电子制作课程设计 电子制作实践.docx
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电子制作课程设计电子制作实践
电子制作实践
实践报告
学院:
自动化工程学院
班级:
姓名:
学号:
2013年7月
一、设计目的
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;
二、报告正文
1.555定时器:
设计原理
555定时器工作原理:
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。
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:
CV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。
A.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;
多谐振荡器又称为无稳态触发器,它没有稳定的输出状态,只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后,经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器,也称矩形波发生器。
”多谐”指矩形波中除了基波成分外,还含有丰富的高次谐波成分,常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。
B.555定时器单稳态电路实现;
单稳态触发器只有一个稳态状态。
在未加触发信号之前,触发器处于稳定状态,经触发后,触发器由稳定状态翻转为暂稳状态,暂稳状态保持一段时间后,又会自动翻转回原来的稳定状态。
单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。
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。
这样,在加负脉冲前,为低电平,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。
C.555定时器救护车变音警笛电路的实现。
报警声发生电路是一个由555时基集成电路组成的多谐振荡器,受总复位端4脚的控制而工作。
平时由于IC1的3脚输出低电平,振荡器不工作,当IC1输出高电平时,振荡器开始工作,发出报警声。
多谐振荡器的振荡频率由R5、R6与C4的数值决定。
调整R5、R6及C4的数值,可得到所需要的振荡频率和报警声。
Proteus绘制电路图
555多谐振荡电路:
555单稳态电路:
555警笛电路。
仿真结论
多谐振荡电路的计算:
(1)暂稳态I
Q=1,
=0,Uo=UOH、TD截止,是电路的一种暂稳态,因为在这种状态下,有一个电容C充电、Uc缓缓升高的渐变过程在进行着,充电回路是Vcc
R1、R2
C
地,时间常数是(R1+R2)*C。
(2)自动翻转I
当电容C充电,Uc上升到2Vcc/3时,比较器C1输出跳变为0,基本RS触发器立即翻转到0状态,Q=0、
=1、uo=UOL,TD饱和导通。
(3)暂稳态II
Q=0、
=1、uo=UOL,TD饱和导通,有一个电容C在放电、uc缓慢下降的渐变过程在进行着,放电回路是C
R2
TD
地,时间常数是R2*C。
(4)自动翻转II
当电容C放电、uc下降到Vcc/3时,比较器C2输出跳变为0,基本RS触发器立即翻转到1状态,Q=1、
=0、uo=UoH,TD截止,即暂稳态I。
在这之后,电容C又充电,再上升,于是在输出端就产生了矩形脉冲。
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
仿真运行,示波器观察方波和单稳态波形;
仿真运行,电脑喇叭模拟警笛声音等。
小结体会
555定时器把模拟电子中的放大功能和数字子的逻辑功能融合起来,定时精确,电源范围宽直接推动负载。
因此,作为一种价格低廉、性能优使用方便的中规模的集成电路,555定时器已成数字电路中最常用的时基电路之一,必将在控制域得到更广泛的应用。
2.比例运算放大器
设计原理
比例运算放大器LM324的原理及计算;电路特征和放大特性的掌握:
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。
反相比例运算放大器:
(1)在深度负反馈的情况下工作时,电路的放大倍数仅由外接电阻R1和Rf的值决定。
(2)由于同相端接地,故反相端的电位为“虚地”,因此,对前级信号源来说,其负载不是运放本身的输入电阻,而是电路的闭环输入电阻R1。
由于Rif=R1,因此反相比例放大电路只适用于信号源对负载电阻要求不高的场合(小于500kΩ)
(3)在深度负反馈的情况下,运放的输出电阻很小。
电压放大倍数为:
Au=-Rf/R1
输入电阻等于:
R1
R2=R1//Rf
同相比例运算放大器:
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。
电压放大倍数为:
Au=1+(Rf/R1)
输入电阻趋向无穷
Proteus绘制电路图
反相比例运算放大器:
同相比例运算放大器:
仿真结论
整理并计算相关数据,认真填写表格和画出实验波形;比较两种比例运算放大器的电路特征和放大特性。
反相波形:
同相波形:
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.
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。
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。
小结体会
对集成运放电路进行了仿真和数据分析,通过对集成运放电路组成的反相集成运算放大电路的波形分析、输入电压、电阻和共模信号等。
我们验证书本知识的同时更深的理解了这些知识。
对反相和同相进行了比较,并得出除了结论。
帮助我们加深了记忆的同时也让我们更深一步了解了集成运放电路。
3.波形发生器
设计原理
学习用集成运放构成正弦波、方波和三角波发生器;学习波形发生器的调整和主要性能指标的测试方法。
RC桥式正弦波振荡器:
其中RC串、并联电路构成正反馈支路,同时兼作选频网络,R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。
调节电位器RW,可以改变负反馈深度,以满足振荡的振幅条件和改善波形。
利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
D1、D2采用硅管(温度稳定性好),且要求特性匹配,才能保证输出波形正、负半周对称。
R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响,以改善波形失真。
电路的振荡频率
起振的幅值条件
≥2
式中Rf=RW+R2+(R3//rD),rD—二极管正向导通电阻。
调整反馈电阻Rf(调RW),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,则应适当减小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,而调节R作量程内的频率细调。
三角波和方波发生器:
如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统,则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波,三角波又触发比较器自动翻转形成方波,这样即可构成三角波、方波发生器。
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。
电路振荡频率
方波幅值 U′om=±UZ
三角波幅值
调节RW可以改变振荡频率,改变比值
可调节三角波的幅值。
Proteus绘制电路图
RC桥式正弦波振荡器:
三角波方波发生器:
仿真结论
正弦波分析RC振荡器的振幅条件,分析二极管D1、D2的稳幅作用;
起振幅值条件|AF|>1
起振相位条件:
相位平衡。
维持振荡的条件:
|AF|=1
D1、D2是利用二极管的正向电阻随所加电压而改变的特性,达到自动调节负反馈深度的目的。
当起振时,振幅较小,二极管的正向电阻较大,使放大器的负反馈很弱,增益很高,因此可以很快建立起振荡。
随着振幅的增大,二极管的正向电阻变小,放大器的负反馈加深,增益自动下降,直到下降到3,电路达到振幅平衡条件时,振幅停止增长,电路达到稳定。
反之,当由于某种原因使得输出电压幅度减小时,二极管的正向电阻加大,负反馈变弱,增益升高,迫使输出电压幅度恢复到原来的大小,从而起到稳幅的作用。
三角波和方波发生器,分析电路参数变化(R1、R2和RV1)对输出波形频率及幅值的影响。
电阻R1、R2组成了正反馈,与运放一起构成迟滞电压比较器,同相输入端得到一比较电压U+;反相端由R、RV1和C组成负反馈,构成被比较电压UC,其大小由RC充放电电路在电容C上得到。
UC与U+的相对大小,决定了输出电压的正负。
而输出电压的正负极性又决定着通过电容C的电流是充电(使UC增加)还是放电(使UC减小),而UC再与U+相比较,决定输出电压的极性。
从而在输出端产生周期性的方波,而在电容一端产生周期性的三角波。
通过调节电位器RV1,可改变方波和三角波的频率。
小结体会
集成运放是一种高增益放大器,只要加入适当的反馈网络,利用正反馈原理,满足振荡的条件,就可以构成正弦波、方波、三角波等各种振荡电路。
但由于受集成运放带宽的限制,其产生的信号频率一般都在低频范围。
通过本次实验,我掌握了集成运算放大器的使用方法和用运算放大器构成波形发生器的设计方法。
加深了对集成运算放大器工作原理的理解。
4.显示译码器和数码管的应用
设计原理
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数码管的工作原理及应用。
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Qa~Qg表示)。
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Qa~Qg=0110011,这也是一组代码,常称为段码。
Proteus绘制电路图
译码数码管显示01:
译码数码管显示02:
仿真结论
仿真实现灭零及数码显示功能。
小结体会
通过此次实验,不仅让我对仿真更加熟悉,也加深了我对数字电子电路的理解。
掌握了七段LED数码管的工作原理以及BCD—七段显示译码器74LS48和74LS47的应用。
5.ADC0808和DAC0832的应用设计
设计原理
学习和掌握ADC0808和DAC0832的工作原理与编程;
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
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。
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式,DAC0832有三种工作方式:
直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。
ADC0808/0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换器.ADC0808具有8位精度,用单电源5V工作,不需要外部的0和全量程调节,依靠锁存和解码复用器地址输入,以及锁存TTL三态输出.
MCS-51单片机基本原理:
MCS-51单片机由8个部件组成:
中央处理器(CPU),片内数据存储器(RAM),片内程序存储器(ROM/EPROM),输入/输出接口,可编程串行口,定时/计数器,中断系统及特殊功能寄存器(SFR)
Keil和Proteus联调的方法:
写好程序后编译、build就可以生成hex文件.然后在proteus中画好仿真电路图,在单片机元件上右键programfile添加hex文件
Proteus绘制电路图
ADC0808和DAC0832锯齿波:
仿真结论
仿真运行,可调电阻分压的读数:
示波器观察锯齿波输出等:
小结体会
经过此次的课程设计,我对所学过的知识在应用方面有了初步认识,并且学到了很多扩展方面的知识,通过查资料了解了课本上没学到的知识,选择了ADC0809作为A/D转换器,DAC0832作为本系统的D/A转换器.通过模拟量经过输入通道进入A/D转换器进行转换,传输到单片机内,通过编程,对所录入的模拟信号进行编程,实现外扩电路的显示,以及D/A转换后传输给执行器进行控制.
6.串/并行数据转换器
设计原理
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触发器的工作原理及应用。
74LS164是八位并出串行移位寄存器.功能是将数据串行移入,并行输出.P!
4=VCC,P7=GND.P1=A,P2=B,两脚是数据串行移入口.P8=时钟.P9=清除.P3=QA,P4=QB,P5=QC,P6=QD,P10=QE,P11=QF,P12=QG,P13=QH是并行输出口.
74LS194是四位双向通用移位寄存器。
功能:
并行输入和并行输出。
四种操作方式:
同步并行寄存,右移,左移,不动。
正沿时钟触发。
无条件直接清除。
74LS161是一个具有异步清零,同步置数,保持和计数功能的4位二进制加法计算器,其共有16个状态(Q3Q2Q1Q0由0000~1111)
74LS123内有两组多谐振荡器,这个直流触发多振荡器的特点是由三种方法控制脉冲宽度,最基本的是选取外部的RC值来控制。
IC内部已经有一个定时电阻(内部时间选择电阻器只在LS122上),因此允许只外接定时电容使用。
其功能特点:
清零终止输出脉冲;为VCC和温度变化补偿;直流触发是高电平或电平逻辑输入。
JK触发器,采用与或非电路结构,它的工作原理为:
CP为0时,触发器处于一个稳态;CP由0变1时,触发器不翻转,做好接收输入信号的准备;CP由1变0时触发器翻转;JK触发器在CP下降沿前接受信息,在下降沿触发翻转,在下降沿后触发器被封锁。
Proteus绘制电路图
串并转换图:
仿真结论
仿真运行,观察LED输出,条状LED输出从下往上读,每隔一定时间数据输出变化一次,读到的结果是否与信号源中指定的数据一致。
小结体会
在本次课程实践,我遇到了很多问题,这是我第一次接触protues仿真软件,虽然过程很辛苦,但是我从中学到了很多东西。
综合运用课本中所学到的理论知识完成一个串/并数据转换器的实验设计.
从这次课程设计中,我真正意识到理论联系实际的重要性。
在以后的学习过程中,我要在学好课本的理论知识之余,多锻炼自己的动手操作能力,这是我在这次实践设计中的最大收获。
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