第4章电子技术综合设计-1课件.ppt

1、第第4 4章章 电子技术综合设计电子技术综合设计 v4.1 直流可调稳压电源设计v4.2 四路彩灯v4.3 八路抢答器v4.4 数字钟v4.5 音乐教室控制室v在这一章里，我们对电子技术课程中的几个典型的综合实例进行设计、分析和仿真，目的在于使读者对模拟电子技术和数字电子技术中常用的仿真元件及仪器有个基本的掌握，帮助大家更好地理解和学习电子技术，同时对Proteus在电子线路设计中的强大功能 能 够 牢 固 掌 握 和 灵 活 运 用。4.1 直流可调稳压电源的设计直流可调稳压电源的设计v本节我们一起来设计一个模拟电子技术中常用的电路，通过例子对Proteus各种功能的综合应用更加得心应手。v

2、直流稳压电源是大家颇为熟悉的电路了，这里我们设计一个可调直流稳压电源，具体要求如下：v输出电压在1.25V37V可调；v最大输出电流为1.5A；v电压调整精度达0.1%。1.题目分析题目分析v直流稳压电源的作用是通过把50Hz的交流电变压、整流、滤波和稳压从而使电路变成恒定的直流电压，供给负载，如图4-1所示。设计出的直流稳压电源应不以电网电压的波动和负载的变换而改变。图4-1 直流稳压电源的组成v可调式稳压器件LM117/LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM117/LM317 的输出电压范围是1.25V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外

3、接电阻来设置输出电压。vLM117/LM317在 1.25V 至 37V 之间连续可调。调整端的电流可忽略不计，因而有 v其中，UREF是集是稳压器件的输出电压，为1.25V。如图4-2所示，改变R2的值，UO的值即可改变。当R2短路时，UO最小，为UREF即1.25V；当R2大于零时，UO都大于UREF，最大可达37V。2OREF11RUUR（）图4-1 三极管元件拾取对话框其中，UREF是集是稳压器件的输出电压，为1.25V。如图4-2所示，改变R2的值，UO的值即可改变。当R2短路时，UO最小，为UREF即1.25V；当R2大于零时，UO都大于UREF，最大可达37V。VI3VO2ADJ

4、1LM317LR1R2v(1)变压电路v直流电源通常从市电取电，把220V、50Hz的单相交流电先降压，变成所需的交流电，然后再整流。根据桥式整流电路和电容滤波电路的输出与输入电压的比例关系，从输出电压的最大值37V倒推，可以算出所使用的降压变压器的副边电压有效值应为29V左右。v从Proteus的元件库中取变压器“TRAN-2P2S”，在原边接交流电源“ALTERNATOR”，原副边分别接交流电压表，且变压器的原副边同时接地，并与后面直流部分电路共地。2.电路设计 v打开交流电源的属性对话框，把频率改为50Hz，把幅值改为300V左右，运行仿真，观察原边交流电压表的读数，再次修改交流电源的幅

5、值，直到原边电压表的读数为220V为止。v打于变压器属性对话框，按照本章前面介绍的变压器的变比与电压的关系，保持原边电感值为1H不变，修改原副边的电感值为0.033H左右，运行仿真，直到副边交流电压表的读数为29V左右。变压电路的仿真图如图4-4所示。图4-4 变压电路的仿真图 TR1TRAN-2P2SAC Volts+28.9220V 50HzAC Volts+220v(2)整流及滤波电路v整流采用常用的二极管桥式整流电路。在Proteus的元件库中寻找“BRIDGE”，取出此通用二极管整流桥，放置在电路中，注意接法。v根据经验，一般滤波电路常用的滤波电容有2200F和1100F两种，但要注

6、意它的耐压值要大于电路中所承受的电压，并注意电压的极性的接法是上正下负，如图4-5所示。图4-5 整流及滤波电路BR12W005GC12200uFD1R17.5k如果要详细计算滤波所需的电容值，可采用以下公式：全波整流 半波整流 式中，VM为滤波之后的最大电压，V为滤波之后的波纹电压，即最大电压与最小电压的差值，R为负载电阻，f为工频50Hz。M2VCfRVMVCfRVv(3)集成稳压电路v集成稳压电路的核心器件是LM317，在实际应用中要注意加装散热片。为了保护集成器件在接反的状态下不被烧毁，在输入、输出端之间以及输出与调节端之间分别接反向保护二极管1N4003，如图4-6所示。VI3VO2

7、ADJ1U1LM317LD1R17.5kC210uFR2200D2D3C3100uFVolts+33.5100%RV45.1k图4-6 集成稳压电路v一般设R2为100200，典型值为120，这里设为200。在实际接线时，这个电阻应尽可能地靠近LM317元件来接，因为本应是LM317内部电阻。v由上面的公式算出滑动变阻器的最大值为4.92k，取典型值4.1k，这样最大值达不到37V，理论上只有32V左右，仿真时显示为33.5V，有些误差，并且最小值也比1.25V小。v电容C2和C3分别为去抖和滤波作用。C2并联在滑动变阻器两端，可防止滑动变阻器在调节过程中由于抖动而产生的谐波，一般经验值为10

8、F。C3为输出侧二次滤波，其目的是去掉输出电压波形中细小的波纹。C1与C3的关系一般为22倍。4422001.2537RRVRV45.92kRV v可调直流稳压电源的完整电路如图4-7所示。图4-7 直流可调稳压电源完整电路BR12W005GTR1TRAN-2P2SAC Volts+27.5C12200uFVI3VO2ADJ1U1LM317LD1R17.5kC210uFR2200D2D3C3100uFVolts+5.00220V 50Hz28V 50HzAC Volts+22057%RV45.1kv4.2 四四 路路 彩彩 灯灯v四路彩灯是数字电路设计中一个非常有趣的课题，结合Proteus会

9、使整个设计和分析快捷而轻松。题目设计要求如下：v共有四个彩灯，分别实现三个过程，构成一个循环共12秒；v第一个过程要求四个灯依次点亮，共4秒；v第二个过程要求四个灯依次熄灭，共4秒，先亮者后灭；v最后4秒要求四个灯同时亮一下灭一下，共闪4下。v4.2.1 核心器件核心器件74LS194简介简介v其实这个题目主要考察的是四位双向通用移位寄存器74LS194的灵活应用，四个灯可用四个发光二极管表示。74LS194的引脚图如图4-8所示。图4-5 变压器属性对话框图4-9 74LS194的时序图图4-8中引脚MR为复位信号，正常工作时应接高电平；CLK为时钟信号，上升沿到来时有效。74LS194的时

10、序图如图4-9所示。v74LS194有四种工作方式，分别由S1S0组成的两位二进制数来控制，如表4-1所示。v表4-1 74LS194的四种工作方式S1S0输出Q0Q3数据输入 00 保持不变 01 右移 SR 10 左移 SL 11 并行输出 D0D3v表4-2 74LS194的功能表输 入输 出功 能时钟复位控制串入并入Q0Q1Q2Q3CPCrS1S0DSLDSRD0D1D2D3X0X XX XXXXX0000清零11 1X XD0D1D2D3D0D1D2D3置数11 0D XXXXXQ1Q2Q3D左移10 1X DXXXXDQ0Q1Q2右移10 0X XXXXXQ0Q1Q2D3保持v 4

11、.2.2 题目分析与设计题目分析与设计v此题应把四路彩灯接在74LS194的Q0Q3上，SR稳定接一高电平，SL稳定接地电位，而D0D3接周期为1秒的方波信号。下面关键是时钟和方式控制S1S0的信号如何实现才能满足题目的要求。v三个过程每个4秒，加起来正好12秒。如果选择CLK为周期1s的方波信号，好像就可以了，但是前两个过程可以，最后一个过程却不能精确地实现。图4-10是正确的CLK信号与1Hz方波信号的比较。v前面我们已经确定D0D3接1Hz的方波信号，那么Q0Q3在读D0D3的信号时是在CLK上升沿到来的一瞬间，看图4-10的前半部分，如果二者一样，CLK的每个上升沿到来时读到的都是高电

12、平，灯就会一直亮着，不会出现闪的效果。所以，当74LS194的工作方式为11时，一定要改变CLK的信号频率为D0D3信号频率的2倍，才可以在D0D3的一个周期内出现CLK的两个上升沿，Q0Q3分别读到1和0各一次，如图4-10的后半部分。图4-10 正确的CLK信号与1Hz方波信号的比较正确的时钟信号在整个12秒时间应该是前8秒为1Hz的频率，后4秒变为2Hz的频率，可以用555定时器产生2Hz的方波信号，再用D触发器分频产生1Hz的方波信号，如图4-11所示。二者分别与控制信号相与再通过或门即可得到CLK信号。图4-11 用555产生的2Hz及1Hz方波信号 下面再来分析S1S0的信号。四种

13、工作方式中剔除第一种S1S0为00的情况，那么S1S0应按01、10、11的顺序循环，可设计一个同步计数器，时钟周期为4秒，共三个状态。S1及S0的波形应如图4-12所示。S1S0与非及相与的结果如图中后两个信号，正好用来分别锁定1Hz及2Hz信号，分别与它们相与后再进入或门，即产生了正确的时钟信号，如图4-12所示。图4-12 S1及S0的波形图 vS1S0信号的产生使用D触发器来设计一个同步三进制计数器，时钟周期为4秒。设计步骤如下：v(1)列状态真值表。v设S1S0对应的触发器输出分别为Q1Q0，则状态真值表如表4-3所示。Q1n Q0nQ1n+1 Q0n+10 0 0 1 1 01 0

14、 1 11 1 0 1表4-3 74状态真值表(2)求状态方程。根据列出的状态真值表，分别求出Q1和Q0的状态方程为1110QQ Qn101QQn(3)求驱动方程。由D触发器的特性方程可直接写出驱动方程为110DQ Q01DQ(4)电路实现。根据驱动方程，连接电路如图4-13所示。因为我们设计出的是一个同步时序逻辑电路，注意图中两个D触发器的时钟连接在一起接周期为4秒的时钟信号。这部分电路也可以直接用集成计数器来完成，见后面。图4-13 产生S1S0的三进制同步计数 根据以上分析，连接电路如图4-14所示，其中省去了555及二分频电路，直接用数字脉冲源进行仿真。另外，图中所有D触发器的异步输入

15、端在实际电路连接时最好接高电平。产生时钟的电路用与非与非逻辑替代了与或逻辑，因为与非门的应用最普遍。平时我们在设计电路时，通过卡诺图化简得到的与或式，要想全部用与非门实现，可在草纸上直接画成与或逻辑，然后只需要在与门的输出端与此线的另一头即或门的输入端各加一个小圆圈，两个逻辑非抵消，不影响逻辑关系，直到把或门的输入处理完毕为止。这样或门前面的与门都变成了与非门，或门变成了非或门，而根据摩根定理，非或门恒等于与非门。图4-14中的U4:B、U4:C和U4:D就是用与非与非逻辑实现的与或逻辑。4.2.3 仿真仿真 图4-12 单管共射放大器及负反馈实验电路图4.2.4 扩展电路 下面我们重点来分析

16、一下八路彩灯的实现方法。要求和上例一样，八个灯从左到右依次点亮，各一秒，共八秒；接下来八个灯从右到左依次熄灭，各一秒，共8秒；最后八个灯同时闪烁八次，也是八秒。共24秒。因为前例中我们已经做了详细的分析，这里的灯的动作流程没有什么变化，只不过要把两片74LS194连接成一个整体，接收统一的指令来工作。另外我们把它们的移位方式控制信号S1S0的产生电路变成易于实现的集成电路来完成。图4-15是已设计完成的仿真电路图。图4-15 八路彩灯的仿真图 v计数器74190是一个中规模集成、十进制可逆计数器，通过或门把它接成一个模三的计数器，即当输出为0100时，装入数据0001，构成循环00010010

17、0011 0001。v74190的Q1Q0输出作为两片74LS194的移位方式控制信号S1S0，把两片74LS194的S1和S0分别并起来后再接这两个信号。图中74190接成了加计数的形式。v再来看一看两片74LS194是如何连接的。首先把两个芯片的时钟并在起，接成同步时序电路。接着把两个芯片的并行数据输入端D3D2D1D0全部连接在一起外接一个周期为一秒的方波信号，实现八个灯一起闪烁。最后是左移和右移信号的处理。上面的芯片所驱动的灯先依次点亮，所以右移时的输入信号应从它的SR输入，接高电平；把上面的芯片的输出Q3接下面芯片的SR，这样右移时的信号就可以从第一个芯片的Q0一直传递到第二个芯片的

18、Q3了。左移时也一样，输入信号接下面芯片的SL，下面芯片的Q0接上面芯片的SL。在图4-15中，左移和右移的输入信号直接来自74LS194的输出。v 4.3 八路抢答器八路抢答器v抢答器的应用非常普遍，可用在各类竞赛中。本题目的设计要求如下：v主持人按下抢答“开始”按钮，同时喇叭发出“嘀”的一声，八路抢答开始；v八路抢答按钮的编号分别为18，一次只能有一人抢答成功；v当某一路抢答成功时，发光二极管立即点亮，并在数码管上显示该路的号数，直到主持人按复位开关为止，其他人再抢答无效；v主持人按“复位”按钮后，必须下次重新抢按“开始”按钮才能继续抢答。4.3.1 核心器件74LS148简介 抢答器的输

19、入为八路抢答按钮及主持人控制的抢答开始和清零两个按钮。输出有一个发光二极管、一个数码管和一个蜂鸣器。因为要把八路的开关量转变成对应的数字来显示，而显示译码器接收的是BCD码，所以要用到8-3线编码器。而74LS148是一个中规模且具有优先编码权限的集成器件，优先权按输入端编号从高到低。74LS148的引脚图如图4-16所示。vEI是使能端，低电平有效。EO和GS都为输出，且互反。当EI有效，且正常编码时，即八个输入中有任一个输入有效，则EO为高电平，GS为低电平；如果没有一路输入为低电平，则EO为低电平，GS为高电平。这两个引脚通常用于芯片的扩展。v输入编号为7的优先权最高。当EI有效时，输入

20、与输入的对应关系如表4-4所示。输 入输出(6、7、9)7有效0006有效 0015有效 0104有效 0113有效 1002有效 1011有效 110 0有效 111表4-4 74LS148的输入输出对应关系v4.3.2 题目分析与设计题目分析与设计v由八路电阻与按钮串接在电源和地之间，中间点引出接到优先编码器74LS148的八个输入端，S1S7分别接到输入17，而S8接到输入0上，当S8动作时显示“8”。这样使抢答者的编号17正好与编码器的输入和输出对应上。v使用D触发器用来锁存信号，只使用异步输入端，相当于低电平输入有效的RS锁存器。其中三个D触发器的异步置位S端接编码器的三个输出，经过

21、反相保持后接到显示译码器的输入端。异步清零端R都接到另一个D触发器的端，由复位按钮来控制。v八路抢答器的原理如图4-17所示，下面我们分块来介绍设计原理。v(1)上电初始状态v上电时，74LS148的各输入07应为高电平，EI=0，A2A1A0=111，GS=1，EO=0。v(2)“复位”按钮作用后v当“复位”按钮按下后，产生一个短暂的低电平，应使电路的状态产生如下变化：74LS148的EI=1，即先封锁各路抢答信号，其它状态不变。v(3)“开始”按钮作用后v当“开始”按钮按下后，产生一个短暂的低电平，应使电路的状态产生如下变化：74LS148的EI=0，即允许各路抢答，同时，嗽叭发出“嘀”的

22、一声响。下面讨论“开始”按钮作用如何使74LS148的EI为0。v图4-17中，当“开始”按钮按下时，产生一个下降沿，送给U5:B的异步复位端R，使其Q=0，这个低电平作为二入或门U6:B的一个输入。U6:B的另一个输入来自U8:A的输出Q。U8:A在“复位”按钮按操作后，不受“开始”按钮的控制，只受74LS148的输入17路控制，当这些输入中有低电平时，U8:A来一个时钟上升沿，使其输出Q=1，而74LS148的输入0不起此作用。v故“开始”按钮按下后，当74LS148无输入时，U8:A输出Q=0，U5:B输出Q=0，故U6:B输出为0。此信号作为二入或门U6:C的一个输入。而U6:C的中一

23、个输入来自U5:A的。U5:A接成异步输入控制方式，置位端来自74LS148输入0，复位端和U2:A、U2:B、U3:A、U3:B一起接到U5:B的。而U5:B在“开始”按钮作用后，=1，故U5:B保持初始状态Q=0，=1。v经过以上分析，“开始”按钮作用后，U6:C的两个输入，一个来自U6:B为0，一个来自U5:A为1，故U6:C的输出为1。此信号经过反相器U9后为0，和来自U6:B的输出0一起进入或门U6:D，使U6:D为0。这个信号送给74LS148的EI，使EI=0，允许抢答。v(4)74LS148的17路抢答v74LS148的17路输入中任何一个按下后，A2A1A0出现对应编码值（反

24、码），GS来一个负脉冲。电路应完成的功能是：数码管显示对应数字，其它任何路抢答无效，直到按下“复位”按钮后，再次按“开始”按钮。v74LS148的三位编码输出由高到低分别接至U3:A、U2:B、U2:A的异步置位端。因为74LS148输出为反码，这种接法正好使这些D触发器对应置位，经触发器后输入原码，送给74LS47和数码管译码并显示。74LS47的输入BCD码中高位接地。v当一路优先抢答成功后，为了防止其它路再次抢答成功，此时，要立即封锁74LS148的输入，即使EI=1。考虑到当有编码输出时（即17路有抢答时），GS产生一个负脉冲，把此信号接至U8:B的时钟输入端，当GS从负变正时，产生一

25、个上升沿，使U8:B的Q=1，从而使U6:B输出为1，U6:D输出为1，即EI=1，及时封锁住了74LS148的各路输入。EI为1后，A2A1A0恢复初始状态111，但已经抢答成功的当前路的编码已被U3:A、U2:B、U2:A锁存并稳定地显示在数码管上，直到“复位”按钮按下。vU3:B起灭零显示的作用。当复位后，数码管显示0。74LS47的灭零输出端RBI（5端）来自U3:B的Q端，此端的低电平可使0不显示。请大家自己分析，灭零电路的实验见第三章的3.6.3节“显示译码器和数码管的应用设计与仿真”。v(5)74LS148的第8路抢答v由于74LS148的0路输入信号有效时和无效时输出状态不发生

26、变化，故其电路设计与17路有明显的区别。74LS148的17路正好对应显示17，故0路输入时应该显示8，相当于第8路抢答。要完成的设计分两个方面：一是当第8路抢答成功时，显示8；另一个是当第8路抢答成功后封锁其它7路输入，即使EI=1。v第8路抢答成功后显示“8”的实现v74LS47有个测灯输入端LT（3端），当此信号输入低电平时，显示“8”。把U6:C输出连接到74LS47的LT端，复位后由于U6:C的一路输出为0（来自U6:B，即17路无抢答），另一路来自U5:A，使其在第8路抢答时为0，即把第8路抢答时低电平输入接至U5:A的异步置位端，U5:A的接到U6:C的输入即可。v第8路抢答成功

27、后对17路的封锁vU6:C输出的低电平一方面直接给74LS47的LT，使其显示“8”，另一方面经反相器U9后变高送给或门U6:D，使其为高，接入EI，封锁74LS148的输入。v(6)蜂鸣电路v这部分要求，“开始”按钮一按下，发出一声短促的“嘀”声。考虑用555组成单稳态电路，产生一个一定宽度的正脉冲，输出驱动蜂鸣器发音。图4-19 输入、输出电阻测量原理图01011121231341526374EI5EO15A09A17A26GS14U174LS148S8S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7D2Q5CLK3Q6S4R1U2:A74LS74R1200D1D12Q9CLK11Q8S10R13

28、U2:B74LS74D2Q5CLK3Q6S4R1U3:A74LS74D12Q9CLK11Q8S10R13U3:B74LS74A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U474LS4710k8D2Q5CLK3Q6S4R1U5:A74LS74123U6:A74LS32BUZ1BUZZERD12Q9CLK11Q8S10R13U5:B74LS7410k10k复位开始R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U7555R21000kC10.47uFC20.01uFD2Q5CLK3Q6S4R1U8:A74LS74456U6:B74LS329108U6:C74LS32U9NOT121311U6:D74LS32v关于声音的输出，Proteus提供了三个仿真元件，即SPEAKER、SOUDER和BUZZER，分别由模拟量信号、数字量信号和直流电源来驱动，使用时要注意适当修改它们的电压才能使其正确工作。v555接成单稳态电路，触发端TR（2端）接开始按钮，当开始按钮按下时产生一个短暂的低电平，触发单稳态电路，输出3端产生一个固定宽度的高电平，此信号给蜂鸣器，使之产生一声“嘀”的声响。改变555电路中R2和C1的参数，可改变声音的长短。