哈工大 - 数电课设报告 - 图文

Harbin Institute of Technology

课程设计说明书

课程名称： 数字电子技术基础 设计题目： 声控灯的设计与制作 院 系： 航天学院 班 级： 设 计 者： 本次得分98分 学 号：

指导教师： 吕超 设计时间： 哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学课程设计任务书

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姓 名： 院 （系）：航天学院控制科学与工程系 专 业： 自动化 班 号： 任务起至日期： 2012年 12月 3 日至 2012年 12 月 9 日 课程设计题目：声控开关的设计与制作 已知技术参数和设计要求： 1、接收到一定强度的声音后，声控开关点亮发光二极管（电流5～10mA）， 延时时间在1～11s之间可调。 2、点亮时间用数码管显示（采用共阳极数码管），时间单位长度可调，显示范围为1～11s。 3、当发光二极管熄灭后，数码管显示的数字保持一段时间，并且保持时间可调，为1～11s。 工作量： 1、 用一上午的时间设计系统的整体结构框图； 2、 用一下午的时间设计各功能模块的电路图，并进行仿真分析； 3、 用一个晚上在面包板上搭电路； 4、 用两个上午对搭建的电路进行调试。 工作计划安排：1、12月3号上午设计系统的整体结构框图； 2、12月3号下午设计各功能模块的电路图，并进行仿真分析； 3、12月4号下午加晚上在面包板上搭电路； 4、12月5 ，6，7号上午在实验室调试电路。 2

同组设计者及分工： 同组人： 分工：负责电路设计部分，负责电路搭建部分，两人一起调试电路 指导教师签字___________________ 2012 年 12 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字___________________ 2012年 12 月 日 *注：此任务书由课程设计指导教师填写。

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哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）

目 录

第一章、整体结构框图…………………………………………………………5

第二章、模拟电路部分…………………………………………………………5

2.1 驻极式话筒 ………………………………………………………… 5 2.2放大电路 …………………………………………………………5 2.3整形电路 …………………………………………………………6 2.4单稳电路 …………………………………………………………7 2.5 发光二极管模块……………………………………………………… 8

第三章、数字电路部分 ……………………………………………………… 8

3.1时钟发生电路 …………………………………………………………8 3.2计数器与选通电路………………………………………………………9 3.3译码器和数码显示管……………………………………………………10

第四章、整体结构分析及仿真…………………………………………………11

第五章、电路调试及各模块波形………………………………………………13

第六章、设计心得体会…………………………………………………………18

第七章、参考文献………………………………………………………………18

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第一章 系统整体结构的设计

该系统可以分为两大部分：第一部分为模拟电路，第二部分为数字电路。模拟电路部分主要功能是将声音传感器的产生的短脉冲信号进行放大、整形，并在后续产生一定时间的高电平暂态使发光二极管工作，并用来控制第二部分的数字电路的工作。数字电路部分的主要功能是用数码管显示发光二极管的点亮时间。根据模拟电路部分和数字电路部分的功能可设计出系统的整体结构框图如图1所示：

发光二 施 密 特 单稳触 话筒微弱的两级放大极管 发器1 整形 短脉冲信号

单稳触时钟信号 发器2 与非门 或非门电路 计数器 译码器 数码显示管

图1.1-1系统整体结构框图

第二章 模拟电路部分

2.1 驻极式话筒

驻极式话筒（如图2.1.1-1）有两个接口，一个接口与外壳相接，这个接口在电路中应该接地，另一个接一个上拉电阻与5V高电平相接，并作为信号输出端；当有声音信号时声音传感器能产生一个微弱的短暂脉冲信号。

图2.1-1声音传感器实物图

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话筒实物 端口接线方式

2.2放大电路

由于声音传感器所产生的电信号的电压太小不宜直接进行整形，因此要对该电信号进行适当的放大，我们选用了三极管共射级放大电路，因为共射级放大电路会使输入电信号的相位滞后180度，因此使用两级放大，放大电路如图2.2-1和两级放大电路产生的波形如图2.2-2所示。

VCC5VXSC1VCCR86.2kΩVCC5VVCCJ1R947kΩ4Q33R71kΩ2N17110Key = Space2N171102R6100kΩ+Ext Trig+_A_+B_1Q2 图2.2-1 放大电路图

图2.2-2放大电路输出波形

2.3整形电路

施密特触发器的有一个很重要的应用是脉冲整形，经过施密特触发器的整形之后，脉冲信号可以

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变成比较理想的矩形脉冲信号。并且话筒产生的上升沿经施密特触发器整形同时取反，产生一下降沿，可触发之后的单稳态触发器。施密特触发器电路如图2.1.3-1所示，其输出波形如图2.1.3-2所示

VCC5VVCCU7555_TIMER_RATEDVCCRSTOUT21C410nFDISTHRTRICONGND0

图2.3-1施密特触发器构成的整形电路图

图2.3-2整形电路输出波形

2.4单稳电路

因为经过整形电路之后的脉冲宽度太窄，使发光二极管工作的时间和计数时间都非常短，为了能够使发光二极管工作的时间和计数时间变长达到10s左右，必须使用单稳态触发器，这里我们选用555定时器构成的单稳态触发器，其电路图以及输出波形分别如图2.4-1和图2.4-2所示。因为单稳态触发器的暂态时间为

tw=1.1R2C2

令暂态时间tw=8s

tw=1.1R2C2=8s

所以R2C2=8/1.1，取C2 =100uf， R2=100k的电位器，所以时间可调，最大延时时间为11s。

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VCC5VR2100kΩ50%Key=A101C2100uF09C610nF0RSTDISTHRTRICONGNDVCCU6555_TIMER_RATEDVCCOUT

图2.4-1 555定时器构成的单稳态触发器电路

图2.4-2 单稳态触发器电路的输入输出波形图

2.5 发光二极管模块

发光二极管的功能是，当单稳触发器输出稳态低电平电压时，发光二极管不发光，当单稳态触发器输出暂态高电平电压时，发光二极管发光。采用开关三级管基极驱动方式。根据发光二极管模块的功能设计的电路图如图2.5-1所示。

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VCC5VVCCR4300Ω7LED18R31kΩ2N17110Q16

图2.5-1发光二级管模块电路图

第三章数字电路部分

3.1时钟发生电路

计数器工作时必须有稳定的时钟发生电路为计数器提供时钟信号，在本课程设计中我们使用了555定时器构成的多谐振荡器来产生时钟信号，其电路图如图3.1-1所示，输出时钟信号如图3.1-2所示。时钟电路的输出时钟信号周期等于多谐振荡器的振荡周期，多谐振荡器的振荡周期：T=T1+T2

其中 T1=0.7(RA+RB)C

T2=0.7RBC

所以 T=0.7(RA+2RB)C

令时钟的周期为1，也即是使计数器每隔1秒钟记一次数， 所以 T=0.7(RA+2RB)C=1 取 C=100uf、 RA =200

VCC5V欧，则 RB =7.043k，RB 为可调电位器，总阻值为100k。

RA200Ω13RB7.043kΩ12C2100uF0U2555_TIMER_RATEDVCCVCCRSTDISTHRTRIOUT11CONC110nF0GND

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图3.1-1 555定时器构成的多谐振荡器

图3.1-2多谐振荡器输出时钟信号

3.2计数器与选通电路

我们学过的计数器芯片有很多种，老师给我们提供了两片74LS90芯片，74LS90芯片为上升沿异步计数的十进制计数器，该计数器按照8421BCD码进行计数，因为单稳态触发器的暂态时间tw=1.1R2C2=8秒，时钟周期T=0.7(RA+2RB)C=1秒，计数器必须能记8个数，此电路使用74LS90的级联（电路如图3.2-1所示），用以计十以上的数。

为实现在灯熄灭后，数码管的数值能保持一段时间，考虑增设一单稳态定时器，用于控制两个90计数器延时清零，该清零信号通过两单稳态触发器的输出进行或非运算产生。选通器使用74LS00芯片的与非门，当单稳态触发器1输出稳态电压（低电平）时，单稳态输出与时钟通过与非门接到74LS90的CP端，控制计数开始，单稳态输出1触发另外的一个单稳态时钟2，二者通过或非门控制74LS90的R01、R02清零端；当单稳态触发器1输出暂态电压（高电平）时，与非门输出低电平，计数器开始计数。当单稳态触发器1输出由暂态电压变为稳态电压时，74LS90计数停止，单稳态时钟2受到触发，单稳态触发器1输出与单稳态触发器2输出通过或非门，实现延时一段时间后对74LS90清零。

1U161412367INAINBR01R02R91R92QAQBQCQD1298112U3341412367INAINBR01R02R91R92QAQBQCQD129811074LS90D074LS90NU8A74LS00N5

图3.2-1 74LS90计数器的级联

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图3.2-2 延时电路（单稳态触发电路2）

3.3译码器和数码显示管

课本中讲过74LS47译码器驱动共阳极LED数码管的内容，74LS90计数器输出的是8421BCD码，74LS47译码器是对8421BCD码进行译码，使共阳极LED数码管显示从零到一的数，其电路图如图3.3-1所示

VCC5VVCCCAU2U17126ABCD~LT~RBI~BI/RBOOAOBOCODOEOFOG1312111091514ABCDEFGVCC3541234567VCC5V74LS47D

图3.3-1 74LS47译码器驱动共阳极LED数码管

第四章 整体结构分析与仿真

根据系统整体结构框图将模拟电路部分和数字电路部分结合起来，绘制整体电路图并在Multisim上进行仿真，将声音传感器用脉冲信号代替，仿真图如图4-1所示。仿真结果显示当没有脉冲输入时，两个数码管都显示零，当输入脉冲信号时，发光二极管变亮而且数码显示管从零开始计数，

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当第一个数码显示管显示到8之后，发光二极管熄灭，计数停止，数码管显示08，并保持一段时间后再清零，数码显示管又都变成0.仿真结果符合设计要求。

根据仿真电路图在面包板上搭连电路，连接好的电路图如图4-2所示。

图4-1系统整体电路图

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图4-2在面包板上搭连的实物图

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第五章 电路调试及各模块波形

5.1 话筒受到触发后的输出波形与经第一个三极管放大后的波形

5.2 话筒受到触发后的输出波形与经第二个三极管放大后的波形

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5.3话筒输出及施密特触发器输出波形

5.4 话筒输出信号与单稳态触发电路1的输出波形

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5.5 时钟输出波形

5.6 单稳态触发器1与单稳态触发器2输出波形

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5.7 单稳态触发器1输出波形与74LS90清零端波形

5.8 控制74LS90清零端的或非门电路加入吸收电容后的波形，明显的消除了竞争与冒险

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5.9 电路实物图

第六章 设计心得体会

在这次设计中我们采用了模块化设计方法，将系统分成了模拟电路部分和数字电路部分，在这基础上有将模拟电路部分分成了传感器模块，放大模块、整形模块、单稳模块和二极管模块；将数字电路部分分成了时钟模块、选通模块、延时模块（单稳态触发器2）、计数器模块、译码模块和数码显示器模块。通过对各电路模块的功能的分析，设计电路并选择合适的电子元器件，然后再通过Multisim11.0对设计的电路进行仿真，并修改各元器件的参数。在所有功能模块的电路都设计好之后，再将所有功能模块连接在一起，在Multisim11.0进行仿真，验证其功能，然后在面包板上搭连起来，到实验室进行调试，测量各模块的输出波形，验证电路的功能。

总体来说我们这次课程设计是非常成功的，虽然设计以及调试电路的过程中出现了很多问题，花费了很长时间，但是通过这次课程设计，我不仅将上学前学过的《模拟电子技术基础》和这学期学过的《数字电子技术基础》重新回顾了一遍，而且学会了如何调试电路，怎样解决调试电路过程中出现的各种问题，如何把理论知识运用到实践中。

在学习《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》的过程中虽然也做过实验，但是大多都是一些验证性实验，根本不知道学过的这些知识有什么用、怎么用，通过这次课程设计，我的这些疑问都解决了。更重要的是这次课程设计锻炼了我的动手能力，为我以后工作奠定了良好的基础。

第七章 参考文献

【1】王淑娟、蔡惟铮、齐明《模拟电子技术基础》，高等教育出版社 【2】杨春玲、王淑娟《数字电子技术基础》高等教育出版社

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ln9p.html