电子制作实践.docx

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电子制作实践

1.实验目的:

学生通过上机操作，掌握利用ProteusISIS进行电路原理图设计的方法；掌握利用原理图元件库编辑器创建新元件的方法；了解利用ProteusARES进行印刷电路板图设计的方法；了解利用PCB元件库编辑器创建新的PCB元件的方法；掌握利用Proteus进行模拟电子实验和数字电子仿真实验的方法，利用其中自带的虚拟仪器进行电路的仿真。

学习掌握MCS-51单片机的结构和原理，KeilC51的编程，Keil和Proteus的联合调试，利用Proteus和KeilC实现AD和DA部分的电子及编程设计。

少部分同学，可自行进一步学习与掌握ProteusARES，以实现从电路原理图到印刷电路板PCB设计的转换和使用方法。

能熟练运用Proteus进行电路原理图和印刷电路板图综合设计，提高综合应用能力及独立解决实际问题的能力。

利用Proteus实现6个电子制作课程设计项目：

●555定时器；

●比例运算放大器；

●波形发生器；

●显示译码器和数码管的应用；

●ADC0808和DAC0832的应用设计

●串/并行数据转换器；

2.设计内容

一）555定时器

NE555简介

图-1:

NE555结构

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极型工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

55集成电路开始是作定时器运用的,所以叫做555定时器或555时基电路553定时器成本低，性能可靠。

但后来经过开发,它除了作定时延时控制外,还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。

此外,还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路,用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制,555集成电路内部有几十个元器件,有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等,电路比较庞杂,是模拟电路和数字电路的混合体。

555电路的内部电路方框图如图所示。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。

A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。

平时该端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

555定时器的引脚图

它的各个引脚功能如下：

1脚：

外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

2脚：

低触发端

3脚：

输出端Vo

4脚：

是直接清零端。

当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

　5脚：

VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

　6脚：

TH高触发端。

　7脚：

放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

　8脚：

外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

555定时器可工作在二种工作模式下：

单稳态模式：

在此模式下，555功能为单次触发。

应用范围包括定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等。

无稳态模式：

在此模式下，555以振荡器的方式工作。

这一工作模式下的555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。

如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成温度传感器，其输出信号的频率由温度决定。

①555定时器单稳态电路实现

1）实验原理

单稳态触发器具有下列的特点：

第一，它有一个稳定的状态和一个暂稳的状态；第二，在外来脉冲的作用下，能够有稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间以后，将自动的返回到稳定状态，而暂稳状态时间的长短与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。

如图-2所示接线。

其中R1和按钮组成一个负脉冲发生器，操作时动作尽量为快，这个时间要远远小于Tw的宽度才能观察到效果。

示波器的图形见图-3，其中上方的正脉冲为单稳态电路的输出，下方为触发脉冲。

具体工作状态如下：

（1）没有触发信号的时候电路工作在稳态。

（2）接通电源后，未加负脉冲，而C充电，上升，当时，电路输出为低电平，放电管T导通，C快速放电，使=0。

这样，在加负脉冲前，为低电平，=0，这是电路的稳态。

在t=t0时刻负跳变（端电平小于），而=0（TH端电平小于），所以输出翻为高电平，T截止，C充电。

按指数规律上升。

t=t1时，负脉冲消失。

t=t2时上升到（此时TH端电平大于，端电平大于），又自动翻为低电平。

在这段时间电路处于暂稳态。

t>t2，T导通，C快速放电，电路又恢复到稳态。

由分析可得：

（3）输出正脉冲宽度tW=1.1RC

（4）注意：

图-2（a）电路只能用窄负脉冲触发，即触发脉冲宽度ti必须小于tW

（5）555定时器用于实际中的实例有：

能发出“叮、咚”声门铃的电路和旋光彩灯控制电

图-2

2）Proteus绘制电路图

图-3

3）仿真结论

图-4

②555多谐振荡电路

1）实验原理

如图-6所示接线555定时器外接一个电容充放电电路即可构成一个无稳态多谐振荡器。

在555定时器的电源8端和接地1端之间从上到下串接电阻R4、R5和电容C2。

把555定时器的6端和2端（即内部两个电压比较器的同相和反相输入端）连在一起，再接到电容C2上端，即两个比较器的外部输入电压都取为电容C2上的变化量，再与各自的固定电压2Vcc/3和Vcc/3比较，触发锁存器，使Q1饱和导通。

因7端接在R5上方，此时相当于接地，C2通过R5放电。

然后R4、R5和C2回路再充电，反复进行的结果，将导致3端输出方波。

波形如图-7。

555定时器接成多谐振荡器时的频率计算公式为：

工作状态：

接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。

充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。

是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得输出高电平时间T=（R1+R2）Cln2输出低电平时间T=R2Cln2振荡周期T=（R1+2R2）Cln2输出方波的占空比为：

图-5

2）Proteus绘制电路图

图-6

3）仿真结论

图-7

③555定时器救护车变音警笛电路的实现

1）实验原理

警笛电路主体通过两个NE555芯片组成，左端的U1、R3、R2、C1组成的振荡器输出的低电平信号以控制右端U2、R4、R5、C3组成的振荡器输出震荡频率。

实际警笛声音以运行时为准。

线路图如图-8。

2）Proteus绘制电路图

图-8

二）比例运算放大器

简介：

比例运算放大器LM324的原理及计算：

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列如图-9、图-10。

图-9图-10

①同相比例运算放大器

1）实验原理

（1）电压放大倍数的比较：

反相输入比例运算电路的电压放大倍数为：

Au=-R3/R1，所以说它的放大倍数可以大于1，等于1，小于1.同相比例运算电路的电压放大倍数为：

Au=1+（R3/R1）所以说它的放大倍数可以大于1，等于1，但不能小于1.

（2）输入电阻的比较：

反相输入比例运算电路的输入电阻等于R1。

同相输入比例运算电路的输入电阻很大，等于运放的同相输入端和反相输入端之间的输入电阻，并且在理想条件下为无穷大。

（3）共模输入电压的比较反相输入比例运算电路的共模输入电压等于0。

同相比例运算电路的共模输入电压等于输入电压Ui。

而它们的输出都偏离零点。

2）Proteus绘制电路图

图-11

3）仿真结论

图-12

②反向比例运算放大器

1）实验原理

反相比例运算电路的输入电阻

Ri=（ui/i1）=R1,保证集成运放两输入断对地第电阻的平衡，同相输入端的电阻应该取Rp=R1//R3，集成运放电路的输入电阻很大，但集成运放构成的反相比例运算电路的输入电阻R1，起数值一般在几千欧到几十千欧之间。

③共模输入电压：

反相比例运算电路具有虚地的特点，所以反相比例运算电路的共模输入信号为0。

从波形可以看出波形呈现出明显的同相，根据计算可得其闭环增益为

同相比例电路的特性：

同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点。

同相比例运算电路的电压放大倍数可以大于1，等于1，但不能小于1.电压放大倍数为正，所以输出与输入同相。

它可以改成电压跟随器，并且比分立远见构成的跟随器性能好的多。

输入电阻趋向无穷。

共模输入电压为输入信号源电压U1。

2）Proteus绘制电路图

图-13

3）仿真结论

图-14

二）波形发生器

简介

波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。

即给集成运放引入正反馈，配合适当限幅措施，可以产生稳定周期性振荡。

技术指标

　　1、波形类型：

方型、正弦波、三角波、锯齿波；

2、幅值电压：

1V、2V、3V、4V、5V；

3、频率值：

10HZ、20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1KHZ；

4、输出极性：

双极性

分类

　　1、方波发生器

2、三角波发生器

3、锯齿波发生器

4、压频转换

5、正弦波发生器

这次实验的运用的主要仪器是LM324,具体内容同实验二。

①方波和三角波发生器

1）实验原理

方波与三角波发生器由电压比较器加积分器组成。

左端LM324与R1、R2、R3及RW、DZ1、DZ2组成电压比较器。

当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，能自动产生方波与三角波。

三角波（或方波）的频率为：

f=1/T=R2/（4R1*RF*C）

若要维持三角波的幅值不变，则R1与R2的比值应固定，调节RF或C1的值可以改变三角波的频率。

如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如原理图所示，则为方波、三角波发生器输出波形图。

由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。

利用叠加原理可得

电路振荡频率：

方波幅值：

三角波幅值：

在Uz值确定时，应该先调节R1和R2，是输出幅度达到规定值，然后在调节R4和C是振荡周期满足要求。

2）Proteus绘制电路图

图-15

3）仿真结论

图-16

②RC桥式正弦波震荡器

1）实验原理

其中R5、C2和R4、C1为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。

R1、滑动变阻器Rv及R3组成负反馈网络，调节RW可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。

为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。

图中的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。

当输出电压的幅度较小时，电阻R3两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R1、RV及R3决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R3并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。

输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。

为了维持振荡输出，必须让:

1+Rf/R1=3;为了保证电路起振,需满足1+Rf/R1>3；其中

Rf=Rv+R2+（R3//Rd）当R4=R5=R,C1=C2=C时，f=1/（2πRC）

调整电阻RV（即改变了反馈Rf），使电路起振，且波形失真最小。

如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf，如波形失真严重，则应适当减少Rf。

改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。

一般采用改变电容C作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。

2）Proteus绘制电路图

图-17

3）仿真结论

图-18

二）显示译码器及数码管的应用

74LS47简介

核心器件74LS47（BCD码到七段显示译码器），74LS48七段译码器/驱动器，七段LED数码管的工作原理：

发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件（半导体显示器）。

分段式显示器（LED数码管）由7条线段围成字型，每一段包含一个发光二极管。

外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光，有红、黄、绿等色。

只要按规律控制各发光段的亮、灭，就可以显示各种字形或符号。

LED数码管有共阳、共阴之分。

图4-17（a）是共阴式LED数码管的原理图，图-19（b）是其表示符号。

使用时，公共阴极接地，7个阳极a~g由相应的BCD七段译码器来驱动（控制），如图-17所示。

图-19

BCD七段译码器的输入是一位BCD码（以D、C、B、A表示），输出是数码管各段的驱动信号（以Fa~Fg表示），也称4—7译码器。

若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高

（1）时，相应显示段发光。

例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示，即要求同时点亮b、c、f、g段，熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为Fa~Fg=0110011，这也是一组代码，常称为段码。

同理，根据组成0~9这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表，见表1。

表1

MSIBCD七段译码器就是根据上述原理组成的，只是为了使用方便，增加了一些辅助控制电路。

这类集成译码器产品很多，类型各异，它们的输出结构也各不相同，因而使用时要予以注意。

图-17（c）是BCD七段译码器驱动LED数码管（共阴）的接法。

图中，电阻是上拉电阻，也称限流电阻，当译码器内部带有上拉电阻时，则可省去。

数字显示译码器的种类很多，现已有将计数器、锁存器、译码驱动电路集于一体的集成器件，还有连同数码显示器也集成在一起的电路可供选用。

①译码数码管显示01

1）实验原理

此电路图由三个74LS47以及三个LED数码管组成的，具体连线如图-18，通过控制左端的按钮能显示出不同的数字。

2）Proteus绘制电路图

图-18

3）仿真结论

图-19

②译码数码管显示02

1）实验原理

同上

2）Proteus绘制电路图

图-20

3）仿真结论

图-20

五）串/并行数据转换器

简介

串并转换器包括多个存储电路，其中的并行数据转换器在每个周期都移动一个相位的并行时钟作用下一个接一个地传输串行数据。

因此，串并转换器能减少工作噪声的产生和提高电路工作的可靠性。

一种串并转换器，包括：

一个数据接收电路，它在第一时钟信号由第一电平向第二电平转变期间存储和输出所接收的串行数据的每一位；以及一个具有多个存储电路的并行转换器，其中每个所述的存储电路在各个第二时钟信号的转变期间存储和输出一位所述数据接收电路输出的数据，这个第二时钟信号具有从第一电平到第二电平的连续时钟转变，以便时钟连续作用所述多个存储电路。

在这次串并行转换器的实验里用到了核心器件74LS164八位串入/并出移位寄存器、八位并入并出移位寄存器（两个74LS194）、九进制计数器（74LS161）、单稳态触发器74LS123、555定时器以及JK触发器，下面分别对核心元件的工作原理进行介绍。

1）实验原理

74LS164:

图-21

图-22

图-23

H=HIGH（高）电平,h=先于低-至-高时钟跃变一个建立时间（set-uptime）的HIGH（高）电平,L=LOW（低）电平l=先于低-至-高时钟跃变一个建立时间（set-uptime）的,LOW（低）电平,q=小写字母代表先于低-至-高时钟跃变一个建立时间的参考输入（referencedinput）的状态,↑=低-至-高时钟跃变.

74ls94

图-24

2）Proteus绘制电路图

图-24

其中：

D0～D1为并行输入端；Q0～Q3为并行输出端；SR－右移串引输入端；SL－左移串引输入端；S1、S0－操作模式控制端；/CR－为直接无条件清零端；CP－为时钟脉冲输入端。

八位并入并出移位寄存器（两个74LS194）

图-25

74ls161:

74LS123是常用的可重触发单稳态触发器，在各种数字电路和单片机系统的显示系统中常用，该元件的一些参数与应用技术等资料如下图:

图-26

JK触发器

从特征可以知道JK触发器是功能最齐全的，具有置0、置1、保持和翻转四个功能，其特征方程为：

Q*=JQ'+K'Q.七．结合了以上的各种核心的原件，以及对各种的原件做了工作原理上的介绍，下面是我们的串行转换的实验。

图-27

2）Proteus绘制电路图

图-28

3）仿真结论

图-29

六）ADC0808和DAC0832的应用设计

①adc0808

1）实验原理

MCS-51单片机基本原理

MCS-51系列单片机在很多产品中得到了广泛的应用。

在具体的工程实践中，单片机应用技术所涉及的实践环节较多，且硬件投入较大，如果因为控制方案有误而进行相应的开发设计，会浪费较多的时间和经费。

Proteus仿真软件很好地解决了这些问题，它可以像Protel一样绘制硬件原理图并实现硬件调试，再与Keil编程软件进行联调，实现对控制方案的验证。

单片机应用系统中使用的显示器件主要有发光二极管，简称LED（LightEmittingDiode）；液晶显示，简称LCD（LiquidCrystalDisplay）。

LED有静态显示和动态显示两种方式，在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段线并联在一起，由一个4位I/O控制。

而共阴（或共阳）极公共端分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。

AT89C51单片机的P0口在作为普通I/O使用时必须加上拉电阻，否则不能准确输入或输出高低电平。

仿真时可通过观察P0口的电平状态来体会这一点。

在Proteus与Keil的联调过程中，可以综合运用Keil中的多种调试功能来详细观察电路的工作情况。

ADC0808

利用单片机AT89C51与A/D转换器件ADC0808设计一个数字电压表，能够测量0～5V之间的直流电压值，并用4位数码管实时显示该电压值。

DC0808在进行A/D转换时需要有CLOCK信号，我们在硬件电路设计中将ADC0808的CLOCK信号接在了AT89C51单片机的P1.4端口上，即通过P1.4端口为ADC0808提供CLOCK信号，因此在程序编写时要由软件产生该时钟信号。

ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。

一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。

引脚功能（外部特性）

　　ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。

各引脚功能如下：

1～5和26～28（IN0～IN7）：

8路模拟量输入端。

8、14、15和17～21：

8位数字量输出端。

22（ALE）：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

6（START）：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

7（EOC）：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

9（OE）：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

10（CLK）：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

12（VREF（+））和16（VREF（-））：

参考电压输入端

11（Vcc）：

主电源输入端。

13（GND）：

地。

23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

2）Proteus绘制电路图

图-23

3）仿真结论

图-24

②dac0832锯齿波

1）实验原理

DAC0832DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

DAC0832引脚功能说明：

DI0~DI7：

数据输入线，TLL电平。

ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。

CS：

片选信号输入线，低电平有效。

WR1：

为输入寄存器的写选通信号。

XFER：

数据传送控制信号输入线，低电平有效。

WR2：

为DAC寄存器写选通输入线。

Iout1:

电流输出线。

当输入全为1时Iout1最大。

Iout2:

电流输出线。

其值与Iout1之和为一常数。

Rfb:

反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.

Vcc:

电源输入线（+5v~+15v）

Vref:

基准电压输入线（-10v~+10v）

AGND:

模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.

DGND:

数字地,两种地线在基准电源处共地比较好.

2）Proteus绘制电路图

图-25

3）仿真结论

图-26

3.实验心得

不知不觉，proteus软件课程已经结束，这个学期才接触的proteus软件的，从刚开始不知其为何物到逐渐的熟悉，其