是数字显示器的读数)
(5)限定使用的主要元器件
通用型集成运放LM324
高阻型集成运放LF351
通用型集成电压比较器LM311
集成定时器NE555
2/5十进制计数器74LS90
BCD—七段译码器74LS47
双D上升沿触发器74LS74
四2输入与非门CD4511
共阴极LED七段数码管
2
β值测量的方框图
总体电路的设计(选择元器件,具体电路设计并计算参数):
主要单元电路设计和参数计算:
?
β—VX转换电路;
VX—f转换电路:
压控振荡器;
计数时间产生电路;
计数、译码、显示电路;
清0信号产生电路等。
①?
?
β-Vx转换电路
Vx=βIbR2
三极管的集电极后面应加一个电流到电压的转换电路从而构成——电压并联负反馈,如下电路图:
3
由β最大值(199)时有:
Vx(max)=13V;
根据运放两输入端的外接等效电阻应尽量相等的原则,R3略小于R2。
(2)压控振荡器
4
相关参数计算:
fx与Vx的关系
设积分器的负向积分时间常数远远大于正向积分时间常数,即设R/
4远远大
于R8(通常取R/4&
gt;
100R9),则这个压控振荡器的震荡周期就近似等于上图中积分
器的负向积分时间t1,即近似等于积分器的输出电压Va由Vam下降到-Vam所要的时间t1。
因为Va=-1C1VXVX+=-t+VamVam&
#39;
0R4&
R4C1t
当t=t1时,Va=-Vam,即有
-Vam=-VamVX&
tt+,所以=2①VRC1am41&
VXR4C1
式中的Vam是积分器输出电压Va的峰值,在Va=-Vam时,比较器的状态发生变化这时比较器同相输入端的电位V?
=0,即V?
=R?
R7VamRV+61m,因此Vam=6V1m②R7R6?
R7R6?
R7
&
将②代入①式得t1=2R4C1R6V1mR7VX
5
故此压控振荡器的震荡周期为TX=t1+t2=t1=2R4C1R6V1mR7VX
振荡频率为
fx=RVx111=fx==&
·
7TXTX2R4C1R6V1m
可见fx与VX成正比,由于VX=IB·
β·
R2所以fx与β成正比。
为了保证积分器输出的线性度,考虑Vam应比V1m小些,即上式中R6的阻值应该比R7的小一些,按R6/R7&
lt;
0.7考虑,取R6=15K,R7=24K,
根据运放输入段与外接等效电阻应尽量相等,取R8=10K。
相关问题讨论:
①积分器、电压比较器可否都用324?
优缺点?
351——高阻型;
311——专用电压比较器(转换速度快)
②积分器中的D1起什么作用?
为什么要R9?
R4/?
为使正向积分与负向积分的回路不同、时间不同。
为能实现压控振荡,并忽略正向积分时间。
③β-VX转换电路的输出电压极性与VP-VX转换电路的异同点,积分电路的异同。
Vx的极性不同,故积分电路中D1极性接法不同。
(3)计数时间产生电路
要求
计数时间Tc应&
&
0.1s,一般取5ms&
Tc&
50ms;
取30ms
6
显示时间Td应&
0.1s,一般取0.3s&
1s;
取0.5s?
电路
1)、显示时间:
td=(R12+R11)C2ln2=0.5S
计数时间:
tc=R12C2ln2=30ms
取C2=0.33?
F
7
得R12=130k?
、R11=2M?
2)、在计数时间TC内,计数器记录的脉冲个数N为N=Tc/Tx=Tc*fx=Tc
又有R7Vx1&
2R4C1R6V1m
VX=βIC=βIBR2N=TCR12C2ln2=RVTX&
2R4C261mR7VX
根
据显示的设计要求,由前面知:
R12=130K,C2=0.33uF,R6=15K,R7=24K,V1m=13V,R2=5.1K,C1=330p,则只需调整R4'使得β等于N,那么数码管的显示值就为β值。
因此用电位器Rw串联代替R4’。
这就是电路的数显式原理。
根据运放两输入端等效电阻尽量相等原则,取R5=300K考虑功能和成本,选LF351(高阻型运放)与LM311(通用性电压比较器)
3)计数时间与压控振荡器的输出相与(经与非门和反相器)的结果是什么?
(4)计数、译码、显示电路:
①74LS90的清0信号为正脉冲,且必须产生在计数时间V2(高电平)上8
升沿到来的时刻。
②清0信号的宽度tW0≈0.7R13C4其tW0选择的原则为:
a.应远大于74LS90的清0信号的延迟时间(40ns);
b.应远小于计数脉冲的最小周期Tmin(由计数时间TC/99决定)即:
0.4μs&
0.7R13C4&
300μs。
如下图中所示:
芯片及其接线图。
工作波形显示电路:
9
V1
V2
V3
清0说明:
如果计数时间远小于人眼的滞留时间(0.1S),锁存器可以省略;
利用译码器的消隐端,使数码管在计数时间内为暗状态,效果更佳。
显示时间远大于人眼的滞留时间(0.1S)。
(5)清零信号电路
清零信号宽度two近似0.7R13C4
清零信号不能太窄,因此考虑two&
0.4μS;
Two应远远小于计数脉冲最小周期Txmin
Txmin=30ms/199=150μS
因此0.4μS&
150μS,取C4=470P,R13=56K
四、安装调试步骤及遇到的问题
(1)安装
1.在统装图上标好芯片号和芯片的管脚号,不用功能脚的逻辑电平。
2.合理布置芯片和其它元件的位置。
3.布线:
安排好电源线和地线.
线紧贴面包板,横平、竖直,不交叉,不重叠
在芯片两侧走线:
不可跨芯片
元件横平、竖直
10
4.安装顺序:
按信号流向,先主电路,后辅助电路。
5.边安装、边调试
(2)调试要点?
步骤:
1.上电观察
2.分块调试
3.整机联调
本次采用了边安装边调试的方式将整体电路分成了5个模块
1.电流、电压转换电路被测三极管和LM324组成的β—VX转换电路。
运放324的1脚输出一直流电压VX,用万用表测得VX≈0.051β=7.91V(β万用表测得值为155)。
2.LF351、LM311组成的压控振荡器:
幅值为24V左右
运放351的6管脚输出锯齿波
比较器311的7幅值为29V左右
3.555的三管脚得出波形
0.5S
30m
4.清零波形:
清零信号产生电路C4、R4的接点处输出尖脉冲11
5.计数、译码、显示:
将555振荡器的3脚输出送计数器个位74LS90-1时钟输入CPA,观察数码显示。
两个74LS90,两个74LS47,两个数码管组成的计数、译码、显示电路。
第一天上午整理测量元器件,完成了模块1,用万用表测得VX=6.324V≈0.051β(β万用表测得值为124),由于模块一线路比较简单,我们在测量完所需电阻、电容后连接完成。
很顺利。
接着连接3个运放,刚连完后在示波器出现了波形,但是干扰很厉害,不稳定的波形。
于是我们两个人开始了检查是否有不适当的连接导致电源处的干扰过大。
经仔细检查芯片是好的,其他也没有问题,最终在不影响后续连线的基础上我们开始了后续工作。
依次测量Va波形和VX。
同时连接了555和清零电路,555的三管脚得出波形接着在连接两个数码管与74LS47。
第二天早上将所有的连接线路完成,但是二极管一直是亮的,可能是计数处有问题。
下午经过老师帮助我们实验完成,经调试后可准确测量β值。
(3)排除故障
原因:
接错线、漏接线、多接线、逻辑错误
排除:
1.查芯片电源电压
2.运放线性工作时反相输入是否“虚地”
3.一般故障现象:
若根本不亮,应检查电源;
若数码管不闪烁,先检查555是否振荡;
若数码管显示0,应检查90有无输入,清0信号是否正常或90有无输出;
若数码管全显示9,检查有无清0信号;
或调整积分器输入端的电位器看有无变化;
或看324的输出是否正常等。
4.计数部分,逐点观测有无信号,或用万用表DCV看是否跳变。
输入为1.4v——虚线
输出保持高电平不变——芯片未接地或接触不良?
输入与输出同样规律变化——芯片未接电源?
5.555振荡器正常但计数无输出
解决:
在555的电源正极与地之间接一个几十μF的电解电容
(4)特别注意
排版,走线问题。
选取电源线与地线,有效利用好横排铜片。
否则后期会出现没地走线,飞线的问题。
检查时用万用表查短路或通路情况,获知是哪部分出的问题。
12
要求:
1.需要研究电路中的元器件的排列,确定元器件在印刷线路板上的最佳位置。
根据元器件的数量、大小和合理排列来计算所需要电路板的面积。
2.元器件必须安排在同一面上,称作元件面或正面,正面用红色线(元件面,横线为主),反面用蓝色线(连线面,竖线为主),连接双面连线的金属化孔应用蓝色线,具体走线原则为:
(1)线条横平竖直,同面线不能交叉
(2)线条尽量少(3)每个芯片下横向最多走三条线(4)芯片相邻管脚之间不能走线(5)每个金属化孔只能插入一个元件管脚。
3.一般线宽取1.0-1.5mm左右,相邻两条线之间的间距不小于线宽。
电源线与地线尽可能取得宽一些,以减少线上的压降,提高可靠性。
4.印刷电路图和实际印刷电路板的比例为2:
1。
5.坐标纸大小为31cm*23cm的,周边留宽5-10mm,芯片跨度15mm,芯片管脚间距5mm,电位器两管脚间距5mm,金属化孔内孔径取0.8mm,外孔径取1.5mm。
6.元件标注(用铅笔):
(1)标出元件的符号
(2)标出元件值
(3)标出芯片的1脚
印刷图:
详图见附录
(1)体会
在此次试验设计中我们经历了由给定的设计任务书→查资料、选方案→框图设计,选择元器件→单元电路和整体电路设计→安装调试→印刷电路板图设计、绘制→写总结报告的全过程。
通过这个过程中发现问题及解决问题我进一步巩固了所学理论知识,并所学把理论应用于实践,增强自己的动手能力,并且实验中在与同组同学的交流以及相互解决问题的过程中我们不仅在自己原有的思维上有了新的突破,而且增强了我们自身的团队协作意识,让我们受益匪浅。
然而最重要的莫过于增强了我做事情的耐心,忽然觉得做电路的人真的很13
伟大,没有比这更需要耐心的了,只有把心好好的静下来才能很好地把电路这门极需要耐心的工作做好,比女人绣花都更需要耐心、细心。
(2)建议
1:
实验过程中所用器材比较陈旧,而且部分器材有损坏,建议实验前应该先检查一下。
2:
实验安装调试过程中应先仔细检查各个器件,明确分工,注意团队协作。
3:
实验过程中应该写一个流程表,严格按照流程表进行,并且在每一步完成之后下仔细检查一遍后,再进行下一步,每一个模块完成后都要进行调试,然后在进行下一模块的链接。
4.调试过程中出现问题时,不要烦躁,可以按如下方法排查:
初步确定范围---缩小范围----锁定错误区域,之后就可以用万能表逐一排查线路或器件的好坏等问题。
按此步骤问题很容易解决。
5.如果实在无法找到错误,锁定错误范围之后就可以对这部分电路拆了然后重新链接。
参考文献:
1.《电子技术基础》(数字部分、模拟部分)(康光华主编)
2.《电子技术课程设计指南》
3.参考电路:
《N沟道结型场效应管夹断电压测量电路》
——电路的基本组成,主要单元电路(VP/Vx、Vx/f、数显)的设计、参数计算,各单元之间的连接。
(任务书)?
元件使用说明:
熟悉各芯片功能、使用方法
设计过程:
电子电路系统设计的几大步骤、方法。
主要元器件管脚图:
1、通用型集成运放LM324管脚图如附图8-1所示
LM324内有四个结构相同,互相独立的运放。
运放内部已有频率补偿电路,应用时可不用外接补偿电容。
LM324用双电源工作,但也能单电源使用,其电压范围为3-30V,并具有很低的静态功耗,当电源电压为5V时,其非线形应用的输出14
电平可和TTL器件相容。
图8-1
管脚图如附图8-2所示
LF351具有很高的输入电阻,特别适用于各种运算电路。
一般工作时采用±
15v电源,它的输出级有过流保护电路,因而输出对地短路也不会损坏器件,但使用中应尽量防止发生短路,当需要调零时,可把电位器动端连负电流,两个固定端分别与调零端相连。
图8-2
管脚图如附图8-3所示
LM311具有较低的偏置电流和失调电流,用它构成的电压比较器其影响速度比用一般运放组成的电压比较器快,可用单电源供电,例如+15v,也可用双电源供电,15
例如±
15v。
图8-3
管脚图如附图8-4所示
NE555是一种模拟、数字混合式定时器集成电路,外接适当的电阻和电容就能构成多谐振荡器、单稳态触发器和双稳态触发器,用555定时器组成的多谐振荡器,振荡频率比较稳定。
为便于频率调整,可外
接电位器
图8-4
2/5十进制计时器74LS90
74LS90内部含有一个二进制计数和一位五进制计数器。
当计数脉冲由CPA输入,QA与CPB相连时就构成BCD计数器。
当计数脉冲由CPB输入,QD与CPA相连时,可完成五——二进制时序,在输出端QA可得到一个占空比为50%的十分频方波。
另外,除计数输入CPA和CPB为下降沿作用外,置0端R0
(1)和R0
(2),置9端S9
(1)和S9
(2)都是高电平起作用,因此在使用中不要将它们随意悬空。
表8-274LS90功能表
16
17
BCD——七段译码器74LS47
管脚如附图8-9所示
图中D、C、B、A为输入的8421BCD码,a~g为七段输出。
IB/
YBR
74L
18
①表中0~15项为正常译码输出,其条件是灯测试端LT,消隐输入端IBR都接高电平或者悬空,串行消隐输入端IBR至少在输入为低电平时是高电平。
正常译码输出时,可驱动共阳极LED数码管显示的0~15共16个字形。
②消隐:
当直接加低电平到消隐输入端时
a~g均为高电平,此时数码管呈暗状态。
③串行消隐:
74LS74的管脚4既可作为输入端IB,也可作为输出端YBR。
当管脚3为高电平,管脚5为低电平时,对于低电平输入信号,数码管呈暗状态,同时输出YBR变为低电平,若用YBR连下级的管脚5,则下级的数码管在该级输入为低电平时也呈暗状态。
依此类推,可实现不显示无效数字的目的。
④灯测试:
在消隐输入端为高电平时,若使LT为低电平,则a~g为低电平,数码管各段全亮。
74LS74的有效输出电平为低电平,它可以与共阳极的LED数码管配套使用,如图所示。
通常数码管导通时的正向压降约为1.8V,正向电流为10mA,据此可选定限流电阻R,一般取390Ω左右。
有功能表可知,当输入的
BCD
码为
DCBA=1001
时
a?
b?
c?
f?
g?
0,d?
e?
1,因而数码管中的相应段a、b、c、f、g导通
发光,从而显示数字9.
双D上升沿触发器74LS74管脚图如附图8-7所示
74LS74是具有直接置位端和复位端的双D触发器。
逻辑功能如表3-1所示。
表中的“”表示时钟CP的上升沿触发,带“*”的状态是不稳定的。
表8-174LS74逻辑功能表
19
图8-7
六施密特反相器74LS14
20
四2输入与非门
CD4511
九、
附图(框图逻辑图印刷线路板图)最初自己设计出的框图:
21
合理方案
自己设计的电路图:
22
参考图样测量N沟道结型场效应管夹断电压VP
23
印刷版图
面包板图24
[思考题]
(1)如何将β值转换为电流值?
(2)如何将电流信号转换为电压信号?
(3)如何将电压信号转换为频率信号?
(4)适当选取哪里的参数可实现TX时间内计数的值等于值?
(5)计数器何时清零?
为什么?
(6)计数器后是否还需要锁存器?
(7)如何使计数器计数时数码管不显示数字?
特别说明
1.电源一定不能接错,必须仔细检查后方可通电;
2.万一出现故障,必须立即切断电源,报告老师处理;
3.安装调试是两人一组,应很好配合;
4.要保持实验室整洁、卫生,不准在实验室吃零食。
25
26
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