3939.電力電子十人賽跑機(jī)

1、摘要 電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而成的，已成為現(xiàn)代電氣 工程與自動(dòng)化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)本專業(yè)人才中占有重要地位。本產(chǎn)品是基于電力電子相關(guān)元件設(shè)計(jì)的，以74ls160（十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器），74ls138(3-8譯碼器)和555定時(shí)器為中心，實(shí)現(xiàn)利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生單脈沖，再利用74ls160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器系統(tǒng)將觸發(fā)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生不同的二進(jìn)制代碼，作為74ls138譯碼器的輸入代碼，當(dāng)輸入脈沖的個(gè)數(shù)不同時(shí)產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼也不相同，從而達(dá)到控制led燈移動(dòng)的目的。產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼后加到賽跑燈上，產(chǎn)生賽跑燈移動(dòng)的效果。關(guān)鍵詞：電力電子；7

2、4ls160；74ls138；555定時(shí)器目 錄1 引言11.1 電力電子概況11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)11.3設(shè)計(jì)目的12 總體方案設(shè)計(jì)論證與設(shè)計(jì)23 系統(tǒng)設(shè)計(jì)33.1 原理框圖33.2 選擇器件與電路參數(shù)33.3 功能模塊設(shè)計(jì)103.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖134 電路調(diào)試155 總語17參考文獻(xiàn)181 引言1.1電力電子概況電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。具體的說，就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。目前所用的電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱為電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)所變換的

3、“電力”，功率可以大到數(shù)百mw甚至gw，也可以小到數(shù)w甚至1w以下。信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換。 電力電子涉及由半導(dǎo)體開關(guān)啟動(dòng)裝置進(jìn)行電源的控制與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。半導(dǎo)體整流控制、半導(dǎo)體硅整的小型化等的出現(xiàn)，產(chǎn)生一個(gè)新的電力電子應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體硅整流、汞弧整流器應(yīng)用于控制電源，但是這樣的整流回路只是工業(yè)電子的一部分，對(duì)于汞弧整流器應(yīng)用范圍而言是有局限的。半導(dǎo)體硅整流的應(yīng)用涉及很多領(lǐng)域，如汽車、電站、航空電子、高頻變頻器等。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)甲乙雙方各持一個(gè)按鍵，控制己方賽跑燈，按一次按鍵，亮點(diǎn)向后移動(dòng)一次，尾燈先亮的一方獲勝，此時(shí)雙方按鍵無效。按下復(fù)位鍵后雙方的賽跑燈都

4、回到起點(diǎn)位置，比賽可以重新開始。(1)利用555定時(shí)器設(shè)計(jì)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，提供單脈沖。(2)由計(jì)數(shù)器和譯碼器一同實(shí)現(xiàn)電路控制。(3)電路中有鎖定和復(fù)位功能。1.3設(shè)計(jì)目的學(xué)生通過進(jìn)行查閱資料、方案設(shè)計(jì)、單元和系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、繪圖等工作，獨(dú)立完成該數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高其獨(dú)立分析、獨(dú)立解決問題、獨(dú)立動(dòng)手的設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生在數(shù) 字電路應(yīng)用方面的實(shí)踐技能，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維及綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力的分析、判斷、檢修進(jìn)一步鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。2 總體方案論證與設(shè)計(jì)依據(jù)應(yīng)用場合需要實(shí)現(xiàn)的功能，具體指標(biāo)要求會(huì)有所不同。依據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求選取不同的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于方案，具體的指標(biāo)要求也會(huì)有所差

5、異。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和任務(wù)，設(shè)計(jì)方案可以從以下幾個(gè)方面考慮。其中利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生單脈沖，再利用74ls160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器系統(tǒng)將觸發(fā)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生不同的二進(jìn)制代碼，作為74ls138譯碼器的輸入代碼，當(dāng)輸入脈沖的個(gè)數(shù)不同時(shí)產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼也不相同，從而達(dá)到控制led燈移動(dòng)的目的。產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼后加到賽跑燈上，產(chǎn)生賽跑燈移動(dòng)的效果。設(shè)計(jì)一臺(tái)電力電子變流裝置，必需滿足用戶要求，首先要考慮技術(shù)性能指標(biāo)；第二是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；第三是先進(jìn)性、合理性和可行性。因此，為使一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)確保技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、合理，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，又為今后的發(fā)展和進(jìn)一步技術(shù)改造留有余地，就必須對(duì)設(shè)備的使用條件、被控制設(shè)備的工藝要求進(jìn)

6、行調(diào)研，搜集與設(shè)計(jì)有關(guān)的圖樣和技術(shù)資料，選擇參考樣機(jī)，了解國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平和發(fā)展趨勢，然后對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案進(jìn)行必要的比較和論證，使之變成一個(gè)可以付諸實(shí)施的技術(shù)方案。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 原理框圖 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按鍵a計(jì)數(shù)器系統(tǒng)賽跑燈a譯碼器系統(tǒng)復(fù)位鍵單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按鍵b賽跑燈b反饋鎖定反饋鎖定 圖3-1 總體框圖3.2 選擇器件與電路參數(shù) 本次課程設(shè)計(jì)所用器件如表3.1： 表3-1器件表型號(hào)名稱數(shù)目555脈沖信號(hào)發(fā)生器274ls160十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器274ls04非門1174ls1383線8線譯碼器274ls86異或門1ledblue發(fā)光二極管10button按鈕3pothg滑動(dòng)變阻器4

7、 3.2.1 555定時(shí)器應(yīng)用國產(chǎn)雙極型定時(shí)器cb555電路結(jié)構(gòu)圖。它是由比較器c1和c2，基本rs觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管td三部分組成。vh是比較器c1的輸入端，v12是比較器c2的輸入端。c1和c2的參考電壓vr1和vr2由vcc經(jīng)三個(gè)五千歐電阻分壓給出。在控制電壓輸入端vco懸空時(shí)，vr1=2/3vcc,vr2=1/3vcc。如果vco外接固定電壓，則vr1=vco,vr2=1/2vco.rd是置零輸入端。只要在rd端加上低電平，輸出端v0便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時(shí)必須使rd處于高電平。圖中的數(shù)碼18為器件引腳的編號(hào)。圖3-2 555定時(shí)器邏輯符號(hào)5

8、55定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)阻容元件，就可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。 圖3-3 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(1)電路組成555集成定時(shí)器由五個(gè)部分組成?；緍s觸發(fā)器：由兩個(gè)“與非”門組成比較器：c1、c2是兩個(gè)電壓比較器分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器，為比較器c1和c2提供參考電壓。晶體管開卷和輸出緩沖器：晶體管vt構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器g3，其作用是提高定時(shí)器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響。(2) 基本功能當(dāng)時(shí)，輸出電壓為低電平，vt飽和導(dǎo)通。當(dāng)時(shí)，時(shí)，時(shí)，c1輸出低電平，c2輸出高電平，q0，飽和導(dǎo)通。當(dāng)、

9、時(shí)，c1、c2輸出均為高電平，基本rs觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此、vt也保持原來狀態(tài)不變。當(dāng)、時(shí)，c1輸出高電平，c2輸出低電平，q1，vt截止。表3-2 555定時(shí)器邏輯功能表輸 入輸 出閾值輸入(vi1)觸發(fā)輸入(vi2)復(fù)位()輸出()放電管t00導(dǎo)通 11截止10導(dǎo)通1不變不變 3.2.2 74ls160的應(yīng)用它是同步十進(jìn)制加法記數(shù)器，當(dāng)load端輸入底電平時(shí)處于預(yù)置數(shù)狀態(tài)，d0、d1、d2、d3的數(shù)據(jù)將會(huì)在cp上升沿到達(dá)時(shí)被置入q0、q1、q2、q3中，它的預(yù)置數(shù)是同步的。右圖是74ls160的引腳分配圖，圖中l(wèi)d為預(yù)置數(shù)控制端，d0-d3為數(shù)據(jù)輸入端，c為進(jìn)位輸出端，rc為異步置

10、零端，q0-q3位數(shù)據(jù)輸出端，ep和et為工作狀態(tài)控制端。 圖3-4 74ls160的邏輯符號(hào) 圖3-5 邏輯框圖 圖3-6 74ls160的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3.6為74ls160的內(nèi)部原理圖。當(dāng)rc=0時(shí)所有觸發(fā)器將同時(shí)被置零，而且置零操作不受其他輸入端狀態(tài)的影響。當(dāng)rc=1、ld=0時(shí)，電路工作在預(yù)置數(shù)狀態(tài)。這時(shí)門g16-g19的輸出始終是1，所以ff0-ff1輸入端j、k的狀態(tài)由d0-d3的狀態(tài)決定。當(dāng)rc=ld=1而ep=0、et=1時(shí)，由于這時(shí)門g16-g19的輸出均為0，亦即ff0-ff3均處在j=k=0的狀態(tài)，所以cp信號(hào)到達(dá)時(shí)它們保持原來的狀態(tài)不變。同時(shí)c的狀態(tài)也得到保持。如果e

11、t=0、則ep不論為何狀態(tài)，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)也保持不變，但這時(shí)進(jìn)位輸出c等于0。當(dāng)rc=ld=ep=et=1時(shí)，電路工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)。從電路的0000狀態(tài)開始連續(xù)輸入16個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，電路將從1111的狀態(tài)返回0000的狀態(tài)，c端從高電平跳變至低電平。利用c端輸出的高電平或下降沿作為進(jìn)位輸出信號(hào)。 表 3-3 四位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls160的功能表cpep et工作狀態(tài)x0xx x置零10x x預(yù)置數(shù)x110 1保持x11x 0保持（但 c0 ）111 1計(jì)數(shù)由其功能表可得，當(dāng)置數(shù)端為0時(shí)，輸出全為0。預(yù)置數(shù)端為0，當(dāng)脈沖到達(dá)時(shí)，計(jì)數(shù)器置數(shù)；當(dāng)置數(shù)和預(yù)置數(shù)端都為1，且ep=et=1時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行

12、加法計(jì)數(shù)；當(dāng)ep=0，ep=1時(shí)，輸出不變，且rco=0；當(dāng)et=1時(shí)，各輸出及rco都保持不變。3.2.3 三極管非門 仔細(xì)觀察一下圖中給出的三極管開關(guān)電路即 可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出等于低電平，而輸入為低電平時(shí)輸出等于高電平。因此輸出與輸入的電平之間是反向關(guān)系，它實(shí)際上就是一個(gè)非門。（亦稱反向器）。 當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，應(yīng)保證三極管工作在深度飽和狀態(tài)，以使輸出電平接近于零。為此，電路參數(shù)的配合必須合適，保證提供給三極的基極電流大于深度飽和的基極電流。 設(shè)計(jì)電路所用的芯片是74ls04，如下圖所示： 圖 3-7 74ls04的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖功能表如下圖：表3-4非門功能表 3.2.4 74

13、ls138的應(yīng)用 圖3.8為3線-8線譯碼器74ls138的邏輯符號(hào)圖， 其有3個(gè)附加的控制端g1、g2a和g2b。當(dāng)g1=1、g2a+g2b=0時(shí)，其附加門gs才輸出高電平（s=1），譯碼器處于工作狀態(tài)。否則譯碼被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平，這三個(gè)控制端也叫做“片選”輸入端，利用片選的作用可以將多片連接起來以擴(kuò)展譯碼器的功能。 圖3-8 74ls138的邏輯符號(hào)圖 74ls138的內(nèi)部原理圖如下： 圖3-9 74ls138的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖表3-5 3線8線譯碼器 74ls138的功能表輸入輸出s1s2+s3a0a1a0y0y1y2y3y4y5y6y70x11111111 x 1 0 00

14、0 0 0 0 0xx00001111xx00110011xx0101010111011111111110111111111101111111111011111111110111111111101111111111011111111110 由3線-8線譯碼器74ls138的功能表也可以看出，當(dāng)s1=0時(shí)，無論s2+s3等于0還是1，譯碼器都處于禁止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)s1=1,s2+s3=0時(shí)，譯碼器處于工作狀態(tài)。3.3 功能模塊設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)單元電路和選擇元器件時(shí)，盡量選用同類型的元器件，如所有功能的部件都采用ttl集成電路，整個(gè)系統(tǒng)所用的元器件種類盡可能少。下面介紹各單元電路的設(shè)計(jì)。3.3.1 利用55

15、5定時(shí)器組成脈沖發(fā)生器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路利用555定時(shí)器接成，其工作特點(diǎn)：它有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩個(gè)不同的狀態(tài)；在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后，再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)；暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長短取決與電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。經(jīng)分析可得，暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間為： t =rcln3 電容取10nf，電阻由滑動(dòng)變阻器控制。當(dāng)按下按鈕時(shí)，就會(huì)使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于暫穩(wěn)態(tài)。如果不加觸發(fā)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出為高電平，處與穩(wěn)態(tài)。 圖3-10 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 當(dāng)不按按鈕時(shí)，在輸入端給了一個(gè)高電平，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就為穩(wěn)態(tài)，輸出一段高電平。按一次按鈕，又會(huì)出現(xiàn)暫穩(wěn)態(tài)，輸出一段低電平。由此便可控制

16、開關(guān)來產(chǎn)生單脈沖。接一個(gè)示波器觀察輸出波形圖如下： 圖3-11 單穩(wěn)態(tài)電路的仿真結(jié)果圖中波形為輸入波形，下方為輸出波形。 3.3.2 led燈和138的測試電路 按照下圖將電路接好，如果電路正常且各個(gè)芯片都是好的，通過開關(guān)就可得到不同的二進(jìn)制代碼輸入，相應(yīng)的會(huì)使輸出端的led燈按照輸入進(jìn)行輸出。 圖3-12 3線8線譯碼器和led燈的測試電路 3.3.3 控制電路（由計(jì)數(shù)器和譯碼器構(gòu)成） 控制電路圖中將74ls160的輸入與輸出連到一起，這樣當(dāng)置數(shù)端為有效電平時(shí)就會(huì)將當(dāng)時(shí)的狀態(tài)鎖定。把74ls160的前三個(gè)輸出端與138的輸入端相連，138的輸出通過非門接到led燈上。在此功能模塊中，74ls

17、160的置數(shù)端接無效電平。將倆片74ls160的清零端接到一起后，通過一個(gè)可控按鈕來控制，從而達(dá)到復(fù)位的功能。按照下圖接線，檢查電路無誤后在74ls160的輸入端接一個(gè)5v,1kh的脈沖輸入，此時(shí)如果電路正確，led燈就會(huì)按照一定的規(guī)律移動(dòng)，當(dāng)按下復(fù)位鍵后，兩排燈同時(shí)回到起點(diǎn)。通過這個(gè)模塊，驗(yàn)證74ls160和138是否能夠正常工作。 圖3-13 控制電路圖 3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖 給出總體電路原理圖，說明電路整體工作情況以及模塊間的連接關(guān)系 經(jīng)過對(duì)以上各個(gè)步驟的總結(jié)可以的到最終的結(jié)果，通過軟件對(duì)最后的結(jié)果進(jìn)行仿真，驗(yàn)證本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。在總體電路圖中，將兩片74ls160的置數(shù)端連起來，

18、并把兩個(gè)譯碼器的輸出端的第五個(gè)端子通過74ls86(異或門)和一個(gè)非門，來控制計(jì)數(shù)器的置數(shù)端。當(dāng)某方先到達(dá)終點(diǎn)是，置數(shù)端就會(huì)接收到一個(gè)有效電平，將當(dāng)前狀態(tài)鎖定。按下復(fù)位鍵后，雙方的燈又會(huì)回到起點(diǎn)，比賽可以從新開始，總電路圖如下： 圖3-14 總體電路圖4 電路調(diào)試4.1 multism2001的仿真結(jié)果 電路結(jié)果顯示由led燈上觀察，顯示結(jié)果如下： （1）甲方先到終點(diǎn) 如果甲方按動(dòng)按鍵比乙方快，甲方的尾燈先亮，此時(shí)，兩片計(jì)數(shù)器會(huì)接收到一個(gè)有效的置數(shù)信號(hào)，因?yàn)橛?jì)數(shù)器的輸入和輸出是接在一起的，所以，此時(shí)會(huì)將輸出置如，相當(dāng)于把此刻的狀態(tài)鎖定了，雙方的按鍵都無效。 （2）復(fù)位 74ls160有異步清零

19、端，如果清零端接收到有效電平，馬上會(huì)將計(jì)數(shù)器清零。所以，當(dāng)按下復(fù)位鍵的時(shí)候，雙方的led燈又會(huì)回到起點(diǎn)位置，比賽就可以重新開始了。 （3）在數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行驗(yàn)證 (1首先進(jìn)行功能模塊的驗(yàn)證 觸發(fā)脈沖的驗(yàn)證，按照電路圖接線，檢查無誤后接通電源，結(jié)果顯示正常。 138和led燈的功能驗(yàn)證，其中一片138顯示正常，而另外一片的輸出顯示卻不正常，換了一片138后顯示正常。由此得知先前那片138有問題，仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)這片138的型號(hào)與一般的138不同。 控制模塊的驗(yàn)證，當(dāng)將線路接好后，給一個(gè)5v,1kh的輸入時(shí)，其中一個(gè)138的輸出顯示正常,對(duì)應(yīng)的led燈有規(guī)律的移動(dòng)。另一半的led燈卻不會(huì)動(dòng)，經(jīng)過反復(fù)排查線路，最后發(fā)現(xiàn)，不正常的的那一半是因?yàn)?4ls160接電源的端子那條接線有問題，換了一根線后，控制電路的測試正常。 (2總電路的連接 將以上各個(gè)功能模塊按照總體電路原理圖連接起來，其中要注意反饋的引入，即把兩片138的連接的尾燈的輸出經(jīng)過一個(gè)74