數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電子制作內(nèi)容

1、項(xiàng)目四：數(shù)字電子設(shè)計(jì)內(nèi)容一、 目的要求1、 熟悉數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。2、 掌握數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法。二、制作內(nèi)容1、聲音響度顯示電路l 任務(wù)目標(biāo)設(shè)計(jì)聲音響度顯示電路，使其能夠顯示正常說話的音量，通過發(fā)光二極管來判別說話的聲音大小，并能夠根據(jù)聲音大小顯示出亮度。l 任務(wù)分析根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，繪制原理框圖如圖所示圖2-4-1 聲音響度原理框圖電路包括聲音檢測電路和顯示電路兩個(gè)部分，聲音檢測電路使用放大器LM386來實(shí)現(xiàn)放大咪頭拾取的語言信號，聲音大小顯示電路用來檢測無聲狀態(tài)、聲音較小狀態(tài)和聲音足夠大狀態(tài)后用二極管作出相應(yīng)的顯示。l 任務(wù)設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，設(shè)計(jì)聲音響度顯示電路，如圖所示圖2-4-

2、2 聲音響度仿真原理圖（proteus環(huán)境）圖中電路是由六個(gè)反相器CD4069構(gòu)成的聲音響度顯示電路。電路主要由兩只集成塊和6只發(fā)光二極管構(gòu)成。LM386是一塊音頻功率放大集成電路；CD4069是一塊非門集成電路；咪頭提供給LM386聲音聲源。l 任務(wù)實(shí)現(xiàn)（1）供電電路電池盒供給5V直流電壓用于響度檢測和顯示電路作工作電壓。（2）聲音檢測放大電路聲音檢測電路由咪頭和LM386為主構(gòu)成，由咪頭檢拾到的聲音信號，經(jīng)變換為電信號后加至LM386放大輸出，通過二極管對電容進(jìn)行充電，由此即可將聲音的大小變換為電容上所充電壓的大小。（3）顯示電路顯示電路由CD4069與6只發(fā)光二極管共同組成，CD4069

3、的6只非門的觸發(fā)電平均為電源電壓的1/2，R1-R6為降壓電阻，由于降壓電阻的作用，使咪頭上的充電電壓分配到6只非門輸入端的作用電壓依次降壓，也就是使非門1至非門6翻轉(zhuǎn)時(shí)所需的咪頭端電壓依次升高。無聲狀態(tài)：當(dāng)無聲音被咪頭檢拾到時(shí)，電容兩端電壓略低于電源電壓1/2，6只非門電路的輸入端均處于低電平狀態(tài)，其輸出均為高電平，故LED1-LED6發(fā)光二極管均不會(huì)點(diǎn)亮。聲音較小狀態(tài)：當(dāng)咪頭檢拾到的聲音較小時(shí)，咪頭兩端所充電壓較低，只有前面一個(gè)或兩個(gè)非門被觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出低電平，以使相對應(yīng)的發(fā)光二極管被導(dǎo)通發(fā)光。聲音足夠大狀態(tài)：當(dāng)咪頭檢拾到聲音足夠大時(shí)，咪頭兩端的充電電壓會(huì)接近電源電壓，該電壓雖經(jīng)R1-R5

4、降壓，但在R6的上端仍可分得超過1/2電源電壓的作用電壓，使非門6也翻轉(zhuǎn)，并輸出低電平，點(diǎn)亮LED6發(fā)光二極管。此時(shí)LED1-LED6全部點(diǎn)亮，以顯示聲音的響度最高。這種聲音響度顯示電路適用于娛樂中測量掌聲、喊叫聲的響度，也可用于家庭音響系統(tǒng)，作為音響電平指示器等。l 任務(wù)難點(diǎn)R1-R6分壓電阻的選取。電路設(shè)計(jì)者首先要在multisim或proteus中仿真出結(jié)果，仿真時(shí)，聲音信號可以用信號發(fā)生器代替。當(dāng)仿真出結(jié)果時(shí)，電阻值基本上粗略估定，然后用萬用版插接實(shí)驗(yàn)，插接時(shí)可以電阻可以使用可變電阻代替，當(dāng)實(shí)驗(yàn)得出效果后，測出實(shí)際電阻用固定電阻代替。l 所用元件列表表2-4-1 聲音響度電路元件清單電

5、池盒（四節(jié)）1只1.5V干電池4節(jié)按鍵開關(guān)3只電阻若干只CD4069非門1只發(fā)光二極管6只電路板一塊導(dǎo)線若干l 任務(wù)要求（1） 要做出multisim或proteus仿真圖。（2） 要做出protel原理圖和PCB圖，設(shè)置最小線寬及線間距大于等于8mil（0.2mm），焊盤內(nèi)徑為20mil-40mil（0.6-1mm），焊盤外徑大于等于60mil（1.5mm）。（3） 做出實(shí)物要考慮電源開關(guān)，咪頭輸入和發(fā)光二極管等輸入輸出及調(diào)整元件的位置以便包裝。（4） 要寫出設(shè)計(jì)文檔，要求文章結(jié)構(gòu)同電子類設(shè)計(jì)文檔一樣。文檔中要求寫出LM386的有關(guān)電路，并說明本電路放大了多少倍，寫出CD4069非門的管腳圖

6、及功能，寫出分壓電路各點(diǎn)的參考電壓等關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，寫出咪頭的相關(guān)參數(shù)，給出LM386輸出電壓的范圍。2、水箱水位檢測電路l 任務(wù)目標(biāo)水位監(jiān)測電路監(jiān)測到水箱不同的水位后，通過譯碼器譯碼輸出控制音響電路發(fā)出不同聲音或閃爍提示。l 任務(wù)分析根據(jù)任務(wù)要求，該系統(tǒng)包括水位監(jiān)測電路、譯碼器、音響電路、載頻振蕩電路4個(gè)部分，如下圖所示。水位檢測電路用來檢測水位信號，當(dāng)水位到達(dá)某一位置時(shí)，給出輸出信號，譯碼器電路主要目的是把水箱水位信號轉(zhuǎn)換為控制信號，顯示電路把水位信號能夠顯示出來。圖2-4-3 水位監(jiān)測電路原理框圖l 任務(wù)設(shè)計(jì)水箱水位監(jiān)測電路設(shè)計(jì)圖如下圖所示：圖2-4-4水位監(jiān)測電路仿真圖（protues環(huán)境

7、）電路主要由2塊集成電路和四只發(fā)光二極管組成。其中：與非門的型號為CD4011，是一塊2輸入4與非門數(shù)字集成電路； CD4514是一塊4-16譯碼器（高電平有效）數(shù)字集成電路。 l 任務(wù)實(shí)現(xiàn)（1）水位檢測與信號轉(zhuǎn)換水箱中的水位用波動(dòng)開關(guān)進(jìn)行模擬。U1A-U1B組成4個(gè)反相器，將水位高低轉(zhuǎn)換為4組二進(jìn)制碼加到CD4514的2、3、21、22腳上。（2）信號譯碼CD4514是一塊4-16譯碼器，它對檢測到的水位信號進(jìn)行譯碼，譯碼后的結(jié)果分別去控制發(fā)光二極管的亮滅。（3）顯示電路通過二極管來顯示水位的不同變化。l 所用元件列表表2-4-2 水位監(jiān)測電路元件清單電池盒（四節(jié)）1只1.5V干電池4節(jié)4排

8、波動(dòng)開關(guān)1只471K電阻4只CD4011與非門1只CD4514譯碼器1只發(fā)光二極管4只二極管限流電阻若干電路板一塊導(dǎo)線若干l 任務(wù)要求（1） 要做出multisim或proteus仿真圖。（2） 要做出protel原理圖和PCB圖，設(shè)置最小線寬及線間距大于等于8mil（0.2mm），焊盤內(nèi)徑為20mil-40mil（0.6-1mm），焊盤外徑大于等于60mil（1.5mm）。（3） 做出實(shí)物要考慮電源開關(guān)，咪頭輸入和發(fā)光二極管等輸入輸出及調(diào)整元件的位置以便包裝。（4） 要寫出設(shè)計(jì)文檔，要求文章結(jié)構(gòu)同電子類設(shè)計(jì)文檔一樣。文檔中要求寫出CD4514的相關(guān)技術(shù)資料及使用方法和作用，寫出CD4011的

9、相關(guān)技術(shù)資料，分析此處使用4514的目的。3、可預(yù)制時(shí)間的定時(shí)電路的設(shè)計(jì)l 任務(wù)目標(biāo)用計(jì)數(shù)器構(gòu)成可預(yù)制時(shí)間的定時(shí)電路，應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合，并設(shè)定搶答時(shí)間。l 任務(wù)分析根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，繪制原理框圖如下圖。圖2-4-5定時(shí)電路原理框圖該設(shè)計(jì)包括秒脈沖發(fā)生器電路、計(jì)數(shù)器、顯示譯碼器和數(shù)碼管4個(gè)部分。在智力和知識競賽中，節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，通過計(jì)數(shù)器設(shè)定搶答時(shí)間，顯示譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示對應(yīng)時(shí)間，秒脈沖電路給計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘脈沖。l 任務(wù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電路如下圖所示：圖2-4-6定時(shí)電路仿真圖（proteus）電路由2塊十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器192預(yù)制答題的搶答時(shí)間，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由555

10、時(shí)基電路組成的多諧振蕩器提供，顯示譯碼器48驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示預(yù)制的時(shí)間。l 任務(wù)實(shí)現(xiàn)（1）秒脈沖電路555時(shí)基電路組成多諧振蕩器，產(chǎn)生一定頻率的矩形脈沖。脈沖周期由電容C的充放電時(shí)間決定，T=0.7（R1+2R2）C=1s。（2）時(shí)間顯示電路時(shí)間顯示電路選用2塊顯示譯碼器74ls48來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示預(yù)制的時(shí)間。（3）預(yù)制時(shí)間電路預(yù)制時(shí)間電路選用2塊十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器192進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩個(gè)集成塊的時(shí)鐘脈沖均從DN（down）輸入。低位片的DN接秒脈沖電路產(chǎn)生的秒脈沖信號，高位片的DN接低位片的借位端BO，低位片每計(jì)10個(gè)秒脈沖，高位片計(jì)1個(gè)，即高位片預(yù)制定時(shí)時(shí)間的十位數(shù)，低位片預(yù)制定時(shí)時(shí)間的個(gè)位

11、數(shù)。假設(shè)定時(shí)時(shí)間預(yù)制為30s，則預(yù)制高位片數(shù)據(jù)端D3D2D1D0=0011，低位片數(shù)據(jù)的D3D2D1D0=0000。接通電源和控制開關(guān)S，七段數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)“30”，然后斷開控制開關(guān)S。每過1s，數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)遞減，直到00，數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)就不再變化。l 所用元件列表表2-4-3 可預(yù)置定時(shí)電路元件清單74ls1922個(gè)74ls482個(gè)七段共陰極數(shù)碼管（單個(gè)8引腳）2個(gè)74ls001個(gè)電阻若干電容若干5551片發(fā)光二極管1只+5V電源單刀雙擲開關(guān)8個(gè)按鍵開關(guān)1個(gè)l 任務(wù)要求（1） 要做出multisim或proteus仿真圖。（2） 要做出protel原理圖和PCB圖，設(shè)置最小線寬及線間距大于

12、等于8mil（0.2mm），焊盤內(nèi)徑為20mil-40mil（0.6-1mm），焊盤外徑大于等于60mil（1.5mm）。（3） 做出實(shí)物要考慮電源開關(guān)，預(yù)置開關(guān)和發(fā)光二極管等輸入輸出及調(diào)整元件的位置以便包裝。（4） 要寫出設(shè)計(jì)文檔，要求文章結(jié)構(gòu)同電子類設(shè)計(jì)文檔一樣。文檔中要求寫出74LS192、74LS48和74LS00的管腳圖及功能表。試說明兩個(gè)與非門在電路中的作用并計(jì)算時(shí)鐘電路的參數(shù)。4、按鍵式加減電路的設(shè)計(jì)l 任務(wù)目標(biāo)用一個(gè)撥動(dòng)開關(guān)控制加減，用按鍵或一個(gè)秒脈沖發(fā)生器來產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，當(dāng)開關(guān)撥動(dòng)到加時(shí)，按鍵實(shí)現(xiàn)加計(jì)數(shù)，當(dāng)開關(guān)撥動(dòng)到減時(shí)，按鍵實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)。l 任務(wù)分析根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，繪制原理框圖

13、如下圖。圖2-4-7按鍵式加減電路原理框圖該設(shè)計(jì)包括秒脈沖發(fā)生器電路（或按鍵）、計(jì)數(shù)器加減控制、顯示譯碼器和數(shù)碼管4個(gè)部分。在很多應(yīng)用場合，需要通過一個(gè)開關(guān)來控制加減計(jì)數(shù)控制，通過按鍵來實(shí)現(xiàn)加減計(jì)數(shù)。顯示譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示對應(yīng)時(shí)間，秒脈沖電路給計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘脈沖。l 任務(wù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參考電路如圖所示：圖2-4-8按鍵式加減電路仿真圖（Proteus環(huán)境）l 任務(wù)實(shí)現(xiàn)（1）秒脈沖電路555時(shí)基電路組成多諧振蕩器，產(chǎn)生一定頻率的矩形脈沖。脈沖周期由電容C的充放電時(shí)間決定，T=0.7（R1+2R2）C=1s?；蚴峭ㄟ^按鍵方式來實(shí)現(xiàn)加減計(jì)數(shù)。555時(shí)基電路圖參考上例。（2）時(shí)間顯示電路時(shí)間顯示電路選用1塊

14、顯示譯碼器74ls48來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)內(nèi)容。（3）計(jì)數(shù)加減控制電路加減控制可以通過一個(gè)單刀雙擲開關(guān)來控制，通過它的撥動(dòng)來選擇加或減計(jì)數(shù)，再配合秒脈沖發(fā)生器就可以實(shí)現(xiàn)上述功能。l 所用元件列表表2-4-4 按鍵式加減控制電路元件清單74ls1921個(gè)74ls481個(gè)七段共陰極數(shù)碼管（單個(gè)8引腳）1個(gè)電阻若干電容若干5551片發(fā)光二極管1只+5V電源單刀雙擲開關(guān)2個(gè)按鍵開關(guān)1個(gè)l 任務(wù)要求（1） 要做出multisim或proteus仿真圖。（2） 要做出protel原理圖和PCB圖，設(shè)置最小線寬及線間距大于等于8mil（0.2mm），焊盤內(nèi)徑為20mil-40mil（0.6-1mm），焊盤外

15、徑大于等于60mil（1.5mm）。（3） 做出實(shí)物要考慮電源開關(guān)，預(yù)置開關(guān)等輸入輸出及調(diào)整元件的位置以便包裝。（4） 要寫出設(shè)計(jì)文檔，要求文章結(jié)構(gòu)同電子類設(shè)計(jì)文檔一樣。文檔中要求寫出74LS192、74LS48的管腳圖及功能表。試說明控制加減功能的實(shí)現(xiàn)。（5） 如果要控制兩位數(shù)的加減，試設(shè)計(jì)其實(shí)現(xiàn)電路。5、四人搶答電路l 任務(wù)目標(biāo)用D觸發(fā)器74LS175設(shè)計(jì)一個(gè)四人搶答器，當(dāng)四人中有一人按下按鍵則屏蔽其他人繼續(xù)按下。l 任務(wù)分析根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，繪制原理框圖如下圖。圖2-4-9四人搶答電路原理框圖該設(shè)計(jì)包括按鍵電路、多觸發(fā)器記憶電路、鎖定電路和顯示電路4個(gè)部分。l 任務(wù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電路如下圖所示：圖

16、2-4-10四人搶答電路仿真圖（proteus環(huán)境）時(shí)鐘信號采用100Hz，可以自己參考上面的例子用555定時(shí)器設(shè)計(jì)。l 任務(wù)實(shí)現(xiàn)（1）按鍵電路當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，按鍵電路輸出為低電平，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，輸出為高電平。（2）觸發(fā)器記憶電路74LS175的1引腳為清零信號，當(dāng)按下與它連接的按鈕時(shí)，觸發(fā)器輸出清零，即Q0Q1Q2Q3=0000，相應(yīng)的二極管都不亮。當(dāng)有一人按下按鍵時(shí)，屏蔽了時(shí)鐘輸入信號，此時(shí)其他人按下也不能使?fàn)顟B(tài)進(jìn)入觸發(fā)器。（3）顯示電路采用發(fā)光二極管用來顯示按下的位置。l 用元件列表表2-4-5 四人搶答電路元件清單74LS1751個(gè)發(fā)光二極管4個(gè)普通二極管1個(gè)三極管2N2221個(gè)揚(yáng)

17、聲器（8歐姆）1個(gè)74LS001個(gè)74LS201個(gè)電阻若干按鍵開關(guān)4個(gè)導(dǎo)線若干時(shí)鐘電路1個(gè)電源1個(gè)l 任務(wù)要求（1） 要做出multisim或proteus仿真圖。（2） 要做出protel原理圖和PCB圖，設(shè)置最小線寬及線間距大于等于8mil（0.2mm），焊盤內(nèi)徑為20mil-40mil（0.6-1mm），焊盤外徑大于等于60mil（1.5mm）。（3） 做出實(shí)物要考慮電源開關(guān)，預(yù)置開關(guān)等輸入輸出及調(diào)整元件的位置以便包裝。（4） 要寫出設(shè)計(jì)文檔，要求文章結(jié)構(gòu)同電子類設(shè)計(jì)文檔一樣。文檔中要求寫出74LS175、74LS20和74LS00的管腳圖及功能表。試說明搶答功能的實(shí)現(xiàn)及鎖定搶答電路的原

18、理。（5） 如果有8個(gè)人搶答，試設(shè)計(jì)其實(shí)現(xiàn)電路。6、三態(tài)邏輯電平筆l 任務(wù)目標(biāo)設(shè)計(jì)一三態(tài)邏輯電平筆，不僅可以檢測出電路的高電平、低電平與高阻狀態(tài)，還可以測出電路中是否存在脈沖信號。l 任務(wù)分析根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，繪制原理框圖如下圖。圖2-4-11三態(tài)邏輯電平原理框圖該設(shè)計(jì)包括檢測電路、顯示電路2個(gè)部分。l 任務(wù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電路如下圖所示：圖2-4-12三態(tài)邏輯電平仿真圖（proteus環(huán)境）當(dāng)開關(guān)撥動(dòng)到上方時(shí)，探筆與高電平連接，發(fā)光二極管D3導(dǎo)通發(fā)光，當(dāng)開關(guān)撥動(dòng)到中間時(shí)，探筆為高阻懸空狀態(tài)，兩個(gè)發(fā)光二極管都不發(fā)光，當(dāng)開關(guān)撥動(dòng)到下方時(shí)，發(fā)光二極管D4導(dǎo)通發(fā)光。l 任務(wù)實(shí)現(xiàn)（1）檢測電路當(dāng)電路的測試點(diǎn)沒有接

19、觸電路或者接觸的是高阻狀態(tài)時(shí)，由于電阻R3、R4和二極管D1、D2的分壓作用，使PNP型三極管Q2的基極電壓約為3.2V，它的發(fā)射級電壓約為3.8V。三極管Q2截止，發(fā)光二極管D4不亮（因?yàn)榘l(fā)光二極管的電壓降為1.8V）。同樣此時(shí)NPN型三極管Q1的基極電壓約為1.8V，它的發(fā)射極電壓約為1.2V，發(fā)光二極管D3也不亮。R5的作用是減小邏輯電平筆對被測電路的影響。R1和R2的作用是限流。（2）顯示電路當(dāng)電路的測試點(diǎn)接觸到高電平時(shí)，三極管Q1的基極電位升高，三極管Q1導(dǎo)通，發(fā)光二極管D3亮。而三極管Q2仍然截止，發(fā)光二極管D4不亮。當(dāng)電路的測試點(diǎn)接觸到低電平時(shí)，三極管Q2的基極電位降低，三極管Q

20、2導(dǎo)通，發(fā)光二極管D4亮。而三極管Q1仍然截止，發(fā)光二極管D3不亮。l 用元件列表表2-4-6 三態(tài)邏輯電平電路元件清單電阻若干發(fā)光二極管2個(gè)普通二極管1N41482個(gè)三極管90151個(gè)三極管90141個(gè)導(dǎo)線若干電源1個(gè)l 任務(wù)要求（1） 要做出multisim或proteus仿真圖。（2） 要做出protel原理圖和PCB圖，設(shè)置最小線寬及線間距大于等于8mil（0.2mm），焊盤內(nèi)徑為20mil-40mil（0.6-1mm），焊盤外徑大于等于60mil（1.5mm）。（3） 做出實(shí)物要考慮電源開關(guān)，預(yù)置開關(guān)等輸入輸出及調(diào)整元件的位置以便包裝。（4） 要寫出設(shè)計(jì)文檔，要求文章結(jié)構(gòu)同電子類設(shè)計(jì)文檔一樣。文檔中要求寫出電路工作原理，要有理論計(jì)算過程。（5） 如果測量12V的脈沖電路，應(yīng)如何設(shè)計(jì)電路。7、秒表的制作l 任務(wù)目標(biāo)設(shè)計(jì)一秒表實(shí)現(xiàn)電路，可以以1/10s，或者1/100s為單位進(jìn)行時(shí)間的測定。4位計(jì)數(shù)器分為1/100s，1/