哈工大數(shù)電課設(shè)報(bào)告

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱： 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 設(shè)計(jì)題目： 聲控?zé)舻脑O(shè)計(jì)與制作 院 系： 航天學(xué)院 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 本次得分98分 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 呂超 設(shè)計(jì)時(shí)間： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓 名： 院 （系）：航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 號(hào)： 任務(wù)起至日期： 2012年 12月 3 日至 2012年 12 月 9 日 課程設(shè)計(jì)題目：聲控開關(guān)的設(shè)計(jì)與制作 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求： 1、接收到一定強(qiáng)度的聲音后，聲控開關(guān)點(diǎn)亮發(fā)光二極管（電流510mA），延時(shí)時(shí)間在111s之間可調(diào)。 2、點(diǎn)

2、亮?xí)r間用數(shù)碼管顯示（采用共陽(yáng)極數(shù)碼管），時(shí)間單位長(zhǎng)度可調(diào)，顯示范圍為111s。 3、當(dāng)發(fā)光二極管熄滅后，數(shù)碼管顯示的數(shù)字保持一段時(shí)間，并且保持時(shí)間可調(diào)，為111s。 工作量：1、 用一上午的時(shí)間設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖；2、 用一下午的時(shí)間設(shè)計(jì)各功能模塊的電路圖，并進(jìn)行仿真分析；3、 用一個(gè)晚上在面包板上搭電路；4、 用兩個(gè)上午對(duì)搭建的電路進(jìn)行調(diào)試。 工作計(jì)劃安排：1、12月3號(hào)上午設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖； 2、12月3號(hào)下午設(shè)計(jì)各功能模塊的電路圖，并進(jìn)行仿真分析； 3、12月4號(hào)下午加晚上在面包板上搭電路；4、12月5 ，6，7號(hào)上午在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試電路。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 同組人： 分工：負(fù)責(zé)

3、電路設(shè)計(jì)部分，負(fù)責(zé)電路搭建部分，兩人一起調(diào)試電路 指導(dǎo)教師簽字_ 2012 年 12 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 2012年 12 月 日*注：此任務(wù)書由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫。 目 錄 第一章、整體結(jié)構(gòu)框圖5第二章、模擬電路部分5 2.1 駐極式話筒 5 2.2放大電路 5 2.3整形電路 62.4單穩(wěn)電路 72.5 發(fā)光二極管模塊 8第三章、數(shù)字電路部分 83.1時(shí)鐘發(fā)生電路 8 3.2計(jì)數(shù)器與選通電路93.3譯碼器和數(shù)碼顯示管10第四章、整體結(jié)構(gòu)分析及仿真11第五章、電路調(diào)試及各模塊波形13第六章、設(shè)計(jì)心得體會(huì)18第7章 、參考文獻(xiàn)18 施密特整形第一章 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4、 該系統(tǒng)可以分為兩大部分：第一部分為模擬電路，第二部分為數(shù)字電路。模擬電路部分主要功能是將聲音傳感器的產(chǎn)生的短脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、整形，并在后續(xù)產(chǎn)生一定時(shí)間的高電平暫態(tài)使發(fā)光二極管工作，并用來控制第二部分的數(shù)字電路的工作。數(shù)字電路部分的主要功能是用數(shù)碼管顯示發(fā)光二極管的點(diǎn)亮?xí)r間。根據(jù)模擬電路部分和數(shù)字電路部分的功能可設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：發(fā)光二極管兩級(jí)放大話筒微弱的短脈沖信號(hào)單穩(wěn)觸發(fā)器1 單穩(wěn)觸發(fā)器2時(shí)鐘信號(hào)與非門或非門電路數(shù)碼顯示管譯碼器計(jì)數(shù)器 圖1.1-1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖第二章 模擬電路部分 2.1 駐極式話筒 駐極式話筒（如圖2.1.1-1）有兩個(gè)接口，一個(gè)接口與外殼相接，這

5、個(gè)接口在電路中應(yīng)該接地，另一個(gè)接一個(gè)上拉電阻與5V高電平相接，并作為信號(hào)輸出端；當(dāng)有聲音信號(hào)時(shí)聲音傳感器能產(chǎn)生一個(gè)微弱的短暫脈沖信號(hào)。 圖2.1-1聲音傳感器實(shí)物圖 話筒實(shí)物 端口接線方式2.2放大電路由于聲音傳感器所產(chǎn)生的電信號(hào)的電壓太小不宜直接進(jìn)行整形，因此要對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，我們選用了三極管共射級(jí)放大電路，因?yàn)楣采浼?jí)放大電路會(huì)使輸入電信號(hào)的相位滯后180度，因此使用兩級(jí)放大，放大電路如圖2.2-1和兩級(jí)放大電路產(chǎn)生的波形如圖2.2-2所示。圖2.2-1 放大電路圖圖2.2-2放大電路輸出波形2.3整形電路施密特觸發(fā)器的有一個(gè)很重要的應(yīng)用是脈沖整形，經(jīng)過施密特觸發(fā)器的整形之后，脈沖

6、信號(hào)可以變成比較理想的矩形脈沖信號(hào)。并且話筒產(chǎn)生的上升沿經(jīng)施密特觸發(fā)器整形同時(shí)取反，產(chǎn)生一下降沿，可觸發(fā)之后的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器電路如圖2.1.3-1所示，其輸出波形如圖2.1.3-2所示圖2.3-1施密特觸發(fā)器構(gòu)成的整形電路圖圖2.3-2整形電路輸出波形2.4單穩(wěn)電路 因?yàn)榻?jīng)過整形電路之后的脈沖寬度太窄，使發(fā)光二極管工作的時(shí)間和計(jì)數(shù)時(shí)間都非常短，為了能夠使發(fā)光二極管工作的時(shí)間和計(jì)數(shù)時(shí)間變長(zhǎng)達(dá)到10s左右，必須使用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，這里我們選用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其電路圖以及輸出波形分別如圖2.4-1和圖2.4-2所示。因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)間為tw=1.1R2C2令暫態(tài)時(shí)間

7、tw=8stw=1.1R2C2=8s所以R2C2=8/1.1，取C2 =100uf， R2=100k的電位器，所以時(shí)間可調(diào)，最大延時(shí)時(shí)間為11s。圖2.4-1 555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖2.4-2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的輸入輸出波形圖2.5 發(fā)光二極管模塊 發(fā)光二極管的功能是，當(dāng)單穩(wěn)觸發(fā)器輸出穩(wěn)態(tài)低電平電壓時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出暫態(tài)高電平電壓時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光。采用開關(guān)三級(jí)管基極驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)發(fā)光二極管模塊的功能設(shè)計(jì)的電路圖如圖2.5-1所示。 圖2.5-1發(fā)光二級(jí)管模塊電路圖第三章數(shù)字電路部分3.1時(shí)鐘發(fā)生電路計(jì)數(shù)器工作時(shí)必須有穩(wěn)定的時(shí)鐘發(fā)生電路為計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘信號(hào)，

8、在本課程設(shè)計(jì)中我們使用了555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，其電路圖如圖3.1-1所示，輸出時(shí)鐘信號(hào)如圖3.1-2所示。時(shí)鐘電路的輸出時(shí)鐘信號(hào)周期等于多諧振蕩器的振蕩周期，多諧振蕩器的振蕩周期：T=T1+T2其中 T1=0.7(RA+RB)CT2=0.7RBC所以 T=0.7(RA+2RB)C令時(shí)鐘的周期為1，也即是使計(jì)數(shù)器每隔1秒鐘記一次數(shù)，所以 T=0.7(RA+2RB)C=1取 C=100uf、 RA =200歐，則 RB =7.043k，RB 為可調(diào)電位器，總阻值為100k。 圖3.1-1 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖3.1-2多諧振蕩器輸出時(shí)鐘信號(hào)3.2計(jì)數(shù)器與選通電路 我

9、們學(xué)過的計(jì)數(shù)器芯片有很多種，老師給我們提供了兩片74LS90芯片，74LS90芯片為上升沿異步計(jì)數(shù)的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器按照8421BCD碼進(jìn)行計(jì)數(shù)，因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)間tw=1.1R2C2=8秒，時(shí)鐘周期T=0.7(RA+2RB)C=1秒，計(jì)數(shù)器必須能記8個(gè)數(shù)，此電路使用74LS90的級(jí)聯(lián)（電路如圖3.2-1所示），用以計(jì)十以上的數(shù)。 為實(shí)現(xiàn)在燈熄滅后，數(shù)碼管的數(shù)值能保持一段時(shí)間，考慮增設(shè)一單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器，用于控制兩個(gè)90計(jì)數(shù)器延時(shí)清零，該清零信號(hào)通過兩單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出進(jìn)行或非運(yùn)算產(chǎn)生。選通器使用74LS00芯片的與非門，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1輸出穩(wěn)態(tài)電壓（低電平）時(shí)，單穩(wěn)態(tài)輸出與時(shí)鐘通過

10、與非門接到74LS90的CP端，控制計(jì)數(shù)開始，單穩(wěn)態(tài)輸出1觸發(fā)另外的一個(gè)單穩(wěn)態(tài)時(shí)鐘2，二者通過或非門控制74LS90的R01、R02清零端；當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1輸出暫態(tài)電壓（高電平）時(shí)，與非門輸出低電平，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1輸出由暫態(tài)電壓變?yōu)榉€(wěn)態(tài)電壓時(shí)，74LS90計(jì)數(shù)停止，單穩(wěn)態(tài)時(shí)鐘2受到觸發(fā)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1輸出與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2輸出通過或非門，實(shí)現(xiàn)延時(shí)一段時(shí)間后對(duì)74LS90清零。 圖3.2-1 74LS90計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)圖3.2-2 延時(shí)電路（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路2） 3.3譯碼器和數(shù)碼顯示管課本中講過74LS47譯碼器驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極LED數(shù)碼管的內(nèi)容，74LS90計(jì)數(shù)器輸出的是8421BCD

11、碼，74LS47譯碼器是對(duì)8421BCD碼進(jìn)行譯碼，使共陽(yáng)極LED數(shù)碼管顯示從零到一的數(shù)，其電路圖如圖3.3-1所示圖3.3-1 74LS47譯碼器驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極LED數(shù)碼管第4章 整體結(jié)構(gòu)分析與仿真 根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖將模擬電路部分和數(shù)字電路部分結(jié)合起來，繪制整體電路圖并在Multisim上進(jìn)行仿真，將聲音傳感器用脈沖信號(hào)代替，仿真圖如圖4-1所示。仿真結(jié)果顯示當(dāng)沒有脈沖輸入時(shí)，兩個(gè)數(shù)碼管都顯示零，當(dāng)輸入脈沖信號(hào)時(shí)，發(fā)光二極管變亮而且數(shù)碼顯示管從零開始計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)碼顯示管顯示到8之后，發(fā)光二極管熄滅，計(jì)數(shù)停止，數(shù)碼管顯示08，并保持一段時(shí)間后再清零，數(shù)碼顯示管又都變成0.仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要

12、求。 根據(jù)仿真電路圖在面包板上搭連電路，連接好的電路圖如圖4-2所示。圖4-1系統(tǒng)整體電路圖圖4-2在面包板上搭連的實(shí)物圖 第五章 電路調(diào)試及各模塊波形5.1 話筒受到觸發(fā)后的輸出波形與經(jīng)第一個(gè)三極管放大后的波形5.2 話筒受到觸發(fā)后的輸出波形與經(jīng)第二個(gè)三極管放大后的波形5.3話筒輸出及施密特觸發(fā)器輸出波形5.4 話筒輸出信號(hào)與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1的輸出波形5.5 時(shí)鐘輸出波形5.6 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2輸出波形5.7 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1輸出波形與74LS90清零端波形5.8 控制74LS90清零端的或非門電路加入吸收電容后的波形，明顯的消除了競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn) 5.9 電路實(shí)物圖 第六章 設(shè)計(jì)心得

13、體會(huì)在這次設(shè)計(jì)中我們采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)分成了模擬電路部分和數(shù)字電路部分，在這基礎(chǔ)上有將模擬電路部分分成了傳感器模塊，放大模塊、整形模塊、單穩(wěn)模塊和二極管模塊；將數(shù)字電路部分分成了時(shí)鐘模塊、選通模塊、延時(shí)模塊（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2）、計(jì)數(shù)器模塊、譯碼模塊和數(shù)碼顯示器模塊。通過對(duì)各電路模塊的功能的分析，設(shè)計(jì)電路并選擇合適的電子元器件，然后再通過Multisim11.0對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，并修改各元器件的參數(shù)。在所有功能模塊的電路都設(shè)計(jì)好之后，再將所有功能模塊連接在一起，在Multisim11.0進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其功能，然后在面包板上搭連起來，到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試，測(cè)量各模塊的輸出波形，驗(yàn)證電路的功能?？傮w來說我們這次課程設(shè)計(jì)是非常成功的，雖然設(shè)計(jì)以及調(diào)試電路的過程中出現(xiàn)了很多問題，花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間，但是通過這次課程設(shè)計(jì)，我不僅將上學(xué)前學(xué)過的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和這學(xué)期學(xué)過的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)重新回顧了一遍，而且學(xué)會(huì)了如何調(diào)試電路，怎樣解決調(diào)試電