1、实用数字电子技术项目教程项目一 照明自动控制电路制作 项目任务 知识链接 任务原理分析 知识拓展项目任务 一、电路原理图和实物图 二、器件清单 三、制作步骤 四、注意事项一、电路原理图和实物图下图所示为照明灯的自动控制电路原理图。下图所示为照明灯的自动控制电路实物图。二、器件清单下表中列出了实物图电路板中需要用到的所有元器件。三、制作步骤（1）在单面印制板上安装电路元器件。（2）在白天自然光线照射下，照明灯应熄灭，测试门G1A和G1B的输入、输出电压。（3）挡住照射到光敏三极管上的光线，照明灯应点亮，测试G1A和G1B的输入、输出电压。（4）将电阻R3的值改为200 或5.1 k，观察照明灯的
2、亮度变化，并注意测量G1B的输出电压。（5）断开门G1A和门G1B的连线，单独测试门G1B的电压传输特性。（6）在合上开关K1，振荡器停振的情况下，观察照明灯的变化情况。表1-2所示为测试数据记录表。四、注意事项（1）不能带电插拔集成电路元件。插拔前，一定要先切断电源。（2）注意正确安装极性电容、二极管、光敏三级管、集成电路和继电器。（3）焊接时要注意检查电烙铁是否漏电以及设备是否带静电，以确保人身安全，防止损坏集成电路。知识链接 一、TTL集成电路 二、集电极开路输出门（OC门）三、光敏三极管 四、电磁继电器一、TTL集成门电路TTL（Transistor-Transistor Logic）
3、电路是目前双极型数字集成电路中使用最多的一种。由于这种数字集成电路的输入级和输出级都采用了半导体三极管，所以一般称为晶体管晶体管集成逻辑门电路，简称TTL电路。TTL集成电路具有生产工艺成熟、产品质量稳定、工作性能可靠、开关速度快等优点，因而得到广泛应用。（一）TTL与非门的电路组成与非门是一种最基本的、应用最广泛的集成门电路，任何逻辑运算都可以用与非门实现。下图所示为典型与非门74LS00的实物图和引脚图，此集成电路是双列直插式外形，共有14个引脚，将凹槽置于左方，引脚向下，左下角处的是引脚1，其余引脚按逆时针方向顺序编号，7脚接地（GND），14脚接电源（VCC）。74LS00共有4个与非
4、门，可以使用其中一个，也可以一起使用，使用前一定要先将此芯片的电源接上。如下左图所示为74LS00的电路，与其对应的与非门逻辑符号如下右图所示，A、B为逻辑输入端，Y为逻辑输出端。为了提高工作速度，LSTTL电路内部利用了肖特基二极管的特性，组成了抗饱和型的肖特基三极管，有效地减轻了三极管的饱和深度，这种技术叫做抗饱和技术。肖特基二极管的正向压降约为0.30.4 V，且开关时间极短（小于普通开关二极管的十分之一）。肖特基二极管的符号、肖特基三极管的电路和符号如下图所示。当三极管饱和时，集电结正偏，肖特基二极管导通，将集电极正向偏压钳制在0.30.4 V之间，使三极管处于浅饱和状态（或称抗饱和状
5、态）。另外，由于肖特基三极管的分流，三极管基极电流减小，饱和深度降低，开关时间减少，工作速度提高。LSTTL与非门电路由输入级、中间倒相级和输出级三部分组成。1输入级输入级由电阻R1和肖特基二极管VD1、VD2、VD3、VD4组成。VD1和VD2为输入端钳位二极管，它们能限制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，以保护输入级。当输入端信号为正时，二极管截止，不起作用。输入级可以完成与逻辑功能。2中间倒相级中间倒相级由V2、R2、V6、R3和R6组成，它的作用是将输入级送来的信号分成两路输出：一路由V2的发射极输出，它与基极输入信号同相，并供给输出管以必要的驱动电流；另一路由V2的集电极输出，它与基极
6、输入信号反相。V6、R3和R6组成V5的有源泄放网络，当V5由饱和状态退出时，其基极的过剩电荷可通过有源泄放网络泄放，开关时间减少，可改善瞬态特性，提高工作速度。3输出级输出级由V3、V4、V5、VD5、VD6、R4、R5组成。其中，V3和V4为达林顿上拉电路，V4它和V5组成推拉式输出电路，R5为限流电阻。推拉工作方式有利于提高工作速度、减少功耗和提高带负载能力。（二）TTL与非门的工作原理1输入有低电平时，输出为高电平设输入端A为低电平0.35 V，B为高电平3.4 V。由右图可知，与A端相连的肖特基二极管VD3正偏，流过R1的电流IR1通过VD3流入输入端A。假设UVD3=0.35 V，
7、则UB2=0.7 V，三极管V2、V5、V6截止，UC2约为5 V，V3和V4导通，此时电路输出高电平，即UOH=UC2-UBE3-UBE4 5-0.7-0.7=3.6 V。考虑到R4上存在的电压，应产生一定的电流，V3的基极也有一定的电流，在R2上会产生一定的压降，则实际的输出高电平约为3.4 V。在此状态下，输出管V5截止，故称截止状态或关门状态。2输入全为高电平时，输出为低电平若输入全为高电平3.4 V，则VD3、VD4截止，电源电压VCC通过电阻R1向V2注入基极驱动电流，使V2饱和，V2导通后，就向V5的基极注入电流，使V5管工作于抗饱和状态，故输出低电平UOL 0.35 V。这时U
8、E2=0.7V，UC2=UE2+UCES2=1 V，UC2这个电压不足以使V3和V4都导通，所以V4截止，输出端和电源之间可看成开路，减少了电路功耗。此时，输出管V5饱和导通，故称为导通状态或开门状态。由以上分析可知，当电路的任一输入端有低电平时，输出为高电平；当输入全为高电平时，输出为低电平，即有0出1，全1出0。电路的输出和输入之间是与非逻辑关系，即YAB（三）TTL与非门的外部特性1电压传输特性电压传输特性是指在空载的情况下，输出电压uO随输入电压uI变化的关系曲线，即 。图1-7所示为LSTTL与非门电压传输特性的测试电路和电压传输特性曲线。从电压传输特性曲线上可以看出，当输入信号偏离
9、低电平0.35 V而上升时，输出的高电平并不立即下降。同样，当输入信号偏离高电平3.4 V而下降时，输出的低电平也不立即上升。Io()uf u因此，在数字系统中，即使有噪声电压叠加到输入信号的高、低电平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，就不会影响输出的逻辑状态，通常把这个界限叫做噪声容限。由电压传输特性不仅可以知道TTL与非门输出高电平、低电平的值，还可以求出阈值电压、开门电平、关门电平和噪声容限。（1）阈值电压UTH阈值电压是输出由高电平变为低电平，或由低电平变为高电平的分界线所对应的输入电压的值，也是V5管截止和饱和的分界线。实际上，电压传输特性的转折区是有一定范围的，阈值电压就是转
10、折区中点所对应的输入电压值。（2）关门电平UOFF关门电平是指在空载的情况下，输出电压达到生产厂家所规定的高电平的下限值（即标准高电平USH）时，所允许的最大输入电平值，通常用UOFF表示。它是输入端的特性参数。（3）开门电平UON开门电平是指在电路带有额定负载的情况下，输出电平达到低电平的上限值（即标准低电平USL）时，所允许的最小输入电平值，通常用UON表示。它也是输入端的特性参数。（4）噪声容限由于输入低电平和高电平的抗干扰能力不同，因此有低电平噪声容限UNL和高电平噪声容限UNH之分。噪声容限越大，抗干扰能力越强。当输入低电平时，虽有外来正向干扰，但输入信号的总值只要不超过UOFF，电
11、路的关门状态就不会受到破坏。故UNL=UOFFUSL当输入高电平时，虽有外来正向干扰，但输入信号的总值只要不低于UON，电路的开门状态就不会受到破坏。故UNH=USHUON2输入伏安特性输入伏安特性是指输入电流随输入电压变化的关系曲线。下图8（a）所示为输入伏安特性的测试电路，下图（b）所示为LSTTL与非门的输入伏安特性曲线。当uI=0时，LSTTL与非门内部电路中的V2是截止的，电阻R1的电流全部流入输入端，电流IIS称为输入短路电流，这里的“”号表示实际电流方向与参考电流方向相反，指从输入端流出来。随着uI的增加，iI的绝对值在减小，当uI 1 V时，V2开始导通，IR1的一部分流入V2
12、的基极，iI的减小速度加快，当uI足够大时，iI的方向由负变为正。此时，肖特基二极管反偏，iI为反向截止电流，方向和参考方向一致，数值小于20。以后uI继续增加，iI仅有微小增加，可以认为基本不变。CCVD3IIS150.35mA0.23 mA20VUiIR 3输入端负载特性输入端负载特性是指输入端对地接上电阻RI时，输入电压uI随RI变化的关系曲线。输入端负载特性的测试电路如下图（a）所示，输入端负载特性曲线如下图（b）所示。由上图（b）可以看出，当uI较小时，uI随RI的增大而上升，但当输入电压uI上升到1 V左右时，再增加RI的值，由于uB2限制在1.4 V不变，因此uI=uB2-uVD
13、1 V也将保持不变。这时，V2、V5饱和导通，输出为低电平0.35V。（1）关门电阻ROFF由图1-9（b）可知，当RI较小时，uI UOFF。当uI=UOFF时，所对应的RI值称为关门电阻ROFF。若RIROFF，则uI RON时，iB2足够大，V2、V5饱和导通，输出低电平UOL=0.35 V。因此，当输入端所接电阻RI RON时，输入端相当于接高电平，输出为低电平；当输入端所接电阻RI ROFF时，输入端相当于接低电平，输出为高电平。4输出特性输出特性是指输出电压uO随负载电流（输出电流）iL变化的关系曲线。（1）输出高电平（带拉电流负载）时的输出特性TTL与非门输出高电平时的输出特性的
14、测试电路和特性曲线如下图所示。由图（b）可以看出，当uI=0.35 V，空载时的输出电压为uO=3.4 V；当负载电流较小时，uO将随iL的增大而下降。74LS00输出为高电平时，允许的拉电流为4 mA左右，大于此值时，uO下降较快，可能会低于允许的标准高电平。（2）输出低电平（带灌电流负载）时的输出特性当输入全为高电平时，TTL与非门导通，输出为低电平。此时，V5管饱和，基极电流恒定，V3和V4截止，V5集电极电流即为负载电流，从外电路灌入V5管。因此，输出特性就是一个三极管在基极电流恒定时的共射接法的输出特性曲线。TTL与非门输出低电平时的输出特性的测试电路和特性曲线如下图所示。74LS0
15、0输出为低电平时所允许的灌电流较大，约为8 mA左右。（四）TTL集成门电路的主要参数表1-3列出了常见TTL集成门电路的主要参数。（五）TTL集成门电路多余输入端的处理1TTL与门、与非门多余输入端的处理对于TTL与门电路，只要电路输入端有低电平输入，输出就为低电平；只有输入端全为高电平时，输出才为高电平。对于TTL与非门而言，只要电路输入端有低电平输入，输出就为高电平；只有输入端全部为高电平时，输出才为低电平。由于当某输入端外接高电平时对其逻辑功能无影响，因此这两种TTL集成门电路可以采用以下4种方法来处理多余输入端。（1）将多余输入端接高电平，即通过限流电阻与电源相连接。（2）根据TTL
16、门电路的输入特性可知，当外接电阻为大电阻时，其输入电压为高电平。这样可以把多余的输入端悬空，此时，输入端相当于外接高电平。（3）通过大电阻接地，这也相当于输入端外接高电平。（4）当TTL门电路的工作速度不高，信号源驱动能力较强时，多余输入端也可以与使用的输入端并联使用。2TTL或门、或非门多余输入端的处理对于TTL或门电路，只要输入端有高电平，输出就为高电平；只有输入端全部为低电平时，输出才为低电平。对于TTL或非门而言，只要输入端有高电平，输出就为低电平；只有输入端全部为低电平时，输出才为高电平。结合上述逻辑功能可知，TTL或门、或非门可以采用以下方法来处理多余输入端。（1）接低电平；（2）
17、接地；（3）和其他输入端并接。（六）TTL数字集成电路的分类TTL数字集成电路的分类情况如表1-4所示。表1-4中介绍的“74”系列TTL都是民用产品，除此以外，TTL还有“54”系列的军用产品，两者的区别主要在于工作环境温度范围和电源允许的变化范围不同。二、集电极开路输出门（OC门）（一）OC门的电路组成在TTL电路中有一种集电极开路（Open Collector）输出结构的门电路，称为集电极开路输出门，简称OC门。典型LSTTL集电极开路与非门的电路和逻辑符号如下图所示。（二）OC门的主要用途（1）实现“线与”功能，即几个OC门的输出端可以直接连接，输出端通过一个公用负载电阻RL连接到电源
18、 上，如下图所示。一般的TTL门电路是不允许直接将输出端连接在一起的。ccV（2）OC门可以实现电平转换，其输出的高电平电压值由外电源 决定。（3）OC门可以驱动一些较大电流的执行机构。例如六高压OC输出反相缓冲器/驱动器74LS06，其输出低电平电流可达40 mA，可高达30V。三、光敏三极管光敏三极管是一种具有放大能力的光电转换三极管，广泛应用于各种光控电路中。当无光信号照射时，光敏三极管处于截止状态，无信号输出。当有光信号照射其基极（受光窗口）时，光敏三极管将导通，从发射极或集电极输出放大后的电流信号。光敏三极管一般只有集电极C和发射极E两个引脚，基极B为受光窗口（已在管内连接）。通常，
19、较长（或靠近管键一端）的引脚为E，较短的引脚为C。下图所示为光敏三极管的实物图和符号。在使用光敏管时，不能从外形来区分是二极管还是三极管，只能由型号来决定。四、电磁继电器电磁继电器是一种能够用较小电流控制较大电流的自动控制器件，在电路中起着自动调节、安全保护、转换等作用，如下图所示。（一）工作原理电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等部分组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而使动合型触点（常开触点）闭合，动断型触点（常闭触点）断开。当线圈断电后，电磁吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的作用下
20、返回原来的位置，从而使动断型触点、动合型触点恢复到原来闭合或分开的状态。应用时只要把需要控制的电路接到触点上，就可以利用继电器达到控制的目的。（二）特性参数电磁继电器的主要特性参数如下：1额定工作电压（或电流）额定工作电压（或电流）指的是继电器正常工作时线圈所需要的电压（或电流）。同型号继电器的构造大体是相同的。为了适应不同电路对电压（或电流）的要求，一种型号的继电器通常有多种额定工作电压（或电流），并用规格代号加以区别。2直流电阻此参数是指继电器中线圈的直流电阻。有些产品说明书中给出额定工作电压和直流电阻，这时可根据欧姆定律求出额定工作电流。若已知额定工作电流和直流电阻，亦可求出额定工作电压
21、。3吸合电流此参数是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在实际使用中，要使继电器可靠吸合，给定电压可以等于或略高于额定工作电压。一般不要大于额定工作电压的1.5倍，否则可能会烧毁线圈。4释放电流此参数是指继电器产生释放动作的最大电流。如果减小处于吸合状态的继电器的电流，当电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电时的状态，这个过程称为继电器的释放动作。释放电流远远小于吸合电流。5触点负荷此参数是指继电器触点所允许的电压或电流。它决定了继电器所能控制电压和电流的大小。实际应用时不能用触点负荷小的继电器去控制大电流或高电压。例如，JRX-13F电磁继电器的触点负荷是0.02 A12 V，就不能用
22、它去控制220 V电路的通断。（三）形状及电路符号继电器线圈在电路中用一个矩形框符号表示。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在矩形框一侧；另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号。下图所示为电磁继电器的电路符号。（四）触点形式电磁继电器的触点有三种基本形式。（1）动合型（H型）线圈不通电时，两个触点是断开的；通电后，两个触点就闭合。用“合”字的拼音字头“H”表示。（2）动断型（D型）线圈不通电时，两个触点是闭合的；通电后，两个触点就断开。用“断”字的拼音字头“D”表示。（3）转换型（Z型）此为触点组型。这种触点
23、组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开，和另一个静触点闭合；线圈通电后，动触点就会移动，使原来断开的触点组变成闭合，使原来闭合的触点组变成断开状态，以达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“Z”表示。此外，一个继电器还可以有一个或多个触点组，但均不外乎以上三种形式。在电路图中，规定触点和触点组一律按不通电时的状态画出。（五）选用原则（1）先了解必要的条件，如控制电路的电源电压，能提供的最大电流；被控制电路中的电压和电流；被控电路需要几组、什么形式的触点等。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应
24、能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。（2）查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出匹配的继电器型号和规格。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用，最后考虑尺寸是否合适。（3）注意器具的容积。对于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板的安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置等，则应选用超小型的继电器产品。任务原理分析 一、当外来光线较强时，照明灯不亮 二、当外来光线较暗时，照明灯自动点亮并闪烁 三、当外来光线较暗时，合上开关K，照明灯常亮根据三种可能出现的情况，现将照明灯自动控制电路（下图）的工作原理分析如下：一、当外来光线较强时，照明灯不亮当
25、外来光线较强时，光敏三极管流过较大电流，门G1A的1脚输入电压为低，门G1A的输出为高，则门G1B的输出电压为低，发光二极管L1不亮。OC门输出为高，继电器线圈K不得电，动合触点不闭合，照明灯L2不亮。二、当外来光线较暗时，照明灯自动点亮并闪烁当外来光线较暗时，光敏三极管截止。门G1A的1脚输入电压为高。G1C、GID构成多谐振荡器，门G1A的2脚为矩形振荡波，高低电平交替变化。门G1A、G1B的输出也为矩形振荡波，高低电平交替变化，所以发光二极管L1闪烁。OC门输出也是高低电平交替变化。当OC门输出为高电平时，继电器线圈K不得电，动合触点不闭合，照明灯L2不亮。当OC门输出为低电平时，继电器
26、线圈K得电，动合触点闭合，照明灯L2亮。因此，照明灯L2是闪烁的，和发光二极管L1同步变化。三、当外来光线较暗时，合上开关K，照明灯常亮当外来光线较暗时，光敏三极管截止。门G1A的1脚输入电压为高。由于开关K1合上，所以门G1D的12脚输入电压为0 V，门G1D的输出电压为高，即门G1A的2脚输入电压为高，门G1A的输出为低，门G1B的输出电压为高，发光二极管L1常亮。OC门输出为低，继电器线圈K得电，动合触点闭合，照明灯L2常亮。在这里需要指出的是继电器的触点不仅可以控制直流回路，同时也可以控制交流回路。继电器旁并联的二极管为续流二极管，用以抑制OC门由导通变为截止瞬间由继电器线包产生的感应
27、电压，保护OC门不被击穿。知识拓展 一、三态门 二、CMOS集成电路一、三态门三态门（即Tristate Logic，简称TSL）是在普通门电路的基础上附加使能控制端和控制电路而构成的，它的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态高阻态（或称禁止状态）。以三态输出与非门为例，有两种典型的逻辑符号，如下图所示。（一）三态门的逻辑功能在（a）图中，当三态与非门的使能控制端为高电平时，电路处于工作状态，这种三态门称为高电平有效的三态门。在（b）图中，当三态与非门的使能控制端为低电平时，电路处于工作状态，这种三态门称为低电平有效的三态门。表1-5和表1-6分别为这两种三态与非门的真值表。三态门可以
28、实现用同一根数据总线传送几组不同的数据或控制信号，如下图所示。（二）三态门的用途通常把接受信号的L-M线称为母线或总线。只要、按时间顺序轮流出现低电平，那么三态门输出的三组信号就会轮流送到总线上。这种用总线传送数据或控制信号的方法，在计算机中得到广泛应用。二、CMOS集成门电路CMOS集成门电路由绝缘栅场效应管组成，是互补MOS电路，它具有功耗低、集成度高、制造工艺简单等优点，但工作速度较低。CMOS型逻辑门电路和TTL型的功能基本一致。（一）CMOS集成非门电路结构CMOS集成非门又称CMOS反相器，它的电路组成和符号如图所示。VN是NMOS管，源极接地，称为驱动管；VP是PMOS管，源极接电源+VDD，称为负载管。两管的栅极相连，作为输入端A，两管的漏极相连，作为输出端Y。当A为高电平时，VN管导通，VP管截止，输出端Y为低电平。当A为低电平时，VP管导通，VN管截止，输出端Y为高电平。综上可知，CMOS集成非门的输出与输入符合“非”逻辑关系，即 。YA（二）TTL集成电路与COMS集成电路的主要区别 谢谢大家谢谢大家
