自行车里程表+测量放大器.docx
- 文档编号:28629555
- 上传时间:2023-07-19
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:767.52KB
自行车里程表+测量放大器.docx
《自行车里程表+测量放大器.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《自行车里程表+测量放大器.docx(37页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
自行车里程表+测量放大器
目录
一.自行车里程表设计题目------------------------------4
1.1设计技术指标及设计要求----------------------------4
1.1.1设计任务-------------------------------------4
1.1.2基本要求-------------------------------------4
1.1.3发挥部分-------------------------------------4
1.2.1参考元件----------------------------------------4
1.3.1设计框架-----------------------------------------4
1.4.1设计方案的选择及比较----------------------------5
1.5.1系统选用的元器件清单-----------------------------5
1.6.1系统的调试--------------------------------------15
1.7.1附加功能----------------------------------------16
1.8.1实验结果----------------------------------------16
1.9.1系统调试和实验中遇到的问题----------------------19
1.10.1心得体会---------------------------------------19
1.11.1设计中的遗憾及联想-----------------------------21
1.12.1附录-------------------------------------------21
二.测量放大器简述------------------------------------22
2.1.1设计任务---------------------------------------22
2.2测量放大器的设计----------------------------------23
2.2.1设计内容及要求------------------------------23
2.2.2设计原理------------------------------------23
2.2.3设计方案及实现------------------------------26
2.3.1桥式电路---------------------------------------28
2.4.1信号变换放大器---------------------------------28
2.5差动放大器---------------------------------------30
2.5.1设计内容及要求------------------------------30
2.5.2电路设计及原理------------------------------30
2.6.1放大器性能测试---------------------------------31
2.7仿真结果和分析-----------------------------------32
2.7.1各部分的仿真结果----------------------------32
2.7.2电路总图的仿真结果--------------------------34
2.8主要电路参数计算---------------------------------36
2.8.1通频带的计算--------------------------------36
2.8.2放大倍数计算--------------------------------36
2.9.1收获和体会-------------------------------------36
2.10.1元件清单--------------------------------------37
2.11.1元件介绍--------------------------------------38
2.12.1主要参考文献----------------------------------39
一、自行车里程表设计题目
1.1.1设计技术指标及设计要求
1.1.1设计任务
设计、制作一个根据车轮周长、辐条数等参数来记录行驶里程的简易里程表。
要求具有可调整的手段,以适应不同的车型。
1.1.2基本要求
1、显示数字为3位,精度为0.1公里,即(00.0—99.9公里)。
2、数码管要有小数点显示,即个位与十分位之间的小数点要亮起来。
3、要标明你所设计的条件(轮周长、辐条数等),给出根据条件不同进行调整的方法。
4、结构简单、所用芯片尽量少、成本低、易于制作。
5、所用芯片与元器件尽量在参考元器件范围内选择(实验室没有的需自行解决)。
6、要制作一个模拟的(或真实的)测试模型,以便进行实际测试。
尽量做到结构合理、可靠,结构设计要作为考核的重要部分。
1.1.3发挥部分
从实用的角度考虑,尝试加上认为可以完善、改进的功能(如节电功能、显示清零等)。
1.2.1参考元件
CD40106、CD4518(或CD4017、74LS161等)、74LS21、CD4011(或74LS00)、CD4553、CD4543、74LS08;共阴(共阳)数码管、NPN(PNP)开关管、红外光电传感器等;其他电容、电阻若干。
1.3.1设计框架
电子里程表主要由红外传感器、脉冲整形、轮辐计数器、门电路、0.1公里计数器、译码驱动器等组成。
如图1所示。
图1:
实验整体框图
1.4.1设计方案的选择及比较
通过对实验题目的了解,我们把这个题目分为了三个部分:
1、脉冲的产生和整形.。
2、根据轮辐数和周长而制定的计数器。
3、译码驱动和数码管显示。
方案一:
脉冲整形电路选用一个555定时器作为波形整流器,轮辐计数器电路选用三片74LS161十六进制计数器芯片计数,0.1公里计数器同样选用74LS161十六进制计数器芯片计数,译码驱动器电路选用三片CD4543驱动三位共阴数码管工作。
方案二:
但是老师发下来的材料并没有包含555,而是给了一片CD40106。
通过查阅资料,我们知道,原来CD40106内部由6个施密特触发器组成,因而可以与信号输出线直接连接实现波形整形,而555定时器需要先进性外部连接构成施密特触发器才具有整形的功能。
因此从简化电路的要求考虑,我们最终选择了CD40106作为波形整形器。
而且经过查阅资料我们知道使用4553芯片也可以大大简化电路。
因为CD4553本身就是一个1000进制的计数器,并且具有分段输出功能,因而只需用一片CD4543与其连接便可驱动数码管,而初始的方案需要3片CD4543与3片74LS161计数器相连才能构成完整的数码管驱动电路。
所以最后从简化电路,尽量少用芯片,确保精确计算里程功能的要求出发。
我们改进为使用一片CD4553和一片CD4543构成0.1公里计数电路和译码驱动电路。
最后在计数器上我们一开始本想选用74LS161芯片,主要是由于平时用的比较多,所以对它的用法也比较熟悉。
但是我们发现由于要做的计数器比较大,而且74LS161芯片是十六进制计数器,如果用74LS161就要用到三块芯片,而CD4518只需要用两片芯片,这样的话就大大简化了电路。
脉冲整形电路选用CD40106作为波形整流器,轮辐计数器电路选用CD4518双十计数器计数,0.1公里计数器则选用CD4553计数,译码驱动器电路选用CD4543驱动三位数码管工作。
1.5.1系统选用的元器件清单
1千欧电阻三个、680欧电阻七个、CD40106一片、CD4518两片、CD4543一片、CD4553一片、74LS21一片、共阴数码管一个、1000PF电容一个、9014(NPN)三极管三个。
主要器件管脚图以及工作原理图如下:
1.CD40106施密特触发器
图二
CD40106(见图二)内含六个施密特触发器,是用于脉冲整形的芯片,它的管脚1、3、5、9、11、13分别为为输入,管脚2、4、6、8、10、11为输出。
我们在实验中只用1、2号管脚,有红外感应器过的的脉冲由1号管脚输入,经过整形的脉冲由2号管脚输出。
2.CD4518双十计数器
芯片CD4518管脚图如图三:
图三
CD4518引脚功能(管脚功能)如下:
1CP、2CP:
时钟输入端。
1CR、2CR:
清除端。
1EN、2EN:
计数允许控制端。
1Q0~1Q3:
计数器输出端。
2Q0~2Q3:
计数器输出端。
VDD:
正电源。
VSS:
接地。
CD4518功能简介(见图四):
(1)功能表
输入
输出
CPREN
Q0Q1Q2Q3
X1X
101
001
10X
X00
0000
加计数
加计数
保存
保存
图四
(2)文字说明:
CD4518是一个同步加计数器,在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器,其功能引脚分别为1~7和9~{15}。
该CD4518计数器是单路系列脉冲输入(1脚或2脚;9脚或10脚),4路BCD码信号输出(3脚~6脚;{11}脚~{14}脚)。
(3)CD4518控制功能:
CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平
(1),若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低电平(0),同时复位端Cr也保持低电平(0),只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态,否则没办法工作。
3.CD4543
CD4543(见图五)是数码管驱动器,它既可以驱动共阴又可以驱动共阳数码管,但共阴和共阳的接法不一样。
9-15管脚对应着数码管的a-g段的显示。
7号管脚是共阴共阳的区分,共阳接高,共阴接地。
2-5号管脚接CD4553的输出。
图五
(1)
图五
(2)
4.CD4553
CD4553(见图六)也是一个计数器,当有脉冲输入它的10、12号管脚时,它就开始计数,5-9为输出端,13管脚为清零端,高电平有效。
1、2、15管脚分别控制数码管的个位、十位、百位。
14管脚为进位输出端,当驱动六位数码管时才能用到。
使用时3、4间接电容。
11管脚接地。
图六
(1)
图六
(2)
数码管介绍:
(见图7)
图七
本实验使用的是三位一体的共阴数码管,12管脚为小数位控制端、9管脚为个位控制端、8管脚为十位控制端。
3管脚为小数点控制端,高电平时三个小数点全发光。
为只让中间的小数点发光,将CD4553的1管脚取反后与DP相连。
其他各管脚分别构成数字段,11管脚控制A段,10管脚控制F段,7管脚控制B段,5管脚控制G段,4管脚控制C段,2管脚控制D段,1管脚控制E段。
工作时,数码管的7号管脚悬空。
三极管介绍:
CD4553输出控制端DS1,DS2,DS3须经一定阻值的电阻后与放大信号的三极管相连再接到数码管上,才能控制数码管相应的显示。
图八为三极管管脚图,管脚1,2,3分别为发射极,集电极,基极。
基极与DS相连,发射极接地,集电极与相应的数码管控制端管脚相连。
图八
选择方案中各部分电路说明:
1、脉冲发生以及整形部分
红外光电传感器:
当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时,传感器将会输出一个低电平,而当没有物体挡在中间时则输出为高电平,从而形成一个脉冲。
(通过此装置提供实验所需的脉冲)
脉冲产生机理:
利用红外光电传感器的特性,首先把红外光传感器的检测部分卡在塑料车轮上。
每当车轮旋转的时候,传感器将向外输出若干个脉冲。
脉冲发生源的结构如下图。
红外传感器
相关说明:
使用红外光传感器对转动的车轮辐条进行测量,产生基本计数脉冲,从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。
当传输线上的电容较大时,波形的上升沿将明显变坏;当传输线较长,而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时,在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象;当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时,信号上将出现附加的噪声。
无论出现上述的那一种情况,都可以通过用施密特反相触发器整形,使波形更为平整规则,从而得到比较理想的矩形脉冲波形。
利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
输入的信号只要幅度大于VT,即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。
2、轮辐计数部分
轮辐计数部分的任务:
通过对轮辐计数器的设定,使其达到3820进制时,通过门电路产生一个脉冲来驱动下一部分的里程计数器。
脉冲信号进行整形后,产生规则的方波脉冲信号,将此信号接入到轮辐计数器(由两片CD4518芯片组成),轮辐计数器计到3820进制之后,再由三个74LS芯片系列的门电路对之后的0.1公里计数器(即芯片CD4553)产生脉冲。
知道车轮的辐条数n=36,半径D=50cm。
则:
车轮周长C=πD=3.1416×1m=3.142m
设轮辐计数器为N进制。
那么:
C/n×N=70m
解之,得:
N=2660
所以,脉冲计数器为2660进制
这部分电路要用到的器件为CD4518、74LS21、74LS00。
我们采用两片双十进制的CD4518,通过对管脚图即工作原理图的分析,我们了解了CD4518的基本工作原理。
它是一个同步加数器,一个封装里有两个加数器,可实现二/十进制互换,其功能管脚为1~7和9~15。
该计数器是单脉冲输入(1或2,9或10),4路BCD码输出(3到6,11到14)。
从其真值表得知,CD4518由两个时钟输入端:
enable和clock,当时钟上升沿触发,则脉冲从CP(clock)端输入,此时EN端接高电平。
当时钟的下降沿触发,则脉冲从EN端输入,此时CP端接低电平。
此外,CD4518清零端为高电平有效,所以在不清零时,应接低电平。
这样接线之后,CD4518就可以实现计数功能。
如图所示,将CD4518转变成四位十进制计数器。
从下图可看出,第一片计数器用的是时钟上升沿触发,从CP端输入脉冲。
由于CD4518没有进位端,所以利用EN端,利用第四位输出与EN端相连,作为信号输入端,接到EN端时用下降延触发,又由于CD4518计数是十进制的,所以用输出的第四位能体现出它在从9到0时从高电位到低电位,得以实现进位功能。
此外,将计算好的2660按个,十,百,千的顺序分别从四个十进制计数器中连出,通过74LS21与门联在一起,再将74LS21的输出反馈给两片CD4518的四个十进制计数器的清零端,从而实现计完2660个脉冲CD4518就重新计数。
因为CD4553时低电平触发的。
在实际操作中,将二输入的与非门的一个输入接高电平。
这样就实现了非的运算。
再通过与非门74LS00将结果输送给CD4553。
3、译码与数据显示
这部分电路中要用到的器件为:
CD4553、CD4543、三位一体的数码管、三个1千欧的电阻、七个680欧的电阻、三个9012型晶体管、1000PF的电容一个。
CD4553为三位BCD译码器,共15个管脚。
CD4553的功能管脚为1~7和9~15,管脚分别作为三位一体的数码管的小数位、个位、十位。
实验中1(DS1)、2(DS2)、15(DS3)分别与一定阻值的电阻相连,再分别与三极管的基级b相连,由三级管的E与数码管的驱动端相连。
在本实验中,我们选用的是共阴级的数码管,用680欧电阻作为保护电阻。
由于是共阴级的数码管,所以我们须将三个三极管的发射级c一起与低电平相连。
3(CLB)、4(CLA)通过1000PF的电容相连接。
5(Q3)、6(Q2)、7(Q1)、9(Q0)为输出管脚。
由于是共阴性数码管,所以11(DIS)、13(MR)接地。
脉冲信号应从10(LE)与12(CLK)中输入。
74LS21的脉冲信号传给CD4553,将信号变化转换为BCD码,输出给CD4543的2(Q3)、3(Q2)、4(Q4)、5(Q0)管脚进行编译。
CD4543为CMOSBCD—TO—SEVENSEGMENT驱动译码器。
其最重要的功能就是将4输入转化成七输出,给数码管输出信息,从而显示出正确数字。
CD4543的一管脚(LD)为制数端接高电平。
7管脚为清零端,高电平有效,实验需要应接低电平。
6管脚位PHASE,由于使用的是共阴性数码管。
值得注意的是,CD4543的输入管脚5位最低位,为3为第二位,2位第三位,4位最高位,9至15管脚为输出端。
CD4543进行译码驱动数码管,最终显示出车轮模型经过的里程数。
本试验使用的是三位一体的共阴数码管,数码管的12为小数位、9个位、8十位,这三个管脚分别为三个数码管的驱动。
3号管脚为小数点控制端,给出高电平小数点亮。
在本实验中我们从CD4553的1(DS1)端接出电平,经过74LS00非门,再连接到数码管的3号管脚,以此驱动小数点位。
其他各管脚分别控制数字的一个段,即11控制a,10控制f,7控制b,5控制g,4控制c,2控制d,1控制e,在工作时,数码管的7号管脚悬空。
我们用的CD4543驱动数码管,它既可以驱动共阴有可以驱动共阳。
老师给我们提供的三极管是9012(NPN),通过共阴接法,我们可以将三极管的基极与CD4553通过电阻相连,发射极与数码管相连,集电极接地,进而分别控制数码管的个、十、百位。
但是在实验实际中我们没有采取这样的方法,只是加了一个三极管控制小数位,然后将CD4543中控制数码管的a-f接好。
因为共阴接法所以CD4543的7号管脚接地。
最后就是小数点的处理,我们设计把CD4553中控制个位的输出端通过非门接到数码管的控制小数点的管脚上来可以实现小数点的实现。
1.6.1系统的调试
在接到题目后,经过我和我的同组人共同的研究和学习,经过缜密思考,我们决定分三步进行调试。
第一步:
进行EDA仿真,由于EDA为我们提供了很好的实验条件,避免了由于面包板,导线和芯片的接触问题而产生的错误。
我们可以将想法轻而易举地进行验证,修改。
但是在仿真过程中,也要注意连线问题,不能出现不应该出现的交点,在EDA仿真实验阶段,由于multisim仿真软件11版本并未提供CD4553芯片,这给我们的实验带来了很大不便,因此我们只将轮辐计数器部分进行仿真实验。
但是由于2660的计数器仿真起来很慢,所以我们改变了计数器的大小,但并不影响我们对电路图的检验。
第二步:
组装电路,首先我们要考虑到的是怎么布线,要让整个面包板看起来整洁,美观。
要做到线与线不能够重叠,线与线不能够交叉。
而且整洁的布线在修改起来也方面的多。
在布线的时候,我们还进行了分类,红线代表电源或需要接高电平,黑线代表了接地和需要接的低电平,而黄线和绿线分别代表计数器和数码显示。
第三步:
连接数电试验箱上的数码管,调试计数器。
主要我们需要注意两点。
一、数码管是否正常进位。
二、计数器的进制是否正确。
轮辐脉冲可用固定脉冲来代替。
第四步:
测试共阴数码管的显示。
我们用将一根导线一端接通数电箱正电源,另一端依次接触数码管11、7、4、2、1、10、5、3管脚,观察其亮灭,若全亮,则数码管正常。
1.7.1附加功能
清零功能:
在本实验电路中我们还设计了清零的功能,当我们需要重新计算里程是,可以通过此开关来进行清零。
而清零段的原理就是CD4518,CD4553的清零端,由于这两个芯片的清零端都是高电平有效,所以用一个开关就能够实现清零的作用。
所以用一个开关就可以控制给CD4518的7,14管脚以及CD4553的13管脚高电平或低电平来实现清零的目的。
当用户想重新计里程时只要将开关先接通高电平再接回低电平,就可以实现清零功能了。
1.8.1实验结果
当用五伏电源测0.3公里的时候,大约为48秒。
当用十五伏电源测0.3公里的时候,大约为15秒。
下图为整个电路的实际连接图:
下图为整个实验的原理图:
(请见下页图)
1.9.1系统调试和实验中遇到的问题
这次课设是我们第一次独立自主地完成数字电子技术课程设计实验,对我和同组人来说都是一个重大的挑战。
一开始我们不知道从何入手,一遇到问题想到的第一个解决办法就是去问老师,但老师绝不能成为我们成功的必要条件。
后来老师推荐我们使用multisim仿真软件,渐渐的我们学会了自己解决问题,摆脱了对于老师的依赖性。
我始终认为,只有掌握了方法,学到的东西才是自己的。
最后我发现原来multisim其实很简单,很容易上手,仿真结果与现实测试基本相同。
(一)实验资料查询中遇到的问题
在实验中,我们最先碰到问题就是查阅各种芯片的资料。
由于我们所用到的芯片并不是我们电子技术实验
(一)中常用的,甚至不是人们所常用到的,所以我们在查阅资料上花费了较长时间。
虽然每次在网上搜索的时候都能出现一大堆的资料,但很多并不是我们所需要的,或者找到了也是很多英文资料,
查阅起来难度颇大。
通过一番查找,我们终于找齐了这些资料,所以我认为学会有效率的查找需要的资料的确是很有必要的。
(二)实际连线时遇到的问题
当我们把所有的线都接好后进行测试的时候,又遇到了很多的问题。
首先就是数码管显示出现了问题。
不能正确显示,而是每次都是两位显示同一个数,最终显示出很乱的码,然后我们从原理出发查找了问题,看到原理并没有错误。
接着又查接线,还是没有问题。
最后我建议查一查数码管的功能,于是我们共同检查了数码管的功能。
虽然从理论上来说这样接线是对的,但经过实际插线之后,我们发现与数码管12、9、8管脚相连接的三个三极管出现了问题,将它们取出后便能正确显示计数。
这样,我们通过一系列的排查,便解决了影响最终成果的问题。
1.10.1心得体会
在我们刚刚接到这个数电课设题目时,当时的确是很着急的,因为对设计类题目没有任何的见解,同时对于老师给的芯片,由于以前没有使用过这种芯片,所以对它们的性能都不是很清楚。
在一开始我们刚确定课题的时候,脑中一片茫然,不知从何下手。
根据这种情况,我首先到图书馆和上互联网查找相关资料,明白所用器件的基本性能,同时再结合我以前所学的数电课的内容,大部分的器件都能够掌握,但是还是有些我无法掌握,接着又上网进行搜索或者找纪老师答疑,在充分的准备下,所用到的所有器件终于弄得很明白了,接下来就是对所做课题的题目进行研究分析,找到入手点。
当我们开始动手做课设时,发现虽然所有的器件我们都差不多明白了,但是我们却无法着手开始做。
因为以前学的都是纯理论的指示,甚至有现成的接线图,但是做课设是将理论运用到实践中来,由于没有经验,显得很没有头绪。
准备去问老师,但想到老师在课设开始前就强调遇到问题要多去自己想,不要轻易就去问,这样的话学习的效果就好了。
于是我们就在网上找了一些前人的作品来借鉴。
果真学到了很多,不光是在实际电路上的进步,更对我以后再设计类问题上的思路有了很大的启示。
首先做的是设计电路图,根据题目的要求,设计好相关的试验电路图,这在课设过程中是很重要的一步,再将电路图设计好以后,需要做的是利用仿真软件仿真,通过multisim11仿真来检查纯理想条件下电路图的可行性。
然而这个过程又是很困难的过程,有些元器件在仿真软件中并没有,这就需要我们寻找带有类似功能的器件电路代替,反复的调试,每次都要对错误进行分析,找到出问题的原因,排查问题,改进问题。
就是这样不断的重复,最终才确定了可行的正确的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自行车 里程表 测量 放大器