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1、2 毕业设计（论文）数字电路学习机的设计与实现专业（系） 电气工程系 班 级 学生姓名 指导老师 完成日期 0目 录第1章 任务与要求21.1课题概述21.2设计内容与要求21.3参数要求2第2章 引 言32.1研究背景32.2论文研究目标和意义3第3章 方案论证与设计43.1 总体设计分析43.2 方案的选择与设计43.2.1 电源电路43.2.2 逻辑电平开关电路43.2.3 逻辑电平显示电路53.2.4 数码管显示电路53.2.5 555检测电路53.2.6 时钟与分频电路53.2.7集成数字IC电路5第4章 硬件电路设计64.1 原理分析64.1.1 电源电路64.1.2 555检测电
2、路74.1.3 逻辑电平开关电路94.1.4 逻辑电平显示电路94.1.5 数码管显示电路124.1.6 时钟与分频电路17第5章 电路调试195.1调试的设备195.2调试步骤195.2.1 电源模块调试195.2.2 逻辑开关与显示电路模块调试195.2.3 数码管显示调试195.2.4 555检测电路调试205.2.5 时钟与分频电路调试205.2.6集成数字IC电路20第6章 使用说明216.1 使用方法216.2 注意事项216.3 故障分析216.3.1 电源模块216.3.2 逻辑开关与显示模块216.3.3 数码管显示模块226.3.4 555检测电路模块226.3.5 时钟与
3、分频电路模块22参考文献23致谢24附件一：25 30摘 要数字电路是一门电子技术专业的基础课程，在基本概念和基本方法方面，逻辑代数基本定律、组合逻辑和时序逻辑的概念是分析和设计数字系统的基础，也是设计大规模集成芯片的基础，中、大规模集成电路已成为数字系统的主体，因此，数字电路学习机是一个不可或缺的学习工具。本学习机包括了五个基本功能模块，分别是电源模块、逻辑电平开关电路与显示电路、数码管显示电路、集成数字IC电路、555芯片测试电路、时钟与分频电路。电源模块为电路与其他模块提供电源。数码管显示电路是四位二进制BCD码输入显示10进制数也可以调整为直驱数码管也可以通过反相器使其变成共阳显示。在
4、电子技术实验教学过程中发现数字电路实验箱上电平指示灯不能区分高电平和高阻抗输入,原因是设计上的先天不足。为方便学生对实验现象的理解,在数字电路实验箱内部空间和线路板允许的前提下,本文针对数字电路实验箱存在的问题,提出了改进方法,文章阐述改进方案及相关电原理图。改进后数字电路实验箱既能指示高低电平输入,也能区分高电平和高阻抗输入,提高了教学效果。【关键词】数字电路;电源;时钟分频;555检测;数码管显示电路AbstractDigital circuit is a professional basic course of electronic technology, the basic conce
5、pt and the basic method of logic algebra, basic law, combinational logic and sequential logic concept is the analysis and design of digital system based, is also the design of large-scale integrated chip based, in large scale integrated circuit, has become the subject of digital system, therefore, d
6、igital circuit learning machine is an indispensable tool for learning.The learning machine includes five basic function modules, respectively is the power supply module, a logic level switch circuit and display circuit, digital display circuit, integrated digital IC testing circuit, 555 chip test ci
7、rcuit, a clock divider circuit with.Power module circuit and other modules to provide power. Digital tube display circuit is a four bit binary BCD code input display 10 hex numbers can also be adjusted for direct drive digital control can also be achieved through the inverter make it into a total di
8、splay.In electronic technology experiment teaching process found in the digital circuit experiment box level indicator lamp cannot distinguish between a high level and a high input impedance, reason is the design be congenitally deficient. For the convenience of students on the experimental phenomen
9、on of understanding, in the digital circuit experiment box interior space and the circuit board is allowed under the premise of the digital circuit experiment box, aiming at the existing problems, puts forward the improved method, the article expounds the improving scheme and related electrical sche
10、matic diagram. Improved digital circuit experiment box can indicate low level input, are able to distinguish between a high level and a high impedance input, improve the teaching effect. Key words digital circuit power supply clock divider 555 detection digital tube display circuit第1章 任务与要求1.1课题概述数字
11、电路实验箱是进行数字电子技术课程学习必不可少的工具，为学生理解数字逻辑电平的概念、测试逻辑电路的功能、搭建简单的数字电路等提供了有利的条件。我校数字电子实验室的ELL-3型数电逻辑实验箱功能比较简单，并且数量不多，导致实验时2-3位同学共用一个实验箱，严重影响了学生的学习积极性，教学效果不佳。市售的数字逻辑实验箱价格昂贵，功能和我校数字电子技术课程教学内容不完全匹配。因此，本课题意在设计一款能够满足我校数字电子技术课程改革需求的、价格实惠的多功能数字电路学习机。1.2设计内容与要求（1）绘制系统组成框图，确定设计方案。（2）使用protel软件绘制各模块电路原理图，并分析其工作原理。（3）使用
12、protel软件绘制整机电路原理图。（4）制作实物并进行电路的调试。（5）提交毕业设计说明书。1.3参数要求（1）电源输入：交流220V10%。（2）电源输出：直流 +12V/200mA 和+5V/2A。（3）基本功能模块包括：逻辑电平开关电路、逻辑电平显示电路、数码管显示电路、集成IC测试电路、555测试电路、时钟与分频电路。（4）扩展功能：为设计和搭建数字电路提供条件的其他电路。第2章 引 言2.1研究背景我校数字电子实验室的ELL-3型数电逻辑实验箱功能比较简单，并且数量不多，导致实验时2-3位同学共用一个实验箱，严重影响了学生的学习积极性，教学效果不佳。市售的数字逻辑实验箱价格昂贵，功
13、能和我校数字电子技术课程教学内容不完全匹配。2.2论文研究目标和意义因此，本课题意在设计一款能够满足我校数字电子技术课程改革需求的、价格实惠的多功能数字电路学习机。第3章 方案论证与设计3.1 总体设计分析本学习机主要包括逻辑电平开关电路、逻辑电平显示电路、数码管显示电路、集成IC测试电路、555测试电路、时钟与分频电路共六个模块。通过各模块的组合可实现多个实验的测试。3.2 方案的选择与设计3.2.1 电源电路方案一：线性电源。优点：反应速度快，输出纹波较小；工作噪声低；缺点：体积大，重量大，效率较低，发热量大。方案二：开关电源。优点：体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的2030%）、效
14、率高（一般为6070%，而线性电源只有3040%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。缺点：输出波纹大，故障时输出电压失控升高，容易烧毁设备。严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。方案确定：由于开关电源的输出纹波大，而且开关电源的故障可能性较高，输出电压失控，容易烧毁设备。3.2.2 逻辑电
15、平开关电路方案一：无按键消抖。方案二：利用电容的放电延时，采用并联电容法，实现硬件消抖。方案确定：通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。这种抖动会影响信号的输出，所以我们选用方案二来减小干扰。3.2.3 逻辑电平显示电路方案一：利用LM339芯片组成一个电压比较电路，外加发光二极管来进行高低电平的显示。方案二：三极管来实现可以降低成本用两个互补对称的三极管来实现高电平，低电平，高阻态的显示。方案确定：
16、方案二相对方案一更加实用，且成本较低。3.2.4 数码管显示电路方案一：不带译码部分的数码管显示模块。方案二：具有译码功能的数码管显示模块。方案确定：将译码功能整合到数码管显示模块中使使用者操作更加方便。3.2.5 555检测电路利用555构成多谐振荡电路，驱动两个发光二极管来判断芯片的好坏。此电路原理简单，而且直观可靠。3.2.6 时钟与分频电路方案一：晶振分频采用标准晶振对它分频然后整形输出分频采用的是CD4060而整形采用的是74hc74（D触发器）2，4分频输出可以同开关选择CD4060的几分频输出就可以实现多频率选择频率了。方案二：555多谐振荡价格便宜，电路简单，内部的比较器灵敏度
17、较高，而且采用差分电路的形式，它的震荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，将输出信号接入分频芯片，即可实现分频。方案确定：方案二的成本较低，而且抗干扰的能力较强，产生的信号可调，维修也比较方便。3.2.7集成数字IC电路方案确定：此电路较为简单，电路主要包括实验所用的所有芯片，为其他模块提供芯片支持。第4章 硬件电路设计4.1 原理分析4.1.1 电源电路电源电路为整个设备提供电源，如图4.1.1 220V交流电经两个变压器降压，桥堆整流，电容滤波，7805和7912稳压块稳压，电容二次滤波得到标准的输出。图4.1.1电源电路滤波电容的大小通常比较多的是根据电源滤波输出波纹系数这个公式来计算滤
18、波电容。C 0.289/f（U/I）ACv=0.289/50*(12/0.5)*0.2= 0.000701。 所以滤波电容取1000uf，而滤波电容所跟的抵消电解电容的感抗的瓷片电容取0.1uf。在78 * 、79 * 系列三端稳压器中最常应用的是TO-220 和TO-202 两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如图4-5所示。 从正面看引脚从左向右按顺序标注，接入电路时脚电压高于脚，脚为输出位。如78*系列的三端稳压管一脚输入 二脚接地三脚输出，如下图图表4-2所示。对79*负压系列，脚接地，脚接负电压，输出都是脚。4.1.2 555检测电路设计一个能检测555芯片好坏的电路，如
19、图4-1。主要思路为采用NE555构成多谐振荡器产生信号脉冲，当3脚为低电频时，LED1亮，LED2暗；当3脚为高电频时，LED2亮，LED1暗。调节R2可以改变发光二极管的闪光频率，T=0.7（R 1+2R 2）C。电路原理图如图4.2-1。图4.2-1 555检测电路NE555引脚位配置说明下： NE555接脚图Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电
20、源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LO
21、W，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。 NE555的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的
22、操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。4.1.3 逻辑电平开关电路通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。抖动的时间与开关的机械特性有关，一般为510ms。当开关未闭合时，电容通过RC回路充电，使得电容充满电荷。当开关闭合后，利用电容两端电压无法突变的
23、特性实现延时去抖，电容通过RC回路放电。因此在按键两端并联上一个电容和在输出端加上一个上拉电阻可减小抖动。如图4.1.3。 图4.1.34.1.4 逻辑电平显示电路本电路主要功能进行高低电平显示，在一个输入端有3种状态：高电平，低电平，高阻态。当输出端无信号处于开路状态时，三极管全截止，发光二极管灭灯，指示为高阻态；当输入高电平时，Q11导通，Q12继续截止，D11灯亮，指示高电平状态；当输入为低电平时，Q12导通，Q11截止，D12灯亮，指示为低电平状态，完成三态显示。如图3.1.4。图3-109012是一种最常用的普通三极管。它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管。集电极电流Ic
24、：Max -500mA。集电极-基极电压Vcbo：-40V。工作温度：-55 to +150。9012管脚图如下：9013是一种最常用的普通三极管。它是一种低电压,大电流,小信号的NPN型硅三极管。 特性特性特性特性。集电极电流Ic：Max 500mA。 集电极-基极电压Vcbo：40V。 工作温度：-55 to +150。 功率(W):0.625。 9013管教图如下：4.1.5 数码管显示电路此电路包含两个部分，一个是数码管，将信号显示出来；另一个部分是译码部分，是将输入信号进行编译送到数码管显示。D4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具
25、有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。如图3.1.5。图3.1.5数码管显示电路CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图 2 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，
26、高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取,电源电压5V时可使用300的限流电阻。连接方法如下图：CD4511 引 脚 图其功能介绍如下：BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态
27、如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。1. CD4511的引脚 图3.1.5 CD4511的引脚CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。其引脚图如3-2所示。 各
28、引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。 1.CD4511的工作原理 CD4511的工作真值表如下表：2.锁存功能 （1）码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。如图3-3（3）译码 CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输
29、入数 据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。 （4）消隐 BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路如图3-4所示。 消隐输出J的电平为 J=（C+B）D+BI如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。8421 BCD 码对应的显示见下图：4.1.6 时钟与分频电路此电路可将产生的信号进行分频，得到不同频率的信号。如图3.1.7，第一部分由NE555构成的多谐振荡电路，第二部分为一个分频芯片，Q0、Q1、Q2、Q3、Q4分别可输出2、
30、4、8、16分频的信号。OUT1可输出可调的脉冲信号。图 3.1.7 时钟与分频电路将/CP1 与Q0 连接，计数脉冲由/CP0 输入。在Q0、Q1、Q2、Q3 得到二、四、八、十六分频。293 为二，八，十六进制计数器，共有 54/74293 和 54/74LS293 两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别):异步清零端 MR1,MR2 为高电平时，不管时钟端（/CP0、/CP1）状态如何，即可以完成清零功能。当 MR1,MR2 中有一个为低电平时，在/CP0、/CP1 脉冲下降沿作用下进行计数操作：a) 将/CP1 与 Q0 连接，计数脉冲由/CP0 输入。在
31、Q0,Q1,Q2,Q3 得到二、四、八、十六分频。b) Q0 为二分频输出，Q1Q3 为八分频输出。引出端符号：/CP0二分频时钟输入端（下降沿有效）/CP1八分频时钟输入端（下降沿有效）Q0Q3输出端,MR1,MR2异步复位端外部管腿图：逻辑图：第5章 电路调试由于元器件参数的分散性和装配工艺分布参数的影响。往往需要经过认真细致的调试才能使之正常工作并达到设计要求的各项性能指标。5.1调试的设备检测频率模块信号发生器一台检测脉冲模块示波器一台电源显示电源一套电源模块万用表一个5.2调试步骤电源模块是整个设备的核心，最先我们将对电源模块进行调试，时钟与分频模块和555检测电路将整合在一起调试，
32、因为这两个模块会用到示波器。然后在对剩下的模块进行调试5.2.1 电源模块调试首先检查各支路是否有短路现象，电容及三极管极性是否正确，确认无误后可上电测试，可用示波器测输出波形，观察波形是否平整测出输出的参数与参考参数是否吻合。5.2.2 逻辑开关与显示电路模块调试上电前用表的欧姆档来检测模块输入输出是否短路，仔细检查电路是否有接线错误然后在线测试。开关输出电压显示高低5-0v。开显示电路上电前准备同上。有可调电源调试0-5v理论值红亮区间5-2.7v绿灯亮区理论值2.2-0v而2.7-2.2v全灭区。5.2.3 数码管显示调试首先检查各支路是否有短路现象，用逻辑开关输出给数码显示4个脚abc
33、d。开关输出全为低电平的时候观察他是否为零。通过控制开关电平可以控制数码管显示为一个数。5.2.4 555检测电路调试首先检查各支路是否有短路现象，用示波器检测输出波形是否稳定，确认无误上电观察LED灯是否交替闪烁。5.2.5 时钟与分频电路调试首先检查各支路是否有短路现象，用示波器检测Q0、Q1、Q2、Q3输出端是否分频成功。5.2.6集成数字IC电路主要测试各芯片的好坏，以便芯片在其他模块中使用。第6章 使用说明6.1 使用方法1整齐的布线极为重要，它不但使检查、更换组件方便，而且使线路可靠。布线时，应在组件周围布线，并使导线不要跨过集成电路。同时应设法使引线尽量不去覆盖不用的孔，且应贴近
34、插座板表面。在满足上述要求条件下，尽可能使引线短些。为了布线整洁，便于检查，应采用不同颜色的引线来区分不同性质的信号。在布线密集的情况下，镊子对于嵌线和拆线是很有用的。在截取引线时，用小剪刀斜放着截取，使导线断面呈尖头。截取长度必须适当，引线两端绝缘包皮可用小剪刀或剥线钳剥去24mm为宜。一根引线经过多次使用后，线头易弯曲，以致很难再插入插座板孔内，因此必须把它弄直，不然干脆把它剪去，重新剥出一个线头。2布线的顺序通常是首先接电源线和地线，再把不用的输入端通过一只1K的电阻接到电源正极或地线上，然后接输入线、输出线及控制线。尤其要注意对那些尚未熟悉的集成电路，把它们接到电源和地线之前，必须反复
35、核对管脚连接图，以免损坏组件。6.2 注意事项1如需进行电路接线，必须断开操作板与插座板连接的“VCC”连线，以免带电操作。2组件输出切勿与电源线或地线短路。3实验完毕后，整理数据，经指导老师审阅、同意后，再将电路连线拆除，并整理好放在实验箱内。6.3 故障分析6.3.1 电源模块电源输出参数与要求参数有较大的差异，且电压不稳定。在更换几个稳压块之后才恢复正差值。6.3.2 逻辑开关与显示模块刚开始的时候，逻辑开关电路并未加入防抖，所以当需要从开关电路接出信号时会有干扰。最终我们从网上查阅资料，在开关两端并联一个电容，输出得到了很大的改善。6.3.3 数码管显示模块此电路电路连线较多，所以很容
36、易发生短路和漏焊的现象，经过多次焊接和测试完成了此模块。6.3.4 555检测电路模块该电路主要功能是测试555芯片的好坏，电路初次焊接成功检测时，LED灯已能交替闪烁。所以并不需要对其他参数的测试。6.3.5 时钟与分频电路模块我们采用的是555多谐振荡电路产生的脉冲信号才经过分频芯片进行分频，所以存在是主要问题是555多谐振荡电路产生的脉冲信号稳定性较差，需要不断的调整电阻才能得到标准的脉冲信号。参考文献1张文初，数字电子电路分析与应用.北京：高等教育出版社，2008.12.2周红兵，模拟电子电路分析与应用.北京：高等教育出版社，2008.11.3张金，电子设计与制作100例.北京：电子工业出版社，2009.10.4电子发烧友http:/