模电数电课程设计.docx

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模电数电课程设计

学院

信息科学与技术

专业

自动化

学生姓名

学号

设计题目

数字电子设计题目：

三位同步二进制加法器和串序列发生电路设计

模拟电子设计题目：

占空比可调矩形波发生电路设计

内容及要求：

1．数字电子部分

1．由所给的约束项，列写时序图，根据时序图利用卡诺图得到各个触发器状态方程，并由此生成驱动方程。

检查电路设计能否自起，并做相应的修改。

画出电路图等待实践验证。

2．由给出的所要检测的序列信号画出原始状态图，根据状态图利用卡诺图，求出驱动方程。

检查电路设计能否自起，并做相应的修改。

画出电路图等待实践验证。

3．在实验板上搭接电路设计电路并分析结果，验证电路。

2．模拟电子部分

4．采用multisim仿真软件建立各设计电路模型；

5．对电路进行理论分析、计算；

6．在multisim环境下分析仿真结果，并与之前的理论计算值进行比较，给出仿真波形图。

进度安排：

第一周：

数字电子设计

第1天：

1.布置课程设计题目及任务。

2.查找文献、资料，确立设计方案。

第2~3天：

1.熟悉JK触发器的原理及其工作状态，熟练掌握各逻辑门电路的接法。

2.画出时序图，列出真值表，画出各次态的卡诺图，获得各个触发器驱动方程。

3.画出电路图，等待验证。

第4天：

1.根据电路图，结合驱动方程，搭接电路，验证电路。

2.分析设计结果。

第5天：

1.课程设计结果验收。

2.针对课程设计题目进行答辩。

3.完成课程设计报告。

第二周：

模拟电子设计

第1天：

1.布置课程设计题目及任务。

2.查找文献、资料，确立设计方案。

第2~3天：

1.安装multisim软件，熟悉multisim软件仿真环境。

2.在multisim环境下建立电路模型，学会建立元件库。

第4天：

1.对设计电路进行理论分析、计算。

2.在multisim环境下仿真电路功能，修改相应参数，分析结果的变化情况。

第5天：

1.课程设计结果验收。

2.针对课程设计题目进行答辩。

3.完成课程设计报告。

指导教师（签字）：

年月日

分院院长（签字）：

年月日

1数字电子设计部分

1.1课程设计的目的与作用

  数字逻辑电路是实践性很强的一门学科，通过实践可以大大提高学生的理论水平和实际动手能力。

通过本次课程设计，使学生能够巩固已学专业基础课的理论知识，锻炼学生的实践动手能力，培养学生对电子电路的设计能力，加强学生在分析问题、解决问题能力上的训练和培养，为启发学生的创新意识和培养创新能力起到重要的作用，为其专业学习研究打下良好的基础。

同时培养学生科学实验研究的认真精神，使之明白理论与实践的紧密联系，使其养成良好的作业习惯，为其以后的工作研究打下良好的基础。

时序电路，触发器，序列发生器，是数电技术的基础，熟练掌握其工作特性才能为其以后在数电上的发展打下基础。

1.2设计任务

1.利用在理论课上所学到的知识，结合对数字电子器件的认识，利用JK触发器，各种逻辑门电路设计出以010、001为无效态的三位二进制同步减法计数器。

并检查能否自启动，检查完毕，搭接电路，进行验证。

2.利用JK触发器，各种逻辑门电路设计出串行序列发生电路，使其发生100111序列，并检查能否自启动，检查完毕，搭接电路，进行验证。

1.3三位同步二进制减法计数器电路设计

1.3.1抽象状态图获得驱动方程

1.已知三位同步二进制减法计数器的无效状态为010、001，则抽象出状态图为

1.3.1三位二进制减法计数器状态图

2.根据三位同步二进制减法计数器状态图可得输出状Y的次态卡诺图。

1.3.2输出状态Y的卡诺图

3.将输出状Y的次态卡诺图分解可得Q2n+1Q1n+1Q0n+1的次态卡诺图。

1.3.3输出状态Q2n+1次态图

1.3.4输出状态Q1n+1次态图

1.3.5输出状态Q0n+1次态图

4.根据图1.3.2、1.3.3、1.3.4、1.3.5中的输出状态Y及Q2n+1Q1n+1Q0n+1的次态卡诺图，可分别得到三位同步二进制减法计数器的输出状态Y的状态方程和三个JK触发器的驱动驱动方程。

状态方程Q2n+1=

+

Q1n+1=

+

Q0n+1=

则驱动方程为

J2=

J1=

J0=

K2=

K1=

K0=1

1.3.2根据驱动方程画出电路图

由于我们做的是三位同步二进制减法计数器，所以设计的电路所需的脉冲CP1=CP2=CP3=CP,所以选用一个就可以了。

因为是同步计数器所以

端接入高电平，JK触发器输出与指示灯相连。

除此之外，根据驱动方程可知，我们还需要一个与门集成电路74LS08和两个与非门集成电路74LS00。

三位同步二进制减法计数器的电路如下图1.3.6所示。

1.3.6三位二进制同步减法计数器电路图

1.4串行序列发生器设计电路

1.4.1串行序列发生器设计电路状态图及卡诺图获得状态方程

已知我们所设计的串行序列发生器所发生的序列为100111，则我们可以在三位二进制减法器的基础上进行设计得到设计电路即可。

抽象出状态图为

1.4.1串行序列发生器状态图

根据状态图画出串行序列发生器卡诺图为

1.4.2串行序列发生器卡诺图

根据串行序列发生器卡诺图得到其状态方程为

Y=

1.4.2串行序列发生器设计电路图

根据1.4.1状态方程，我们可知在三位二进制减法计数器的基础上，我们还需要两个与非门集成电路74LS00和一个指示灯。

串行序列发生器设计电路图为\

1.5搭接电路及结果分析

1.5.1三位二进制同步减法计数器搭接电路及结果分析

1.按照图1.3.6三位二进制同步减法计数器电路图。

2.获得结果真值表

CP

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1

0

0

0

0

1

1

1

1

2

1

1

0

3

1

0

1

4

1

0

0

5

0

1

1

6

0

0

0

1.5.1三位二进制同步减法计数器真值表

3.结果分析，由表1.5.1可知，所设计的电路与设计要求吻合，完成了预期目标，三位二进制同步减法计数器设计成功。

1.5.2串行序列发生器搭接电路及结果分析

1.按照图1.4.3串行序列发生器电路图。

2.获得结果真值表

CP

Y

0

1

1

0

2

0

3

1

4

1

5

1

1.5.2串行序列发生器

4.结果分析，由表1.5.2可知，所设计的电路与设计要求吻合，完成了预期目标，串行序列发生器设计成功。

1.6课程设计总结及体会

2模拟电子设计部分

2.1课程设计占空比可调矩形波发生器的目的与作用

2.1.1设计目的

1.掌握占空比可调矩形波发生器的设计原理和设计方法。

2.掌握模拟仿真软件multisim的应用。

3.能够综合运用所学知识指导实践。

2.1.2设计作用

占空比可调矩形波发生器是占空比可调的矩形波的信号源。

它可以产生占空比可调的矩形波，可以官方应用于生产测试、实验室、仪器维修等诸多方面，是电子技术中不可或缺的一种信号源。

本次设计是利用multisim仿真软件，运用所学知识自主设计并进行仿真实践设计占空比可调的矩形波发生电路。

在设计及实践中，可以使学生熟练掌握multisim软件的应用，掌握占空比可调矩形波发生器的波形发生原理，了解其内部结构以便更加良好的应用占空比可调的矩形波发生器。

同时，在设计过程中还可以培养学生的动手能力，科学实验的认真精神和自主研究的独立基础，锻炼学生的科学精神，检验学生的理论知识基础以及培养学生的科学态度为其以后的科学研究打下基础。

2.2设计任务、及所用multisim软件环境介绍

2.2.1设计任务

要求：

1.幅值为5V。

2.

2.f0=100~500Hz。

3.占空比可调的矩形波发生电路。

2.2.2multisim软件环境介绍

Muhisim10仿真设计软件提供了全面集成化的设计环境、方便简洁的操作界面、数量丰富的元器件库、种类齐全的仪器仪表、功能多样的分析工具，将功能强大的SPICE仿真和原理图捕获集成在高度直观的PC电子实验室中，可以实现电路设计、电路仿真、虚拟仪器测试、射频分析、单片机等高级应用。

与该软件以前版本相比，Multisim10不仅在电子电路仿真设计方面有诸多功能的完善和改进，其在虚拟仪器、单片机仿真等技术方面亦有更多的创新和提高，属于EDA技术的更高层次范畴。

multisim10概述

　　●通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路

　　●通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为

　　●借助高级电路分析,理解基本设计特征

　　●通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试

　　●通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间

直观的捕捉和功能强大的仿真：

NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。

借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。

与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

2.3电路模型的建立

2.3.1电路组成

占空比可调的矩形波发生电路如图2.3.1所示。

电路实际上是由一个滞回比较器和一个RC充放电回路组成。

其中集成运放和电阻R1R2组成滞回比较器，电阻R和电容C1组成充放电回路，电位器Rw和二极管D1、D2的作用是将电容充电、放电的回路分开，并调节充电和放电两个时间常数的比例，稳压管VDz和电阻R3的作用是钳位，将滞回比较器的输出电压限制在稳压管的稳定电压值±UZ。

2.3.1占空比可调矩形波发生电路图

2.4理论分析即计算

2.4.1电路工作原理

假设t=0时电容C上的电压Uc=0，而滞回比较器的输出端为高电平，即U0=+Uz。

则集成运放同乡输入端的电压为输出电压在电阻R1、R2上分压的结果，即

u+=

uz

此时输出电压+Uz将通过电阻R4和Rw向电容C充电,使电容两端的电压Uc升高，而此时电容上的电压接到集成运放的反相输入端，即U-=Uc。

当电容上的电压上升到U-=U+时，滞回比较器的输出端将发生跳变，由高电平跳变为低电平，使U0=-Uz，于是集成运放同相输入端的电压也立即变为

u+=

uz

输出电压变为低电平后，电容将通过电阻R和Rw放电，使Uc逐渐降低。

当电容上的电压下降到U-=U+时，滞回比较器的输出端将再次发生跳变，由低电平跳变为高电平，即U0=+Uz。

以后又重复上述过程。

如此电容反复地进行充电和放电，滞回比较器的输出端反复的在高电平和低电平之间跳变，于是产生了正负交替的矩形波。

电容C两端的电压Uc以及滞回比较器的输出电压U0波形图分别如图2.4.1.、2.4.2所示。

2.4.1电容C两端的电压Uc

2.4.2滞回比较器的输出电压U0

在图2.4.3中，电位器Rw和二极管D1、D2的作用是将电容充电和放电的回路分开，并调节充电和放电两个时间常数的比例。

2.4.3占空比可调部分电路组成

2.4.2振荡周期

如图2.4.4所示，在电容充电过程中，令容两端电压Uc从最低压

升高至压+

uz的时间为T1；电容放电过程中，令容两端电压Uc从最高电压+

uz下降至最低电压

的时间为T2

2.4.4电容C端的电压Uc和滞回比较器的输出电压U0

由图2.3.5可知，当占空比D=1时即电位器Rw在50%的位置是，波形发生器发生的波形为标准矩形波。

当t=0.

5T时

-

uz=（

uz+uz）

-UZ

根据此式课的矩形波的振荡周期为

T=

Cln（1+

）

令RW上部分RW’为下部分为RW”

T1=（R+RW’）Cln（1+

）

T2=（R+RW”）Cln（1+

）

则占空比为

D=

=

改变电路中的电位器滑动端的位置即可调节矩形波的占空比，而总的振荡周期不受影响。

2.4.3理论计算及分析

根据2.4.1公式u+=

uz电容两端电压幅值为

u+=

uz=

输出波形电压幅值U0为

U0=4.3V

T=

Cln（1+

）

=（2*100K+300K）*0.01uFln*（1+

）

=6.496ms

当将电位器滑动端扳到20%的位置时RW’=60K,RW”=240K,则

T1=（R+RW’）Cln（1+

）

=（100k+60k）*0.01uF*（1

）

=2.079ms

T2=（R+RW”）Cln（1+

）

=（100k+240k）*0.01uF*（1

）

=4.417

D=

=

=

=

=0.320

2.5仿真结果分析

2.5.1仿真结果及数据即原因分析

仿真结果如图2.5.1所示，可得U+=2.817V,U0=4.872V,T=5.00ms

2.5.1仿真结果及数据

仿真结果与理论值有着一定差异，原因可能是由于元件本身的误差，仪器的误差，各种电子元件受温度的影响，由于本电路中电阻较大从几百千欧到几千欧不等，和仿真软件本身的精确程度等造成了理论值与仿真结果的差异。

2.6设计总结和体会

通过本次设计我深刻的明白了学术研究所需的那种认真与执着。

本次课程设计不仅加强了我的设计能力，逻辑思维，还锻炼了我的动手能力。

我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。

通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。

认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。

在进行电路仿真时，误将稳压管的一端导线遗落，导致输出值严重过大，最后经过仔细检查，解决排除了错误，使我明白了无论你思维能力动手能力多强，认真的态度一丝不苟的工作精神是成功的基础。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

挫折是一份财富，经历是一份拥有。

这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

2.7参考文献

[1]华中理工大学电子学教研室编,康华光主编.陈大钦副主编（电子技术基础）（模拟部分）第四版.北京.高等教育出版社.1999

[2]西安交通大学电子学教研室编,沈尚贤主编（电子技术导论）,北京.高等教育出版社,1985

[3]谢嘉奎主编:

[电子线路]（第四版）,北京高等教育出版社,1999

[4]北方交通大学,冯民昌主编:

[模拟集成电路系统]（第2版）北京中国铁道出版社1998

[5汪惠].王志华编著:

[电子电路的计算机辅助分析与设计方法]北京.清华大学出版社1996

[6]吴运昌编著:

[模拟集成电路原理与应用],广州.华南理工大学出版

社,1995

[7]沙占友.李学芝.邱凯编著（新型数字电压表原理与应用）,北京.国防工业出版社

[8]王汝君.钱秀珍编:

[模拟集成电子电路（上）（下）].南京,东南大学出版社1993

[9]华中理工大学电子学教研室,陈大钦主编.杨华副主编,（模拟电子技术基础）,北京,高等教育出版社,2000

[10]杨素行主编（模拟电子电路）,北京.中央广播电视大学出版社.1994

[11]清华大学电子学教研室组编,杨素行主编:

（模拟电子技术简明教程）（第二版）,北京,高等教育出版社,1998

[12]清华大学电子学教研组编,童诗白主编:

[模拟电子技术基础]（第二版）],北京高等教育出版社,1988

[13]清华大学电子学教研组编,童诗白主编（模拟电子技术基础）（上下册）北京人民教育出版社,1983

[14]华成英主编（电子技术）北京中央广播电视大学出版社,1996