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在设计的过程中,需要我们对理论知识理解透彻,对所需的各个电子元件熟悉了解以及具有化繁为简的总体设计思想。
因此掌握或具有一定的数字电子技术对我们工科类大学生来说是至关重要的。
1课程设计的目的
通过课程设计掌握数字电子技术课程设计的流程与要求。
培养同学们自主设计制作的能力,同时学会应用仿真软件对设计电路进行模拟分析。
培养分析问题解决问题的能力。
掌握常用电子元器件的检测及使用方法,掌握常用仪表的使用方法,通过数字电子课程设计加深学生对数字电子技术的理解,提高其设计能力。
2课程设计的任务与要求
本课题设计一个汽车LED尾灯的控制器电路。
该电路由两个电键控制,通过两个开关的断开和闭合控制着汽车的左转、右转、刹车和正常行驶。
分别由时钟产生电路,逻辑电路,控制电路和指示电路四个部分组成。
从而达到以下4种不同的显示模式:
1.汽车正向行驶时,左右两侧的指示灯全部处于熄灭状态;
2.汽车右转弯行驶时,右侧的3个指示灯按右循环顺序点亮;
3.汽车左转弯行驶时,左侧的3个指示灯按左循环顺序点亮;
4.汽车临时刹车时,左右两侧的指示灯同时处于闪烁状态。
3设计方案与论证
根据课程的设计要求汽车的行驶状态与灯的状态和开关闭合断开情况如下表1所示。
表3-1汽车尾灯开关状态和行驶状态表
KI
K2
汽车行驶状态
L1L2L3
L4L5L6
正常行驶
全灭
1
左转
左循环依次点亮
右转
右循环依次点亮
刹车
全亮闪烁
其中,K1,K2为控制开关,代表4种不同的运行状态。
L1,L2,L3代表汽车左侧的3盏尾灯,L4,L5,,L6代表汽车右侧的3盏尾灯。
由于汽车左右转弯时,三个指示灯循环点亮,所以用三进制计数器控制译码器电路顺序输出低电平,从而控制尾灯按要求点亮。
由此得出在每种运行状态下,各指示灯与各给定条件(K1、K2、CP、Q1、Q0)的关系,即逻辑功能表如下表2所示(表中0表示灯灭状态,1表示灯亮状态)。
表3-2总体电路的逻辑功能表
开关控制
三进制计数器
六个指示灯
K1
Q1
Q0
L6L5L4
L3L2L1
×
000
100
010
001
CPCPCP
由上面的逻辑功能表可得出总体框图,如图1所示:
图3-1汽车尾灯控制器的结构框图
为使汽车尾灯达到的所要设计最终目的,系统电路分为四个模块:
555定时器,三进制计数器,模式控制电路,LED显示电路。
其中,555定时器是用来产生电路所需要的时钟脉冲,三进制计数器是用来产生00→01→10→00…的循环,以分别控制左右尾灯的点亮和熄灭情况,模式控制电路是利用开关来控制设计电路的四种汽车运行状态的转化,最后,通过74LS138数据分配器以达到最后一个模块的显示作用,使得整个电路按照实验目的顺利完成。
模式控制电路通过两个开关来控制汽车尾灯的四种运行状态。
当K1=K2=0的时候,74LS138不工作,脉冲过来时,通过74LS10使输出为高电平,通过两个非门输出高电平,使共阳极的发光二极管熄灭。
当K1=0,K2=1的时候,汽车左转弯,当脉冲过来时,使E3=1,74LS138开始工作通过三进制计数器,使输出端的Y0,Y1,Y2连接的LED循环点亮。
同理,当K1=1,K2=0的时候,汽车右转弯,当脉冲过来时,使E3=1时,74LS138开始工作通过三进制计数器,使输出端的Y4,Y5,Y6连接的LED循环点亮。
当K1=1,K0=1的时候,使E3=0,使74LS138不工作,脉冲信号经过74LS10输出端的与非门和非门,到达LED,使二极管处于闪烁状态。
设计本电路,我们采用LM7805集成稳压器提供正5V电压,用74LS163构成三进制计数器。
时钟脉冲电路用555定时器构成的多谐振荡器产生输出脉冲信号。
译码电路由3-8译码器74LS138和6个与非门74LS00和6个非门74LS04构成。
用6个电阻和6个发光二级管构成显示驱动电路。
控制电路用两个开关和三输入与非门74LS10和异或门74LS86构成。
经过设计方案内容及要求分析首先,通过555定时器产生脉冲信号,该信号用于提供给计数器和三输入与非门74LS10。
然后计数器74LS163输出信号给3-8译码器,译码后控制显示、驱动电路即左转、右转的信号通过6个与门以及电键提供高低电位信号,将原始信号分别输出到左、右的三个尾灯上。
这部分电路起到分拣的作用。
最终得到的信号就可输出到发光二极管上,实现所需功能.
所以设计电路原理图如下:
图3-2汽车尾灯控制电路图
4单元电路设计
4.1脉冲信号设计
由于汽车尾灯是的点亮是给人的不同的信息及该车将要发生的动作,所以汽车的尾灯在闪烁的时候不能超过一定的频率,但是频率也不能太小,所以我们在设计的时候是采用的555定时器设计的一个脉冲产生源。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发电路和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压,当5脚悬空时,则电压比较器A1的反向输入端的电压为2/3Vcc,A2的同相输入端的电压为1/3Vcc,若触发输入端TR的电压小于1/3Vcc,则比较器A2的输出为1,,可使RS触发置1。
,使输出端OUT为1。
如果阙值输入端TH的电压大于2/3Vcc,同时TR电压大于1/3Vcc,则A1输出为1,,A2输出为0,,可将RS触发器置0,可使输出为0电平。
下图为555定时器内部结构与引脚图:
图4-1内部结构结构图图4-2引脚图
如图为由555定时器构成的多谐振荡器。
接通电源后,电容C被充电,Vc上升,当Vc上升到2/3Vcc时,触发器被复位,此时Vo为低电平,电容C通过R2和T放电,使Vc下降。
当Vc先讲到1/3Vcc时,触发器又被复位,Vo翻转为高电平。
常用的555定时器(LM555CH)的逻辑符号如图所示。
图4-3555多谐振荡器
引脚功能如下:
管脚1为接地端;
管脚2为低电平触发器输入端TRI,当输入电平低于Vcc/3或Vcc/2时,输出OUT为高电平;
管脚3为输出端OUT;
管脚4为复位端RST。
当RST=0时,OUT=0;
管脚5为控制电压输入端CON;
管脚6为高电平触发端THR。
当该端电平高于2Vcc/3时,输出OUT为低电平;
管脚7为放电端DIS;
管脚8接电源Vcc。
该电路构成了自激多谐振荡器,也称无稳态触发器。
电路无需外加触发脉冲,就能输出矩形脉冲,因输出矩形脉冲含有很多高次谐波,因此称为多谐振荡器。
其中R1和R2是外接滑动变阻器C1是外接电容。
R1,R2,C1构成充放电回路。
根据多谐振荡器周期表达T=0.7(R1+2R2)C
取值R1=40kΩ,R2=56kΩ,C=0.11uf,T=0.01S
调节555定时器的外接滑动变阻器可以改变输出的脉冲信号的周期。
根据需要可以调节脉冲信号频率。
在555多谐振荡器的输出端接入示波器,示波器中A通道为得到的矩形脉冲。
波形如图4-4所示。
图4-4555定时器输出信号脉冲
4.2计数器电路设计
根据需要选择74LS163同步计数器构成一个3进制计数器实现灯的循环亮。
输出端QaQb输出三进制数00→01→10→00…的循环。
汽车左或右转弯时由于是三个指示灯循环点亮,所以用三进制计数器控制译码电路顺序输出低电平,从而控制尾灯按要求电路,由此得出在每种运行状态下,各指示灯与各给定条件的关系,即逻辑功能表:
(0表示灯灭,1表示灯亮)
表4-1三进制计数器功能表
K1K2
Q1Q0
123456
00
000000
01
00
10
100000
010000
001000
11
000100
000010
000001
cpcpcpcpcpcp
图4-574LS163引脚图
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP,CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC.(TC=Q0·
Q1·
Q2·
Q3·
CET)
此计数器由74LS163芯片主要构成,74LS163计数功能简介:
其计数是同步的,靠CP同时加在四个触发器上而实现的,当CTp和CTt均为高电平时,在CP上升沿作用下Q0-Q3同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
对于74LS163,只有当CP为高电平时CTp和CTt才允许高至低电平的跳变,而与CP无关。
74LS163的引脚图及真值表:
表4-274LS163真值表
从74LS163功能表功能表中可以知道,当清零端CR=“0”,计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”,这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时,在CP信号上升沿作用后,74LS163输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3,D2,D1,D0的状态一样,为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后,计数器加1。
74LS163还有一个进位输出端CO,其逻辑关系是CO=Q0·
CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能
图4-674LS163计数器电路连接图
4.3控制电路设计
开关控制电路通过控制开关K1和K2的开通于关断,实现汽车正常行驶、左转弯、右转弯和刹车四种状态。
K1、K2置于00状态时,汽车处于正常行驶状态;
K1、K2置于01状态时,汽车处于左转弯状态;
K1、K2置于10状态时,汽车处于右转弯状态;
K1、K2置于11状态时,汽车处于刹车状态。
电源引出两个线路分别与电阻连接,同时连接两个开关。
两个开关分别连向异或门74LS86与非门74LS10。
当开关K1,K2处于断开状态时,两个开关同时输出低电平,经过异或门74LS86输出低电平,低电平到达三八译码器的使能端E1,使三八译码器不能工作。
汽车处于正常行驶状态。
当开关K1处于闭合状态,K2处于断开状态时高低电平经过异或门74LS86输出高电平。
使三八译码器的使能端E1为高电平。
三八译码器能够正常工作。
同理,当开关K1处于断开状态,K2处于闭合状态时高低电平经过异或门74LS86输出高电平。
当开关K1,K2都处于闭合状态时,开关均输出高电平经过异或门74LS86输出低电平,低电平到达三八译码器的使能端E1,使三八译码器不能工作。
控制电路如图所示
图4-7控制电路连接图
4.4译码、显示驱动电路
此电路由74LS138芯片和6个与非门,6个反向器和发光二极管构成。
74LS138芯片简介:
74138为3线-8线译码器,,其工作原理如下:
当一个选通端为高电平,另两个选通端为低电平时,可将地址端的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。
若外接一个反向器可级联扩展成32线译码器,若将选通端中的一个作为数据输入端时,74138还可以做数据分配器。
下图为其引脚图和真值表:
表4-374LS138真值表
图4-874LS138引脚图
译码、显示驱动电路图如下图所示;
图4-9译码、显示驱动电路图
5硬件的制作与调试
焊接电路板是一个需要熟能生巧的操作,电子电路的组装与调试在电子设计技术中占有重要位置。
它是对理论设计进行检验、修改和完善的过程,任何一个新产品往往都是在安装、调试并反复改多次方能最终完成。
5.1电子电路的组装
组装电路通常采用焊接和在面包板上插接两种方法,无论采用哪种方法均应注意以下几方面。
(1)所有元器件在组装前应尽可能全部测试一遍,以保证所用元器件均合格。
(2)所有集成电路的组装方向要保持一致,以便于正确布线和查线。
(3)分立元件时应使其标志朝上或朝向易于观察的方向,以便于查找和更换。
对于有极性的元件,例如电解电容器、晶体二极管等,组装时一定要特别注意,切匆搞错。
(4)为了便于查线,可根据连接线的不同作用选择不同颜色的导线。
一般习惯是正电源用红色线、负电源用蓝色线、地线用黑色线、信号线用黄色线等。
(5)连线尽量做到横平竖直。
连线不允许跨接在集成电路上,必须从其周围通过。
同时应尽可能做到连线不互相重叠、不从元器件上方通过。
(6)为使电路能够正常工作与调测,所有地线必须连接在一起,形成一个公共参考点。
正确的组装方法和合理的布局,不仅可使电路整齐美观、工作可靠,而且便于检查、调试和排除故障。
如果能在组装前先拟订出组装草图,则可获得事半功倍之效果,使组装既快又好。
5.2电子电路的调试
调试是指系统的调整、改进与测试。
测试是在电路组装后对电路的参数与工作状态进行测量,调整则是在测试的基础上对电路的某些参数进行修正,使满足设计要求。
在进行调试前应拟订出测试项目、测试步骤、调试方法和所用仪器等,做到心中有数,保证调试工作圆满完成。
5.2.1调试方法
调试方法原则有两种。
第一种是边安装边调试的方法。
它是把复杂的电路按原理框图上的功能分成单元进行安装和调试,在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围,最后完成整机调试。
这种方法一般适用于新设计的电路。
第二种方法是在整个电路全部焊接完毕后,实行一次性调试。
这种方法一般适用定型产品和需要相互配合才能运行的产品。
5.2.2调试步骤
通电前检查
电路安装完毕后,不要急于通电,首先要根据原理电路认真检查电路接线是否正确,包括错线(连线一端正确、另一端错误),少线(安装时漏掉的线),多线(连线的两端在电路图上都是不存在的)和短路(特别是间距很小的引脚及焊点间),并且还要检查每个元件引脚的使用端数是否与图纸相符。
查线时最好用指针式万用表“Ω×
1”档,或用数字万用表“Ω”档的蜂鸣器来测量,而且要尽可能直接测量元器件引脚,这样同时可以发现接触不良的地方。
通电观察
在电路安装没有错误的情况下接通电源(先关断电源开关,待接通电源连线之后再打开电路的电源开关)。
但接通电源后不要急于测量,首先要充分调动眼、耳、鼻、手观察整个电路有无异常现象,包括有无冒烟,是否有异常气味,是否有异声,手摸器件是否发烫,电源是否有短路和开路现象等。
如果出现异常,应该立即关掉电源,故障排除后方可重新通电。
然后再按要求测量各元器件引脚电源的电压,而不只是测量各路总电源电压,以保证元器件正常工作。
单元电路调试
在调试单元电路时应明确本部分的调试要求。
调试顺序按信号流向进行,这样可以把前面调试好的输出信号作为后一级的输入信号。
单元调试包括静态和动态调试。
静态调试一般是指在没有外加信号的条件下测试电路各点的电位,特别是有源器件的静态工作点。
通过它可以及时发现已经损坏和处于临界状态的元器件。
动态调试是用前级的输出信号或自身的信号测试单元的各种指标是否符合设计要求,包括信号幅值、波形形状、相位关系、放大倍数和频率等。
对于信号产生电路一般只看动态指标。
把静态和动态测试的结果与设计的指标加以比较,经深入分析后对电路与参数提出合理的修正。
在调试过程中应有详尽记录。
整机联调
各单元电路调试好以后,并不见得由它们组成的整体电路性能一定会好,因此还要进行整体电路调试。
整体电路调试主要是观察和测量动态性能,把测量的结果与设计指标逐一对比,找出问题及解决办法,然后对电路及其参数进行修正,直到全部电路的性能完全符合设计要求为止。
在焊接好电路板进行测试的时候。
我们的实验电路不能输出正常的逻辑信号。
于是我们按照正常的检查步骤进行检查,首先检查线路是否有问题,当检查过后我们发现线路没有问题。
于是检查是否是焊接的问题,焊接也没有问题,最后检查元器件在焊接过程中是否损坏。
在数字实验室我们对所有使用的元器件进行检查一步一步测试。
发现元器件没有任何问题,能够正常的表现逻辑功能。
经过很多检测我们还是发现不了问题所在。
最后还是在老师的帮助下才发现问题所在。
控制开关不能进行充分放电。
当开关处于断开状态时输出电压测试为1.9V。
为高电平。
最后给开关串接了电阻问题才解决。
最后电路能正常表达。
实现功能要求。
6仿真实验
当汽车正常运行时,K1=K2=0,车正常行驶左右侧灯全灭。
图6-1汽车正常行驶仿真图
汽车左转K1=0,K2=1.左侧灯循环点亮。
图6-2汽车左转仿真图
汽车右转K1=1,K2=0。
汽车右侧灯循环点亮
图6-3汽车右转仿真图
汽车紧急刹车使K1=1,K2=1。
左右侧灯全闪
图6-4汽车紧急刹车仿真图
7总结
第一次做数字电子课程设计,这对于我来说是一个全新的学习内容。
当老师把课题布置下来之后,我认真的查阅许多资料。
认真了解课程设计的一切相关知识。
确定小组成员之后我们便开始了数字电子课程设计题目的确定。
为了做到学以致用我们决定做汽车尾灯控制电路的设计这个课题。
因为任何汽车都需要汽车尾灯控制这个电路。
而汽车与我们的生活息息相关。
而且在上学期的数字电子技术这门课中我们系统的学习过数字电路,集成电路。
用本次实验的课程设计来验证书本中所学习的内容,不仅能够让我们巩固以前所学习的知识,更能让我们学习到许多课本以外的知识。
课题确定以后就要开始做准备工作了。
首先解决的是工作原理,我们确定了一个整体思路总共分为四个部分:
稳压电路,脉冲电路,控制电路,计数器电路,译码器电路。
每个部分的电路选择都需要考虑许多方面,例如计数器电路是选择74LS161电路还是74LS163电路。
这需要综合考虑每种电路的优缺点,以及整体电路的需求。
而关于电子元器件的选择我们更是查阅了许多资料。
材料的选择参数的计算很重要,这直接关系到本次实验能否获得成功。
对于电路的仿真实验,我做了许多摸索,仿真软件我在以前接触的比较少,用的也不是很熟悉。
经过一段时间的练习能够基本操作仿真软件了。
并对Multisim11仿真软件有了进一步的了解。
我们所设计的电路在仿真软件上仿真成功。
而在实际焊接电子元器件的时候我们遇到了很大的问题。
当我们的电路板焊接好以后进行通电实验结果出现了电路不能正常工作的现象。
本以为一切实验都会很顺利但是结果出乎意料。
我们认真检查,小心求证。
可是经过很长时间的检查始终却没有找到问题所在。
最后经过老师的帮助才发现问题的所在。
原来我们所使用的控制开关没有进行充分放电需要串接电阻接地。
从而导致逻辑电平不能正常输出,导致实验失败。
可见实验来不得半点马虎。
需要严谨的态度。
在问题出现的时候需要认真对待。
认真分析问题出现的原因以及所有可能的因素。
这样才能找到问题的解决办法。
同时在本次实验中我们用到了许多实验仪器,例如万用表,示波器。
以前仪器的使用对于我来说是个很薄弱的环节,现在能在实验中得到练习。
本次数字电子课程设计,感觉收获很多。
不仅仅学习了专业知识也锻炼了自己的能力同时培养了团队合作的意识体会到了实验的严谨态度。
参考文献
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[5]梁宗善.电子技术基础课程设计[M].武汉:
华中理工大学出版社.1995
总体电路原理图
元器件清单
名称
个数
555定时器
1个
电容4.7μp
74LS163
电容0.1μp
74LS138
电阻200Ω
6个
74LS86
电阻100Ω
74LS10
变阻器50MΩ
2个
74LS00
LED灯
74LS04
LM7805
导线
若干
电路板
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