音樂教室控制臺說明書

1、貴陽學院畢業(yè)論文（設計）音樂教室控制臺的設計系 部： 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： IV目錄摘要IVAbstractV第1章 緒論11.1前言11.2方案設計11.3設計任務與要求2第2章主要元器件概述42.1 CD4060的結構及原理特性42.1.1 CD4060的簡要說明42.1.2 CD4060的引出端排列（俯視）和引出端符號42.1.3 CD4060的邏輯圖52.2 CD4027的結構及原理特性52.2.1 CD4027的簡要說明52.2.2 CD4027的引出端排列（俯視）和引出端符號62.2.3 CD4027的邏輯圖62.3 74LS04的結構及原理特性62

2、.3.1 74LS04的簡要說明62.3.2 74LS04的引出端排列（俯視）和邏輯圖72.3.3 74LS04的工作原理72.4 74LS32的結構及原理特性82.4.1 74LS32的簡要說明82.4.2 74LS32的引出端排列（俯視）和邏輯圖82.4.3 74LS32的工作原理82.5 74LS42的結構及原理特性92.5.1 74LS42的簡要說明92.5.2 74LS42的引出端排列（俯視）和邏輯圖92.5.3 74LS42的功能表102.6 74LS139的結構及原理特性102.6.1 74LS139的簡要說明102.6.2 74LS139的引出端排列（俯視）、引出端符號和邏輯圖

3、112.6.2 74LS139的真值表112.7 74LS147的結構及原理特性122.7.1 74LS147的簡要說明122.7.2 7LS147的管腳圖122.7.3 74LS147的引出端符號和功能表122.7.4 74LS147的邏輯圖132.8 74HC154的結構及原理特性132.8.1 74HC154的簡要說明132.8.2 74HC154的管腳圖和引腳說明132.8.3 7HC154的功能表142.9 74LS160的結構及原理特性142.9.1 74LS160的簡要說明142.9.2 74LS160的管腳圖和引腳說明152.9.3 74LS160的邏輯圖152.10 74LS

4、190的結構及原理特性162.10.1 74LS190的簡要說明162.10.2 74LS190的管腳圖和引腳說明162.10.3 74LS190的邏輯圖172.11 LED-BARGRAPH-GRN的結構及原理特性172.11.1 發(fā)光二極管的原理特性172.11.2 LED-BARGRAPH-GRN的簡要說明182.11.3 LED-BARGRAPH-GRN的管腳圖和管腳說明19第3章 總體方案設計203.1硬件電路203.1.1系統(tǒng)基本原理203.1.2電源電路203.1.3 1Hz時鐘信號產生電路213.1.4 1-50s定時電路223.1.5 學號編碼電路233.1.6 學號計數(shù)電路

5、243.1.7 學號分配電路263.2 主要元器件的選擇27第四章 主要電路的仿真284.1 仿真軟件的選擇284.2 仿真電路的繪制284.2 功能驗證294.2.1 直接選通方式294.2.2 巡回加選通方式304.2.3 巡回減選通方式31第五章 總結33參考文獻34致謝35附錄一 音樂教室控制臺原理圖36附錄二 音樂教室控制臺系統(tǒng)框圖37附錄三 音樂教室控制臺仿真圖38附錄四 外購件明細表39音樂教室控制臺的設計摘要隨著社會的不斷進步和科學技術、經濟的不斷發(fā)展，人們生活水平得到很大的提高，同時現(xiàn)在的教學水平和教學條件也在很大程度上得到提高。尤其是在大學階段要求學生具有較強的動手能力，所

6、以對教學設備的要求就更高，音樂專業(yè)的學生也不例外。他們的樂器練習教室都要求獨立，這樣在練習的時候就不會相互影響。教師為了能正常進行教學活動就必須得借助一個控制臺來完成。本設計就是為了滿足教師能用一套設備來完成對所有學生進行監(jiān)聽、指導、示范等教學活動。通過參觀本校的音樂教室、向在省內其他高校學習音樂的同學請教和在網(wǎng)上搜索資料后發(fā)現(xiàn)目前在省內這是一項新技術，也是一次新的嘗試，在以前的音樂教室中是沒有的?，F(xiàn)在在國內有許多學校在進行嘗試，運用了不同方法和技術，但是有好多都存在著不同的缺點，有的借助計算機導致成本太高，有的電路過于復雜給二次開發(fā)和維護帶來了極大的不便。本設計主要運用了一些數(shù)字芯片作為電路

7、的主要元件，克服了成本高和電路復雜的缺點。同時，它還具有許多屬于它自己的優(yōu)點，比如：較穩(wěn)定，抗干擾能力強，便于維護等等。該設計就是一套數(shù)字電路，不需要編寫軟件，從而降低了制作的難度。關鍵詞：音樂教室，控制臺，數(shù)字電路，教學設備。Design of Music Classroom Control PlatformAbstractWith the development of society and science and technology, economic development, peoples living standards has been greatly improved. At

8、 the same time presents teaching level and teaching conditions also have largely improved Especially the students in the university stage are requested to have a strong beginning ability, therefore there is higher to teaching equipments requested, the musical specialized students arent exceptional.

9、Their instruments practices classrooms are claimed independence, like this when students practice time would not influence each other. In order to carry on the teaching activity to normally result, the teachers have to ask a control platform for help. This design is to satisfy teachers can use a set

10、 of equipment to complete to all students intercepting, guidance and demonstration etc teaching activities. By visiting our schools musical classrooms, after ask for other classmates who learn music in the universities of GuiZhou province and search on the net I find that at present in GuiZhou provi

11、nce this is a new technology, which is a new attempt, you cant find in the music classroom before. Now in the domestic many universities are begging to try, using different methods and techniques, but there are a lot of shortcomings, some school use computer but that cost is too high, some circuits

12、are too complex, it will brings a lot of inconvenience for secondary development and maintenance. This design mainly utilized some digital chips as the main circuit components, overcome the cost to be high and electric circuit complex shortcomings. At the same time, it also has many of its own advan

13、tages, such as: more stable, strong anti-jamming capability, easy maintenance, etc. This design is a set of digital circuit; does not need to compile the software, which can reduce the manufacture difficulty.Key words: The music classroom, The control platform, Digital circuit，Teaching equipment。 第1

14、章 緒論1.1前言音樂教室控制臺是數(shù)字邏輯電路中一個比較新穎的題目，它主要用了可逆計數(shù)器和數(shù)據(jù)分配器，加強了數(shù)字組合邏輯電路中非常重要的兩個環(huán)節(jié)的應用。如果利用傳統(tǒng)的設計方法，會在反復調試及電路的改新等方面浪費時間和元件，使設計周期加長，成本增高。借助于許多電路仿真軟件，用數(shù)字邏輯電路能夠快捷方便地圓滿完成題目的設計要求。數(shù)字邏輯電路是相對模擬電路而言的，用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路。現(xiàn)代的數(shù)字電路由半導體工藝制成的若干數(shù)字集成器件構造而成。邏輯門是數(shù)字邏輯電路的基本單元。從整體上看，數(shù)字電路

15、可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。近年來，由于技術的不斷完善，人們對數(shù)字電路有了比較全面的認識，獲得了許多進展。隨著改革開放的發(fā)展、社會的不斷進步和科學技術、經濟的不斷發(fā)展，人民生活水平得到不斷提高，高校的不斷擴招，大學生的數(shù)量也上了一個新的臺階。然而又因為許許多多年輕人對藝術的熱愛，尤其是對音樂的崇拜，高校里面學校音樂的學生也倍增，在許多高校小班制已成為歷史。而在音樂教室這么一個嘈雜的地方，為了更好的完成教學活動，同時學生練習樂器時不相互影響，就必須將他們分離開來，教師逐個走到每個隔離的教室進行監(jiān)聽和示范活動是很困難也很費時的，所以就得借助一套設備音樂教室控制臺。現(xiàn)在音樂教室控制臺的

16、使用還沒得到普及，市面上的產品種類也少之又少，有的音樂教室控制臺甚至還借助于一臺計算機，這樣不僅增加了產品的重量，更大大提高了產品的成本。雖然我國現(xiàn)在的經濟水平有了很大提高，但我們還得發(fā)揚我們勤儉節(jié)約的傳統(tǒng)美德，在滿足使用要求的前提下，能節(jié)約的盡量節(jié)約。本設計就是為了滿足現(xiàn)代音樂教室的需要而設計的，它應用了一套數(shù)字邏輯電路，電路簡單可靠，也解決了成本高的問題。1.2方案設計本設計主要能實現(xiàn)的功能是通過該裝置教師對同時進行習奏電子樂器的學生進行監(jiān)聽、指導、示范等教學活動，認真思考該題目后發(fā)現(xiàn)該設計應該是以選通電路為重點。要實現(xiàn)此功能我們可以采用兩種方法，一種是借助于計算機來實現(xiàn)，另一種方法是用一

17、套電路來實現(xiàn)。通過比較這兩種方法我選用后者，因為它擁有計算機所不具備的優(yōu)點：成本低、維護方便、體積小等。通過查閱大量資料后發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)本設計方的電路可以有許多種方法，在考慮諸多問題和因素之后篩選出兩種方法：一利用單片機，二利用數(shù)字電路。雖然利用單片機可能會使電路簡化，但是用單片機的話必須得編寫程序，這個步驟可能會很復雜，從而增大制作難度，也不利于維護，而且還得購買專用的程序寫入設備，使得其制作成本增大。用數(shù)字電路就能克服單片機的以上缺點，所以我選用數(shù)字電路。計數(shù)電路是本題目設計的難點和重點，主要包括兩位十進制加減計數(shù)器的級連、 預置數(shù)電路中撥碼開關的模擬、 手動置數(shù)和自動加減計數(shù)電路的實現(xiàn)。利用1

18、S50S定時電路定時脈沖和學號編碼電路的學號二進制碼，完成在規(guī)定的時間對學號進行自動加/減計數(shù)，這就需要選用一個可預置數(shù)的可逆計數(shù)器，我選用了74LS190。74LS190的工作過程如下：首先把兩個74LS190連接成同步的100 進制計數(shù)器 ,即把兩個芯片的時鐘接在一起 ,把個位的計數(shù)終端輸出RCO接到十位的使能上,因為一個是09或90時輸出負脈沖,一個是輸入低電平有效。兩片74LS190應具有同樣的計數(shù)方式。所以把二者連接在一起 ,接到一個兩位開關上 ,當開關接高電平時，減計數(shù)；當開關接地時,加計數(shù)。預置數(shù)端PL低電平有效。此題有手動和自動兩種方式,手動置數(shù)時 ,教師在置數(shù)電路中先置一個數(shù)

19、比如XX號學生,再把手動/自動預置數(shù)開關撥到低電平,直接使PL=0,把XX裝入到計數(shù)器中,計數(shù)器不進行計數(shù),一直保持目前狀態(tài) ,直到PL=1為止。本設計的另一個重要部分就是數(shù)據(jù)分配電路，也叫學號分配電路。它的功能是將要選通的學號進行分配到指定的地方。它由兩種譯碼器構成，一個74LS139和四個74HC154。在使用時，74LS139對學號的十位二進制數(shù)進行譯碼，74HC154對學號的個位二進制數(shù)進行譯碼。這樣74HC154的功能就是用于數(shù)據(jù)分配，而74LS139則為四個74HC154提供片選信號，它們共同協(xié)作完成學號的分配任務。1.3設計任務與要求在安裝了控制臺的音樂教室里，當音樂教師對分散在

20、各個琴房內，或在同一教室中進行電子樂器練習的學生進行教學活動時，可以利用控制臺采用不同的方式選通教師與學生之間的電路，實現(xiàn)教師對這些同時進行習奏電子樂器的學生進行監(jiān)聽、指導、示范等教學活動。（1）該控制臺主要由數(shù)字電路和電子開關組成，具體可以分為：直流電源部分、振蕩單元、計數(shù)單元和選通單元等。（2）要求該音樂教室控制臺能實現(xiàn)的基本功能有：教師可以同時對40名學生的電路進行選通，學生編號為0039；選通方式可以采用直接和巡回兩種方式。巡回選通方式的順序可逆，停留時間1S50S可調；選通的學生電路編號用七段數(shù)碼管顯示。（3）設計要點：能有效完成要求的基本功能；盡可能使電路簡單；保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性

21、和可靠性。第2章主要元器件概述2.1 CD4060的結構及原理特性2.1.1 CD4060的簡要說明CC4060由一個震蕩器和14個串聯(lián)的二進制計數(shù)器組成，振蕩器的結構可以是RC或晶振電路。CR為高電平時，計數(shù)器清零且振蕩器使用無效，所有的計數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在（和CP0）的下降沿計數(shù)器以二進制進行計數(shù)，在時鐘脈沖輸入線上使用施密特觸發(fā)器對時鐘上升和下降時間無限制。CD4060提供了16引線多層陶瓷雙列直插（D）、熔封陶瓷雙列直插（J）、塑料雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C）4種封裝形式。推薦工作條件： 電源電壓范圍3V15V 輸入電壓范圍0VVDD 極限值： 電源電壓0.5V18V 輸入

22、電壓0.5VVDD+0.5V 輸入電流10mA 2.1.2 CD4060的引出端排列（俯視）和引出端符號圖2.1 時鐘輸入端CR 清零CP0 時鐘輸出端 反相時鐘輸出端Q4Q10，Q12Q14 計數(shù)器輸出端 第14級計數(shù)器反相輸出端VDD 正電源VSS 地2.1.3 CD4060的邏輯圖圖2.22.2 CD4027的結構及原理特性2.2.1 CD4027的簡要說明CC4027包含了兩個相互獨立、互補對稱的JK主從觸發(fā)器的單片集成電路。每個觸發(fā)器分別提供了J、K、置位、復位、時鐘輸入和經過緩沖的Q及輸出信號。此器件可用作移位寄存器，且通過將Q輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計數(shù)器和觸發(fā)器。在時鐘上升沿

23、觸發(fā)時，加在D輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復位與時鐘無關，而分別由置位或復位線上的高電平完成。CC4027提供了14引線多層陶瓷雙列直插（D）、熔封陶瓷雙列直插（J）、塑料雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C）4種封裝形式。推薦工作條件： 電源電壓范圍3V15V 輸入電壓范圍0VVDD 極限值： 電源電壓0.5V18V 輸入電壓0.5VVDD+0.5V 輸入電流10mA 2.2.2 CD4027的引出端排列（俯視）和引出端符號圖2.31J2J J端 1K2K K端 1CP2CP 時鐘輸入端 1SD2SD 直接置1端 1RD2RD 直接置0端 1Q2Q 原碼輸出端 12 反碼輸出端 VDD

24、 正電源 Vss 地 2.2.3 CD4027的邏輯圖圖2.42.3 74LS04的結構及原理特性2.3.1 74LS04的簡要說明74LS04為六組反向器，由六個非門組成。推薦工作條件：電源電壓范圍3V5V 輸入電壓范圍0VVDD 極限值：電源電壓7V 輸入電壓 5.5V 2.3.2 74LS04的引出端排列（俯視）和邏輯圖 圖2.5 圖2.62.3.3 74LS04的工作原理因為74LS04由六個非門組成，要想了解74LS04的工作原理只需了解非門的工作原理。決定某事件的條件只有一個，當條件出現(xiàn)時事情不發(fā)生，而條件不出現(xiàn)時，事件發(fā)生，這種因果關系叫做非邏輯。非邏輯的邏輯表達式為：F=圖2.

25、7給出晶體管組成的非門電路，由圖可以看出，當輸入A為高電平1時，晶體管飽和，輸出F為低電平0。當輸入A為低電平0時，晶體管截止，輸出F為高電平1。輸入與輸出之間為非的關系。圖2.72.4 74LS32的結構及原理特性2.4.1 74LS32的簡要說明74LS32為四組二輸入端或門（正邏輯）。推薦工作條件：電源電壓范圍3V5V 輸入電壓范圍0VVDD 極限值：電源電壓7V 輸入電壓 5.5V 2.4.2 74LS32的引出端排列（俯視）和邏輯圖 圖2.8 圖2.92.4.3 74LS32的工作原理因為74LS32由四個非門組成，要想了解74LS32的工作原理只需了解或門的工作原理。在決定某事件的

26、條件中，只要任一條件具備，事件就會發(fā)生，這種因果關系叫做或邏輯?；蜻壿嫷倪壿嫳磉_式為：，圖2.10給出二極管組成的或門電路，由圖可以看出，只要輸入A或B有一個為高電平1（3V），輸出F則為1。只有當兩個輸入端全為低電平0時，輸出F才為低電平0。圖2.102.5 74LS42的結構及原理特性2.5.1 74LS42的簡要說明74LS42為BCD十進制譯碼器。推薦工作條件：電源電壓范圍3V5V 輸入電壓范圍0VVDD 極限值：電源電壓7V 輸入電壓 5.5V2.5.2 74LS42的引出端排列（俯視）和邏輯圖 圖2.11 圖2.122.5.3 74LS42的功能表表2.1L：低電平H：高電平2.6

27、 74LS139的結構及原理特性2.6.1 74LS139的簡要說明 74LS139為兩個 2線4線譯碼器，當選通端（G1）為高電平，可將地址端（A、B）的二進制碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。若將選通端（G1）作為數(shù)據(jù)輸入端時，139 還可作數(shù)據(jù)分配器。推薦工作條件：電源電壓范圍3V5V 輸入電壓范圍0VVDD 極限值：電源電壓7V 輸入電壓 5.5V2.6.2 74LS139的引出端排列（俯視）、引出端符號和邏輯圖 圖2.13A、B 譯碼地址輸入端G1、G2選通端（低電平有效）Y0Y3譯碼輸出端（低電平有效） 圖2.142.6.2 74LS139的真值表表2.2輸 入 端 輸 出 端 使

28、能 選擇 G B A 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 02.7 74LS147的結構及原理特性2.7.1 74LS147的簡要說明74LS147 為10線4線優(yōu)先編碼器（BCD輸出）。2.7.2 7LS147的管腳圖 74LS147將9條數(shù)據(jù)線（19）進行4線BCD編碼，即對最高位數(shù)據(jù)線進行譯碼。當19 均為高電平時，編碼輸出（ABCD）為十進制零。故不需單設/IN0輸入端。 圖2.152.7.3 74LS147的引出端符號和功能表19 編碼輸入端(低有效) ABCD編碼輸出端(低電效)表2.3極限

29、值說明：H高電平L低電平X任意電源電壓-7V輸入電壓-7V工作環(huán)境溫度-070貯存溫度-651502.7.4 74LS147的邏輯圖圖2.162.8 74HC154的結構及原理特性2.8.1 74HC154的簡要說明74LS147為4線16線譯碼器,可以實現(xiàn)地址的擴展。2.8.2 74HC154的管腳圖和引腳說明 圖2.171-11 13-17 ：輸出端。12：Gnd電源地 18-19：使能輸入端 20-23地址輸入端 24：VCC電源正 2.8.3 7HC154的功能表表2.2注意： H = 高電平L = 低電平 X = 任意電平只要控制端G1、G2任意一個為高電平，A、B、C、D任意電平輸

30、入都無效。2.9 74LS160的結構及原理特性2.9.1 74LS160的簡要說明74LS160為可預置的十進制同步計數(shù)器,它的清除端是異步的。當清除端為低電平時，不管時鐘端CP狀態(tài)如何，即可完成清除功能。74LS160的預置是同步的。當置入控制器為低電平時，在CP上升沿作用下，輸出端 Q0Q3 與數(shù)據(jù)輸入端 P0P3一致。74LS160的計數(shù)是同步的，靠 CP 同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當CEP、CET均為高電平時，在CP上升沿作用下Q0Q3同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。74LS160的CEP、CET跳變與CP無關。74LS160有超前進位功能。當計數(shù)溢出時，進位輸出

31、端（TC）輸出一個高電平脈沖，其寬度為Q0 的高電平部分。 在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成N 位同步計數(shù)器。 74LS160在CP出現(xiàn)前，即使 CEP、CET、/MR發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。2.9.2 74LS160的管腳圖和引腳說明圖2.18引出端符號： TC 進位輸出端 CEP 計數(shù)控制端 Q0Q3 輸出端 CET 計數(shù)控制端 CP 時鐘輸入端（上升沿有效） 異步清除輸入端（低電平有效） 同步并行置入控制端（低電平有效）2.9.3 74LS160的邏輯圖圖2.192.10 74LS190的結構及原理特性2.10.1 74LS190的簡要說明74LS190為十進制同步加/減計數(shù)器7

32、4LS190的計數(shù)是同步的，靠CP加在4個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。當計數(shù)控制端（CT）為低電平時，在CP上升沿作用下Q0Q3同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當計數(shù)方式控制（）為低電平時進行加計數(shù)，當計數(shù)方式控制（）為高電平時進行減計數(shù)。只有在CP為高電平時CT和才可以跳變。74LS190有超前進位功能。當計數(shù)溢出時，進位/錯位輸出端（）輸出一個低電平脈沖，其寬度為CP 脈沖周期的高電平脈沖；行波時鐘輸出端（ TC ）輸出一個寬度等于CP 低電平部分的低電平脈沖。2.10.2 74LS190的管腳圖和引腳說明圖2.20進位輸出/錯位輸出端CP 時鐘輸入端（上升沿有效）計數(shù)控制端（低電平有

33、效）P0P3 并行數(shù)據(jù)輸入端異步并行置入控制端（低電平有效）Q0Q3 輸出端加/減計數(shù)方式控制端2.10.3 74LS190的邏輯圖圖2.212.11 LED-BARGRAPH-GRN的結構及原理特性2.11.1 發(fā)光二極管的原理特性發(fā)光二極管是一種在PN結上外加正向偏置電壓并當電流通過時，把所注入 的少數(shù)載流子復合時的剩余能量以光的形式釋放出來而發(fā)光的二極管器件。發(fā)光的二極管之所以發(fā)光，其核心是PN結。發(fā)光的二極管在正向電壓偏置下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光。發(fā)光二極管既然是二極管，它具有二極管的基本特性，即

34、正向導通、反向截止、擊穿損壞等，除此之外，還具有獨特的發(fā)光特性。通常用三種技術參數(shù)去描述發(fā)光二極管：（1）發(fā)光二極管的電參數(shù)包括：正向電壓Ur、反向峰值電壓即常說的耐壓Ur和反向漏電流Ir。（2）發(fā)光二極管的光參數(shù)：峰值波長、半峰寬度、發(fā)光強度和半值腳與視角。（3）發(fā)光二極管的極限參數(shù)：極限功率和極限電流。普通單色發(fā)光二極管的發(fā)光顏色與發(fā)光的波長有關，而發(fā)光的波長又取決于制造發(fā)光二極管所用的化合物半導體材料。在一般情況下，紅色發(fā)光二極管的波長為650-700nm，琥珀色發(fā)光二極管的波長為630-650nm，橙色發(fā)光二極管的波長為610-630nm，黃色發(fā)光二極管的波長為585nm左右，綠色發(fā)光

35、二極管的波長為555-570nm。2.11.2 LED-BARGRAPH-GRN的簡要說明LED-BARGRAPH-GRN為綠色的橋式LED燈，它由十個綠色的LED燈排列而成，它由發(fā)光二極管構成，也分正負極。在半導體領域 ，各種半導體研究均有成就。從一開始對本征半導體的研究到后來成功地對摻入雜質的P型半導體，N型半導體的研究，為現(xiàn)代電子科學技術的發(fā)展起到了決定性的促進作用。之后，很快就出現(xiàn)了引起人們重視的第三半導體GaAs（即砷化鎵）、GaP（即磷化鎵）、GaAsP（即磷砷化鎵）等化合物半導體。這些化合物半導體在內部結構工藝上具有與硅半導體不同之處是其禁帶寬度比硅的寬，這樣一來，可因少數(shù)載流子

36、的復合發(fā)出不可見光的紅外線到可見光的光，并且可獲得很高的發(fā)光效率，發(fā)光二極管正是這種化合物半導體的產物。發(fā)光二極管的結構、外形與電路符號如圖2.1所示，圖2.22由于發(fā)光二極管制造工藝的不斷提高，機體外圍為金屬殼的發(fā)光二極管已趨淘汰，透光體大部分由各種顏色的透明樹脂而成，既有良好的透光性能，使發(fā)光二極管具有較高的輝度，又耐摔打而不易損壞并且密封性好。一般情況下，單色發(fā)光二極管的顏色與外透光體的顏色一致。發(fā)光二極管的外部形狀有很多種，其正、負極引腳均為一長一短，長腳規(guī)定為正極，短腳則為負極，發(fā)光二極管在電路中的代表符號為LED，將十個綠色的發(fā)光二極管（LED）排列組成LED-BARGRAPH-G

37、RN。2.11.3 LED-BARGRAPH-GRN的管腳圖和管腳說明圖2.231-10 分別為第一至第十個LED的正極引腳11-20 分別為第十至第一個LED的負極引腳第3章 總體方案設計3.1硬件電路3.1.1系統(tǒng)基本原理該系統(tǒng)主要由以下各部分電路和電源電路構成，如圖3.1所示。電源電路是為各個電路提供+5V穩(wěn)壓電源的，在圖中沒有表示出來。在使用過程中由1Hz時鐘信號產生路產生標準的1Hz時鐘脈沖信號，然后經1-50s定時電路分頻后得到所設定的時間，為學號計數(shù)電路提供計數(shù)脈沖，同時學號編碼電路編碼出指定的學號二進制碼送給學號計數(shù)電路，在計數(shù)脈沖的作用下對學號的二進制碼進行加減，然后送到學號

38、分配電路進行學號分配，最終在顯示電路中進行顯示。1Hz時鐘信號產生電路1-50s定時電路顯示電路學號分配電路學號編碼電路學號計數(shù)電路圖3.13.1.2電源電路圖3.2220V交流電經變壓器T1降壓，橋式整流器D1整流, 電解電容C1濾波, 三端穩(wěn)壓器78L05穩(wěn)壓,（78L05為100mA、5V三端集成穩(wěn)壓器）。最后得到整機要求的+5V穩(wěn)定直流電源。圖中的S1為復位按鈕它在被按得時候斷開放開后自動閉合，在其斷開又閉合的瞬間使整套電路中各芯片的供電電壓實現(xiàn)從5V降到0V再升到5V的過程，從而達到復位的目的。輸入電容C2一般情況不接，但當集成穩(wěn)壓器遠離整流、濾波電路時應接入一個0.33f的電容器，

39、它的作用是改善紋波和抑制輸入的瞬時過電壓，保證78L05的輸入與輸出間的電壓差不會超過允許值。輸出電容C3一般不采用大容量的電解電容器，只要接入0.1f的電容器便可以改善負載的瞬態(tài)響應。但是，為了減小輸出的紋波電壓，在輸出端并聯(lián)一只大容量的電解電容C4，會取得更好的效果。然而，這樣將隨之產生一種弊端：一旦78L05的輸入端出現(xiàn)短路時，輸出端上的大電容器上儲存的電荷將通過集成穩(wěn)壓器內部電路調整管的發(fā)射極與基極泄放，因大容量電容器釋放能量較大，會造成集成穩(wěn)壓器內部調整管的損壞，導致電路無法工作。為了防止這一點，在78L05的輸入端與輸出端之間跨接一個二極管，它為C4上電荷的泄放提供了一個分流通路，

40、對集成穩(wěn)壓器起保護作用。3.1.3 1Hz時鐘信號產生電路1Hz時鐘信號產生電路可以用555多諧振蕩器產生，其電路圖見圖3.3。也可以由石英晶體振蕩電路產生，其電路圖見圖3.4。在555多諧振蕩電路中，由于其振蕩周期，不難看出其振蕩頻率由電阻R1、R2和電容C1決定，而在實際應用中我們很難保證它們的制造精度，而石英晶體的品質因數(shù)可以達到10000500000，頻率穩(wěn)定度可以達到10-1010-11，為了保證本設計能有一個高精度、高穩(wěn)定度的時鐘信號源，所以我們選石英晶體，從而555定時器給刪除了。對于石英晶體，經過查找資料和在網(wǎng)上搜索。確定采用20pf的負載電容，與晶振并聯(lián)電阻為100K，至于晶

41、振頻率，通常有兩種意見，一種是采用11MHz，一種是32768Hz。由于要產生標準秒脈沖信號，且32768等于2的15次方易于分頻成秒信號，所以最終采用后者。圖3.3圖3.4如圖3.4由石英晶體構成的1Hz時鐘學號產生電路，它由14級二進制計數(shù)器CD4060、JK觸發(fā)器CD4027及32.768kHz石英晶體等元件組成。CD4060的10、11腳的外接元件構成振蕩電路，其振蕩頻率為32.768kHz，微調電容C6可精確調節(jié)此頻率。該振蕩信號經CD4060的 次分頻后，在其3腳輸出2Hz 的方波信號，該信號經CD4027的二次分頻后，便可在其1腳輸出精確的頻率為1Hz 的信號了。3.1.4 1-

42、50s定時電路圖3.5它由兩個計數(shù)器74LS160、兩個譯碼器74LS42、一個或門74LS32和三個封裝開關組成。由于74LS160是一個可置數(shù)計數(shù)器，而在這里不需要置數(shù)，所以將兩片74LS160的置數(shù)端都接高電平“1”不讓它置數(shù)。圖3.5中上面?zhèn)€74LS160（U4）為個位，它要將一直保持計數(shù)狀態(tài)，所以將它的計數(shù)允許CEP、保持端CET都接高電平，而下面?zhèn)€74LS160（U7）為十位，它只在個位計數(shù)器發(fā)出進位輸出是才計數(shù)，所以將允許CEP、保持端CET接到個位計數(shù)器的進位輸出端TC上。兩個計數(shù)器的時鐘脈沖輸入端接在一起，連接到上面1Hz脈沖產生電路中CD4027的1腳。兩個譯碼器分別將U4

43、和U7輸出的二進制數(shù)譯成0-9的十進制數(shù)，然后接到封裝開關上，再接到或門74LS32上，在將74LS32的輸出端接到U4和U7的清零端MR上。在使用過程中，如果要計時30s的話，只需將代表十位的3和個位的0的開關接通即可。當計數(shù)器計到30s后，將代表十位的3和個位的0的輸出都為0，經與門后去觸發(fā)兩個計數(shù)器的清零端使兩計數(shù)器都清零，重新開始計時3.1.5 學號編碼電路圖3.6如圖3.6所示，學號編碼電路主要由封裝開關、排阻、編碼器和非門構成。圖中上面?zhèn)€74LS147（U9）編碼出來的為學號的個位，下面?zhèn)€74LS147（U10）編碼出來的為學號的十位。74LS147的輸入部分由封裝開關和排阻構成，

44、排阻其實就是一排電阻，將它們的一個腳接在一起，接到電源正極上，而另外一個腳作為輸出。在使用時所有開關都斷開時74LS147的輸入都為高電平“1”，因為74LS147的輸入是低電平有效，而又以反碼形式輸出，所以它們的輸出都是“1”，再經非門74LS32后輸出“0000”或“00”。如果想要編碼學號為24，那么只需將代表十位2和代表個位4的開關接通就可以了。3.1.6 學號計數(shù)電路圖3.7學號計數(shù)電路是本題目設計的難點和重點。主要包括兩位十進制加減計數(shù)器的級連、預置數(shù)電路中撥碼開關的模擬、手動置數(shù)和自動加減計數(shù)電路的實現(xiàn)及顯示電路。先不考慮預置數(shù)這部分。首先把兩個74LS190連接成同步的100進

45、制計數(shù)器,即把兩個芯片的時鐘接在一起 ,把個位的計數(shù)終端輸出RC接到十位的使能端上,因為一個是 09或90時輸出負脈沖,一個是輸入低電平有效。兩片74LS190應具有同樣的計數(shù)方式。所以把二者連接在一起 ,接到一個兩位開關上 ,當開關接高電平時 ,減計數(shù);當開關接地時,加計數(shù)。預置數(shù)端PL低電平有效。此題有手動和自動兩種方式,手動置數(shù)時 ,教師在置數(shù)電路中先置一個數(shù)比如 20 號學生,再把手動/自動預置數(shù)開關撥到低電平 ,直接使PL=0 ,把20裝入到計數(shù)器中,計數(shù)器不進行計數(shù) ,一直保持目前狀態(tài) ,直到PL=1為止。在這段時間內認為教師指導20號學生,表示該生接收信息的對應發(fā)光二極管會一直亮

46、。當自動置數(shù)時,又分加計數(shù)和減計數(shù)兩種情況。加計數(shù)時,從N計到40時,給出一個低電平信號使PL有效,裝入提前設置好的數(shù)N；減計數(shù)時,減到00后,再減一個數(shù)變成 99 ,此時要產生一個低電平信號使 PL 有效 ,裝入提前設置好的數(shù)N,再接著進行減計數(shù)。通過以上的分析,連接成如圖3.7所示的電路。雙聯(lián)開關同時用于選擇加/減計方式和加減計數(shù)時產生的不同的PL信號,反送給PL。由于加計數(shù)時計到 40 返回 N ,所以只需把十位的Q2 反相后給 PL 即可;減計數(shù)時減到00后是99,要99通過預置數(shù)變成N。十位為9,而加計數(shù)時十位最大為4不會計到9,所以可以用9來生成一個減計數(shù)時的預置數(shù)信號,而個位的9

47、在加計數(shù)過程中并不也會出現(xiàn) ,所以不用。又因十位減計數(shù)時先9后8,所以為了省一根線我們直接把十位的Q3經反相器接到PL上,并不表示8,因為9時Q3也為 1。3.1.7 學號分配電路 圖3.8這一部分電路完成學生端對教師信號的接收,并對應一一顯示。我們知道 74HC154是4-16線譯碼器 ,但是它通過和使能端的配合能完成數(shù)據(jù)分配器的功能。此題目中,在教師的指導過程中,當學生的編號顯示出來的同時,對應的40個發(fā)光二極管中的某一個要點亮 ,表示該學生正在接收教師的指導。把發(fā)光二極管接在74HC154 的輸出端 ,把學生的編號接在74HC154 的輸入端。因為學生的編號為BCD碼,故譯碼輸出09有效

48、,每個74HC154只能接10個發(fā)光二極管 ,如圖3.8所示。74HC154 的兩個使能端E1和E2,一個用作片選信號,來自 2-4 線譯碼器74LS139；另一個接教師的模擬指導信號,這里用低電平表示。當開關合上時,信號有效,當開關打開時,信號無效。74HC154的BCD碼輸入端 DCBA 應該接學生編號的個位數(shù) Q3Q2Q1Q0 (來自計數(shù)器 74LS190 的個位),比如3 ,74LS139的二進制碼輸入端BA 應接學生編號的十位數(shù)的的Q1Q0(來自計數(shù)器74LS190的十位),因為學生編號的十位不大于3,故只接低兩位即可。圖3.8中74LS139的輸入BA =11,74HC154的輸入

49、DCBA = 0011 ,教師信號 E2 = 0 有效 ,故此時數(shù)顯的數(shù)應該是33 ,而點亮的二極管應該是第33號。因為 U23是第四片74HC154 ,它的發(fā)光二極管的排號應該從3039。其他三片的DCBA 及E2應該分別和此片相應信號并聯(lián),片選信號E1應分別接74LS139的Y0 ,Y1 ,Y2 ,二極管編號分別從0009,1019 ,2029。因為每個74HC154并排接十個發(fā)光二極管 ,所以這里的發(fā)光二極管也采用條狀LED顯示比較方便。因為74HC154輸出低電平有效 ,所以要把LED-BARGARPH-GRN的負極接到74HC154輸出端，正極接到電源正極上，由于LED-BARGAR

50、PH-GRN的工作電壓為2.2V，所以要在它的電源正極輸入處加一個電阻分壓。3.2 主要元器件的選擇（1）T選用220V/9V的變壓器，穩(wěn)壓器U1選用78L05三端集成穩(wěn)壓器，D選用IN4004整流管；（2）學號計數(shù)器選用74LS190，74LS190為十進制同步加/減計數(shù)器。（3）學號分配器選用74HC154,74HC154為4線16線譯碼器,可以實現(xiàn)地址的擴展第四章 主要電路的仿真4.1 仿真軟件的選擇市場上有很多電路仿真軟件，有些是針對特定任務的，有些專用于教學或演示目的。比較流行的通用仿真軟件是基于SPICE分析程序的軟件，許多是作為電子設計自動化軟件包的一個組件。在個人計算機上比較有

51、名的是已經并入OrCAD公司的MicroSim開發(fā)的PSpice A/D模擬與數(shù)字混合仿真軟件，該軟件現(xiàn)在是OrCAD 9.1 EDA 軟件套裝的一部分，有學生版本。 另外加拿大 Electronics Workbench 公司的Electronics Workbench簡稱EWB (現(xiàn)在稱為MultiSim)也具備SPICE分析功能，并且可以對模擬與數(shù)字混合電路用虛擬工作臺方式進行實時仿真，可以用虛擬的儀器儀表對電路模型進行觀測。這兩種軟件功能強，且容易掌握。Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持805