數(shù)字電路與邏輯設計教程-第9章

第9章實驗與課程設計9.1實驗要求9.2數(shù)字電路實驗9.3課程設計9.1實驗要求9.1.1實驗課的重要性數(shù)字電路實驗是一門技術基礎課，具有很強的實踐性，是必不可少的教學環(huán)節(jié)。通過實驗，不僅可以鞏固和加深理解所學的理論知識，更重要的是學會了實驗基本技能，提高了獨立分析問題和解決問題的能力。通過電路實驗，可以幫助培養(yǎng)學生嚴肅、嚴格、嚴密的科學態(tài)度和工作作風，為后續(xù)專業(yè)課的學習、生產(chǎn)實踐與科學研究打下堅實的基礎。下一頁返回9.1實驗要求9.1.2實驗前的預習及預習報告上實驗課之前必須預習與實驗內(nèi)容有關的理論知識并認真閱讀本章;對實驗目的、實驗原理及可能采取的實驗步驟有所了解;對所要用到的儀器儀表，要提前了解其工作原理、使用方法和注意事項;對被測物理量的變化趨勢及可能出現(xiàn)的問題進行實驗前的分析和預估。每次課前要寫出預習報告，其內(nèi)容包括如下:(1)實驗目的及原理。(2)所用儀器、設備、儀表及元件等。(3)畫出實驗電路圖。(4)做出實驗數(shù)據(jù)表格。(5)擬定主要實驗步驟。上一頁下一頁返回9.1實驗要求9.1.3實驗過程中應注意的問題實驗操作過程是實驗課的主要內(nèi)容，第一次實驗前應先熟悉實驗室的規(guī)章制度。實驗中要有嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，做到頭腦清醒、膽大心細、有條不紊。同組同學應互相配合，爭取獲得較好的實驗效果。實驗過程中應注意以下幾個方面。(1)合理選擇、使用儀器儀表，在使用過程中隨時注意以本書的有關內(nèi)容為指導。注意分清電壓表與電流表、信號發(fā)生器與一般工頻交流電源的區(qū)別，交流與直流儀表不能混用。根據(jù)預算值合理選擇儀表量程;不能預估被測值時，應先選擇較高量程。使用調(diào)壓器及直流穩(wěn)壓電源時，接通電源前，要將其起始位置置于零位。上一頁下一頁返回9.1實驗要求(2)接線時，要合理布局，保持上進下出、左進右出的順序。電路較復雜時，可先接最外面的回路，然后分步完成各支路的接線。每個接線柱上的導線頭不宜超過3個。接好線路并確認無誤后，方能接通電源。(3)測量點的數(shù)目和間隔要合理選擇。如被測物理量是一條曲線，則在曲線較彎曲處要多選幾個測試點，線性處則可少測集個點。一般情況下，讀取三位有效數(shù)字，填入表格的數(shù)據(jù)不要涂改，重新測量的數(shù)據(jù)可寫在原數(shù)據(jù)旁邊，以便分析、比較。上一頁下一頁返回9.1實驗要求(4)實驗過程中，如發(fā)生燒斷保險管、不正常響聲、冒煙、有焦味等異常現(xiàn)象，應立即關斷電源，并報告指導教師。待檢查線路、排除故障后再繼續(xù)實驗。(5)完成實驗任務后，認真檢查所測數(shù)據(jù)有無錯誤或遺漏，然后關閉儀器、切斷電源、拆開線路、整理好實驗臺。經(jīng)老師檢查后方可離開實驗室。上一頁下一頁返回9.1實驗要求9.1.4實驗報告的書寫要求整理、編寫實驗報告是實驗課的重要環(huán)節(jié)。通過實驗報告的編寫，可以系統(tǒng)地理解實驗課中所獲得的知識，建立清晰的概念，同時提高進行科學總結的能力。實驗報告主要包括以下幾個內(nèi)容。(1)實驗目的與實驗原理。(2)主要儀器和儀表的名稱、型號、規(guī)格及實驗臺編號。(3)實驗任務及步驟。要求畫出電路圖，用簡潔的語言擬定實驗步驟并作出數(shù)據(jù)表格。上一頁下一頁返回9.1實驗要求(4)數(shù)據(jù)處理及波形曲線。記錄測試數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)進行整理和計算時，要注意單位的確定和有效數(shù)字的保留，一般要求保留3位有效數(shù)字。波形曲線應畫在坐標紙上，每個坐標軸要注明變量名稱和單位，需進行比較的波形曲線要畫在同一個直角坐標系中。曲線的彎曲部分多選幾個測試點，線性部分少選幾個測試點。連接各點時，要盡量使曲線光滑。(5)實驗結論、誤差分析和實驗體會。根據(jù)實驗結果得出明確的結論。對一些問題可進行分析，如分析誤差的原因或解釋一些實驗現(xiàn)象，提出進一步改進的意見等?？傊?，實驗報告要求文理通順、簡明扼要、字跡整潔、圖表清晰、結論正確、分析合理。上一頁返回9.2數(shù)字電路實驗9.2.1實驗1:門電路1.實驗目的(1)掌握各種門電路的邏輯符號、函數(shù)式、真值表、功能、管腳及使用方法。(2)了解集成電路的外引腳排列及其使用方法。(3)學習掌握用SSI器件構成組合邏輯電路設計與分析的方法。(4)熟悉三態(tài)門的邏輯功能及典型應用。下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗2.預習要求(1)復習SSI組合邏輯電路的基礎知識。(2)熟練掌握常用SSI集成邏輯門器件芯片管腳排列圖及使用方法。(3)熟悉實驗內(nèi)容、實驗步驟及正確的接線和操作方法，畫出實驗電路圖和實驗數(shù)據(jù)表格。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗3.相關理論集成邏輯門電路是最簡單、最基本的數(shù)字集成元件。任何復雜的組合電路和時序電路都可用邏輯門通過適當?shù)慕M合連接而成。目前已有門類齊全的集成門電路，如“與門”“或門”“非門”“與非門”等。雖然中、大規(guī)模集成電路相繼問世，但在組成某系統(tǒng)時仍少不了各種門電路。因此，掌握邏輯門的工作原理，熟悉、靈活地使用門電路是數(shù)字技術工作者必備的基本功之一。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗TTL門電路具有工作速度高、種類多、不易損壞的特點而使用較廣泛。74LS(或74)系列TTL集成電路的工作電源電壓為(5士0.5)V，邏輯高電平1時電源電壓不小于2.4V，低電平0時不大0.4V。圖9-1所示為2輸入“與門”，輸入“或門”，2輸入和4輸入“與非門”及反相器的邏輯符號圖。它們的型號分別為74LS08,74LS32,74L00,74LS20和74LS04。表達式分別為與門Q=A·B、或門Q=A+B、與非門Q=和Q=、反相器Q=。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗TTL集成門電路外引腳分別對應邏輯符號圖中的輸入、輸出端。電源和地一般為集成塊的兩端，如14腳集成塊，7腳為電源地(GND)、14腳為電源正端(UCC)。外引腳的識別方法是:將集成塊正面對準使用者，從凹口左邊或小標志點“·’，為起始點，逆時鐘方向向前數(shù)依次為2,3,4,…、n。CMOS集成電路具有功耗低、輸出幅度大、噪聲容限大、扇出能力強、電源范圍寬的特點而應用廣泛。CMOS使用時應注意以下幾點:不用的輸入端不能懸空;電源電壓使用正確，不得接反;焊接或測量儀器可靠接地;不得在通電情況下，隨意拔插輸入接線;輸入電平應在CMOS標準邏輯電平范圍內(nèi)。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗邏輯函數(shù)的4種表示方法及化簡是學習研究數(shù)字電路的數(shù)學基礎，函數(shù)的4種表示方法是真值表、函數(shù)式、邏輯圖和卡諾圖。它們在本質(zhì)上是相通的，可以相互轉換。函數(shù)圖的化簡方法有代數(shù)法和卡諾圖法，在邏輯變量N<=4時，使用卡諾圖法具有簡單、直觀，化簡過程有可循步驟，易掌握等特點。常用的集成邏輯門器件有前面講到的TTL器件和CMOS器件兩大類。對于器件的學習重點應放在邏輯符號、真值表、函數(shù)式、邏輯功能、管腳圖、與各種外特性有關的參數(shù)及正確使用方法等上面。由基本邏輯門和復合邏輯門可以構成各種邏輯電路，其特點是在任何時刻輸出信號僅取決于該時刻的輸入信號，而與信號作用前電路原來所處狀態(tài)無關。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗對于組合邏輯電路的學習重點應放在掌握組合邏輯電路的分析方法和設計方法上，用于工程實際應用。組合邏輯電路的設計步驟:由邏輯功能要求定義邏輯變量0和1的含義，按實際邏輯命題給定的事物間的關系，經(jīng)邏輯抽象

真值表卡諾圖或代數(shù)法化簡最簡邏輯函數(shù)式變換邏輯電路圖，元件選擇電路組裝及調(diào)試。組合邏輯的分析步驟是:邏輯圖各輸出端的邏輯函數(shù)式邏輯函數(shù)式的化簡或變換真值表分析邏輯功能。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗4.實驗設備與器材(1)數(shù)字電子實驗系統(tǒng):1臺。(2)集成電路:74LS20,74LS00和74LS125，各1片。5.實驗內(nèi)容及步驟1)設計用集成與非門器件構成3人表決器(1)邏輯變量及邏輯狀態(tài)假設。①假設A,B,C為輸入變量，高電平“1”為贊成，低電平“0”為反對。②表決人操作表決器按鍵閉合為“1"，斷開為“0"。③假設Y為輸出變量，高電平“1”通過，低電平“0”為否決。Y=1時，執(zhí)行器件燈亮;Y=0時，執(zhí)行器件燈熄。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗(2)根據(jù)命題給定的事物因果關系，三人中兩人以上贊成決議通過，列出真值表見表9-1。(3)由真值表寫出邏輯函數(shù)式如下:(4)用卡諾圖化簡函數(shù)。由真值表或函數(shù)式得到卡諾圖如圖9-2所示，求得最簡輸出函數(shù)Y=AB+BC+CA。(5)由命題要求，把函數(shù)式變換為Y=。(6)邏輯電路圖如圖9-3所示。(7)集成電路圖如圖9-4~圖9-5所示。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗(8)接線，驗證表決器的邏輯功能(注:74LS20的1腳接高電平)并將實驗結果填入表9-2中。2)用三態(tài)門構成數(shù)據(jù)傳輸總線電路(1)74LS125三態(tài)門外的引腳排列如圖9-6所示。按圖9-7所示接其中三態(tài)門3個輸入分別接地、高電平1和脈沖源，輸出連在一起接LED。3個使能端分別接實驗箱邏輯開關K1、K2和K3并全置1。(2)使3個使能端輪流為"0"，觀察并記錄LED和Q的輸出狀態(tài)。注意:實驗接線前，首先要使K1=K2=K3=1，實驗操作過程中決不允許K1、K2和K3中有兩個及以上同時為0，否則將造成與門輸出相連而損壞器件。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗6.實驗報告要求(1)整理分析實驗數(shù)據(jù)和結果，總結SSI組合邏輯電路的設計與分析方法。(2)分析三態(tài)門應用于構成數(shù)據(jù)傳輸總線的工作原理。7.思考題設計一個監(jiān)測信號燈工作狀態(tài)邏輯電路。每一組信號燈由紅、黃、綠3盞燈組成，正常工作情況下，任何時刻點亮的狀態(tài)是紅、綠或黃加上綠中的一種。而當出現(xiàn)其他5種點亮狀態(tài)時，電路發(fā)生故障要求邏輯電路發(fā)出故障信號，以提醒維護人員前去修理。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗9.2.2實驗2:組合邏輯設計1.實驗目的(1)熟悉數(shù)字電路的設計方法。(2)學習并掌握智力搶答器電路的設計方法。2.預習要求(1)熟悉并掌握3線-8線優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279，譯碼器74LS247，共陽極數(shù)碼管腳排列及使用方法。(2)熟悉實驗內(nèi)容、實驗步驟及正確的接線操作方法，并畫出實驗電路圖。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗3.相關理論數(shù)字搶答器具有數(shù)碼鎖存和顯示功能，搶答組數(shù)為8組，即序號分別為0,1,2,3,4,5,6,7，優(yōu)先搶答者按動本組序號開關，組號立即鎖存到LED顯示器上。同時封存其他組號，系統(tǒng)設置外部清除鍵并由主持人控制。若按動清除鍵，LED顯示器自動清零滅燈。3線-8線優(yōu)先編碼器的外引腳排列如圖9-8所示，功能真值表見表9-3。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗圖9-9所示電路的工作原理是:控制開關置于“清除”位置時，RS鎖存器的為低電平，輸出Q1~Q4全部為低電平，74LS247的=0,顯示器滅燈;74LS148的選通輸入端=0,74LS148處于工作狀態(tài)，此時鎖存電路不工作，當控制開關置于“開始”位置時，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，輸入端等待輸入信號，當有選手按下?lián)尨痖_關，如5組按下，則74LS148輸出為=010,=0。經(jīng)RS鎖存器后Q=1,=1,74LS247處于工作狀態(tài)，Q4Q3Q2=101，經(jīng)譯碼器后，顯示器顯示5,Q1=1，使74LS148的為高電平，74LS148處于禁止狀態(tài)，封鎖其他搶答開關的輸入。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗這就保證了搶答的優(yōu)先性以及準確性，當搶答者回答完問題后由節(jié)目主持人操作控制開關，使搶答電路復位，以便進行下一輪搶答。4.實驗器材(1)數(shù)字電子實驗系統(tǒng):1臺。(2)集成電路:74LS148,74LS279和74LS247，各1塊。(3)數(shù)碼顯示:共陽數(shù)碼管LTS546R,1只。(4)電阻:1的8個，10的1個。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗5.實驗內(nèi)容及步驟(1)按圖9-9所示進行接線，使S控制開關置于開始位置，按動0~7組開關的任意一組觀察數(shù)碼管的顯示，對應的搶答組序號是否顯示在數(shù)碼管上。(2)再次按動其他搶答組開關，數(shù)碼顯示是否改變。(3)把S控制開關置于“清除”位置時，顯示器是否滅燈。(4)再次把S控制開關置于“開始”位置，是否可以進行第二輪搶答。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗6.實驗報告要求(1)畫出數(shù)字搶答器的電路。(2)列出實驗數(shù)據(jù)和時序波形圖。7.思考題(1)在數(shù)字搶答器中，如何將序號位0的組號在七段顯示器上改為顯示8。(2)在數(shù)字搶答器中，若將搶答組數(shù)擴展到10組，應如何設計優(yōu)先編碼器。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗9.2.3實驗3:觸發(fā)器1.實驗目的(1)掌握基本RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器和T觸發(fā)器的邏輯功能。(2)熟悉各類觸發(fā)器之間邏輯功能相互轉換的方法。2.預習要求(1)復習有關觸發(fā)器部分的內(nèi)容。(2)列出各觸發(fā)器功能的測試表格。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗3.相關理論觸發(fā)器是具有記憶功能的二進制信息存儲器件，是時序邏輯電路的基本單元之一。本實驗采用74LS112型雙JK觸發(fā)器，是下降邊沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器，引腳排列如圖9-10所示，表9-4為其功能表。D觸發(fā)器是另一種使用廣泛的觸發(fā)器，它的基本結構多為維持-阻塞型，一般是在CP脈沖上升沿觸發(fā)翻轉。本實驗采用74LS74型雙D觸發(fā)器，是上升邊沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器，引腳排列如圖9-11所示，表9-5為其功能表。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗CMOSCD4013雙D觸發(fā)器邏輯功能與TTL74LS74相同，引腳排列如圖9-12所示，它的觸發(fā)方式是上升邊沿觸發(fā)，直接置位、復位端S、R高電平起作用，觸發(fā)器工作時應置S=R=O,表9-6為CD4013的功能表。CMOSCD4027雙JK觸發(fā)器的邏輯功能與TTL74LS112相同，引腳排列如圖9-13所示，觸發(fā)方式及直接置位、復位功能與4013相同，表9-7為CD4027的功能表。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗4.實驗器材(1)數(shù)字電子實驗系統(tǒng):1臺。(2)示波器:1只。(3)集成電路:74LS112、74LS74和74LS00，各1塊。5.實驗內(nèi)容及步驟1)測試基本RS觸發(fā)器的邏輯功能用與非門74LS00構成基本RS觸發(fā)器。輸入端接邏輯開關，輸出端接電平指示器，按表9-8的要求測試邏輯功能記錄。2)測試雙JK觸發(fā)器74LS112的邏輯功能上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗(1)測試和的復位、置位功能。任取一只JK觸發(fā)器，、、，J、K端接邏輯開關，CP端接單次脈沖源，Q和端接電平指示器，按表9-8的要求改變和(J、K、CP處于任意狀態(tài))，并在=0(=1)或=0(=1)作用期間任意改變J、K及CP的狀態(tài)，觀察Q和的狀態(tài)并記錄。(2)測試JK觸發(fā)器的邏輯功能。按表9-9的要求改變J、K、CP端的狀態(tài)，觀察Q和的狀態(tài)變化，觀察觸發(fā)器狀態(tài)更新是否發(fā)生在CP脈沖的下降沿(即CP由10)，并記錄數(shù)據(jù)。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗(3)將JK觸發(fā)器的J、K端連在一起，構成T觸發(fā)器。①CP端輸入1Hz連續(xù)脈沖，用電平指示器觀察輸出端的變化情況。②CP端輸入1kHz連續(xù)脈沖，用雙蹤示波觀察時鐘脈沖及輸出端的波形，注意相位和時間關系并進行描繪。3)測試雙D觸發(fā)器74LS74的邏輯功能(1)測試、，的復位、置位功能，測試方法同2)。(2)測試D觸發(fā)器的邏輯功能。按表9-10的要求進行測試，并觀察觸發(fā)器輸出狀態(tài)的更新是否發(fā)生在時鐘脈沖的上升沿(即CP由01)，并記錄數(shù)據(jù)。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗(3)將D觸發(fā)器的D端與端相連接，構成T’觸發(fā)器，測試其邏輯功能，并記錄實驗數(shù)據(jù)。(4)用JK觸發(fā)器將時鐘脈沖轉換成兩相時鐘脈沖。實驗電路如圖9-14所示，輸入端CP接1Hz脈沖源，輸出端QA和QB的接示波器，觀察CP、QA和QB的波形并將其畫出。6.實驗報告要求(1)列表整理各類型觸發(fā)器的邏輯功能。(2)總結JK觸發(fā)器74LS112和D觸發(fā)器74LS74的特點。(3)畫出JK觸發(fā)器作為T’觸發(fā)器時，輸出端的波形圖，討論它們之間的相位和時間的關系。(4)總結圖9-14所示電路的功能。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗9.2.4實驗4:555定時器及應用1.實驗目的(1)熟悉基本定時電路的工作原理及定時元件RC對振蕩周期和脈沖寬度的影響。(2)掌握用555集成定時器構成定時電路的方法。2.預習要求(1)復習555定時器的結構和工作原理。(2)掌握555定時器的管腳排列。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗3.相關理論555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當?shù)膸讉€元件，就可以構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器等脈沖的產(chǎn)生與變換電路。它在工業(yè)自動控制、定時、仿聲、電子樂器、防盜等方面有廣泛的應用。該器件的電源電壓為4.5~18V,馬伙動電流可達200mA左右，并且可以與TTL和CMOS邏輯電平相兼容。555定時器的內(nèi)部電路框圖及管腳排列分別如圖9-15和圖9-16所示。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗555定時器內(nèi)部含有兩個電壓比較器C1和C2，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電三極管和一個輸出反相放大器。在UCC和地之間加上電壓，并讓UM懸空，則C1比較器參考電壓為，C2比較器的參考電壓為。若C2比較器的輸出電壓，則C2比較器輸出為0，可使基本RS觸發(fā)器置1，使輸出UO=1。若C2比較器的輸入電壓時，則C1比較器輸出0，可使基本RS觸發(fā)器置0，使輸出端Q為0。若復位端=0，則基本RS觸發(fā)器置0，使輸出Q為0。UM的電壓加入，可改變兩比較器的參考電壓。若不用時可通過電容(通常為0.01uF)接地。放電管VT的輸出端UO'為集電極開路輸出。定時器的功能見表9-11。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗從555功能表及原理圖可知，只要在其相關的位置輸入相應的信號就可得到各種不同的電路，如多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。4.實驗器材(1)數(shù)字電子實驗系統(tǒng):1臺。(2)直流穩(wěn)壓電源:1臺。(3)示波器和函數(shù)發(fā)生器:各1臺。(4)萬用表:1只。(5)集成電路:NE555,1只。(6)電}沮:300,2,1各1只。(7)電位器10;1只。(8)電容0.01uF,0.1uF,0.47uF,10uF:各1只。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗5.實驗內(nèi)容及步驟1)多諧振蕩器按圖9-17所示進行接線，輸出端UO接發(fā)光二極管和示波器，并把10uF電容串入電路中。(1)接線完畢后，檢查無誤，接通電源，555工作，這時可看到LED發(fā)光管一閃一閃的，調(diào)節(jié)RW的值，可從示波器上觀察到脈沖波形的變化。(2)改變電容C的數(shù)值為0.1uF，再調(diào)節(jié)RW，觀察輸出波形變化后，記錄下輸出波形及頻率。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗2)施密特觸發(fā)器(1)按圖9-18所示進行接線，其中555的2和6腳接在一起，并將接至函數(shù)發(fā)生器三角波的輸出幅值調(diào)至5V，Ui和UO端接雙蹤示波器。(2)接線無誤后，接通電源，輸入三角波，并調(diào)至一定的頻率，觀察輸入和輸出波形的形態(tài)。(3)輸入正弦波，并調(diào)至一定的頻率，觀察輸入和輸出的波形。(4)調(diào)節(jié)RW，使外加電壓Ui變化，觀察示波器上輸出波形的變化。上一頁下一頁返回9.2數(shù)字電路實驗6.實驗報告要求整理實驗線路，畫出各實驗波形。7.思考題利用555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖9-19所示。上一頁返回9.3課程設計9.3.1交通信號燈控制器1.功能要求(1)A、B分別代表兩個方向(十字交叉)的道路。(2)A道和B道均有紅、綠、黃3種信號燈。(3)兩個方向自動控制交替通行，并要求兩個方向每次均通行30s。(4)在綠燈變?yōu)榧t燈時，先由綠燈變?yōu)辄S燈，5s后，再由黃燈變?yōu)榧t燈，此時另一方向才由紅燈變?yōu)榫G燈。下一頁返回9.3課程設計2.總體方案(1)S0狀態(tài)表示A道綠燈亮，B道紅燈亮，30s定時開始計時，且通車時間未超過30s。(2)S1狀態(tài)表示A道通車時間已達到30s，此時，A道黃燈亮，B道紅燈亮，5s定時器開始計時。(3)S2狀態(tài)表示A道黃燈時間已超過5s，此時，A道紅燈亮，B道綠燈亮，30s定時器開始計時。(4)S3狀態(tài)表示B道通車時間已超過30s，此時，A道紅燈亮，B道黃燈亮，5s定時器開始計時;以后當B道黃燈計時超過5s時，接S0狀態(tài)。上一頁下一頁返回9.3課程設計(5)A、B兩道紅、黃、綠3個燈分別用RA、YA、GA和RB、YB、GB表示。燈亮用"1"表示，燈滅用"0"表示，則兩個方向信號燈的4種輸出狀態(tài)見表9-12。3.電路設計(1)30s和5s定時器如圖9-20所示。圖中選用74LS161分別構成了30s和5s定時器電路，C為控制信號。當C=0時，30s定時器開始計時，禁止5s定時器計時;當C=1時，5s定時器開始計時，禁止30s定時器計時。上一頁下一頁返回9.3課程設計(2)控制部分:當滿足B道5s定時器超過5s即T5=1時，A道綠燈亮，B道紅燈亮;當滿足A道30s定時器超時30s即T30=1時，A道黃燈亮，B道紅燈亮;當滿足A道5s定時器T5=1時，A道紅燈亮，B道黃燈亮;當滿足B道30s定時器超時30s即T30=1時A道紅燈亮，B道黃燈亮。(3)采用74LS161進行控制。根據(jù)上述分析得到的控制激勵表見表9-13。上一頁下一頁返回9.3課程設計由于只有4個狀態(tài)，因此只需兩位二進制編碼即可。根據(jù)74LS161的控制激勵表，很容易得到控制輸出表達式為:4.邏輯電路表CTP的功能可采用四選一數(shù)據(jù)選擇器CT74LS153來實現(xiàn)，根據(jù)以上分析可畫出交通燈控制系統(tǒng)邏輯電路圖。上一頁下一頁返回9.3課程設計5.課程設計要求(1)畫出電路邏輯圖并分析工作原理。(2)根據(jù)原理圖選好元器件。(3)用計算機繪出印制電路板布線圖。(4)制作印制電路板，把元器件焊接好。(5)通電工作和調(diào)試(1Hz和10Hz信號可選用數(shù)字電路學習機上的信號輸出)。(6)寫出課程設計報告，分析故障產(chǎn)生的原因，說明解決辦法。上一頁下一頁返回9.3課程設計9.3.2脈搏計設計1.功能要求設計一脈搏計，要求能夠?qū)崿F(xiàn)在30s內(nèi)測量人的脈搏跳動次數(shù)，并且將脈搏數(shù)顯示出來。2.總體方案1)分析題目要求脈搏計是用來測量一個人心臟跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，用來測量頻率較低的小信號(傳感器輸出電壓一般為幾毫伏)，它的基本功能如下。上一頁下一頁返回9.3課程設計(1)用傳感器將脈搏的跳動轉換為電壓信號，并加以放大、整形和濾波。(2)在短時間內(nèi)(30s)測出每分鐘的脈搏數(shù)。2)選擇總體方案滿足上述設計功能可以實施的方案很多，現(xiàn)提出下面兩種方案。方案I如圖9-21所示，圖中各部分的作用如下所述。(1)傳感器:將脈搏跳動信號轉換為對應的電脈沖信號。(2)放大與整形電路:放大電路用來將傳感器的微弱信號放大;整形電路用來濾除雜散信號。上一頁下一頁返回9.3課程設計(3)倍頻器:將整形后所得到的脈沖信號的頻率提高。如30s內(nèi)傳感器所獲得的信號頻率2倍頻，即可得到對應1min的脈沖數(shù)，從而縮短測量時間。(4)基準時間產(chǎn)生電路:產(chǎn)生標準時間信號，用來控制測量時間。(5)控制電路:用以保證在基準時間控制下，使2倍頻后的脈沖送到計數(shù)、譯碼、顯示電路中。(6)計數(shù)、譯碼、顯示電路:用來讀出脈搏數(shù)，并以十進制數(shù)的形式由數(shù)碼管顯示出來。(7)電源電路:按電路要求提供符合要求的直流電源。上一頁下一頁返回9.3課程設計上述測量過程中，由于對脈沖進行了2倍頻，計時時間也相應縮短了一半(30s)，而數(shù)碼顯示的數(shù)字卻是1min的脈搏跳動次數(shù)。用這種方案測量的誤差為士2次/min，測量時間越短，誤差也就越大。方案II如圖9-22所示。該方案是首先測出脈搏跳動5次所需的時間，然后再換算為每分鐘脈搏跳動的次數(shù)，這種測量方法的誤差小，可達士1次/min，此方案的傳感器、放大與整形、計數(shù)、譯碼、顯示電路等部分與方案I完全相同，現(xiàn)將其余部分的功能介紹如下。上一頁下一頁返回9.3課程設計(1)六進制計數(shù)器:用于檢測6個脈搏信號，產(chǎn)生5個脈沖周期。(2)基準脈沖發(fā)生器:產(chǎn)生周期為0.05s的基準脈沖信號。(3)門控電路:控制基準脈沖信號進入8位二進制計數(shù)器。(4)8位二進制計數(shù)器:對通過門控電路的基準脈沖進行計數(shù)。例如5個脈搏周期為5s，即門打開5s的時間，讓0.05s周期的基準脈沖信號進入8位二進制計數(shù)器，顯然計數(shù)值為100，反之由它可相應求出5個脈沖周期的時間。上一頁下一頁返回9.3課程設計(5)定脈沖數(shù)產(chǎn)生電路:它可產(chǎn)生定脈沖數(shù)信號，如6000個脈沖送入可預置8位計數(shù)器端。(6)可預置8位計數(shù)器:以8位二進制計數(shù)器值(如100)作為預置數(shù)，對6000個脈沖進行分頻，所得的脈沖數(shù)(如得到60個脈沖)即心率。方案I結構簡單，易于實現(xiàn)，但測量精度偏低;方案II電路結構復雜、成本高、測量精度高。根據(jù)設計要求，精度為士2次/min，在滿足設計要求的前提下，應盡量簡化電路，降低成本，故選擇方案I。上一頁下一頁返回9.3課程設計3.單元電路的設計1)放大電路如上所述，此部分電路的功能是:由傳感器將脈搏信號轉換為電信號，一般為幾十毫伏，必須加以放大，以達到整形電路所需的電壓(一般為集伏)。放大后的信號是不規(guī)則的脈沖信號，還必須進行濾波整形，整形電路的輸出電壓應滿足計數(shù)器的要求。所選電路框圖如圖9-23所示。上一頁下一頁返回9.3課程設計各部分電路的組成及參數(shù)如下。(1)傳感器:采用了紅外光電轉換器，作用是通過紅外光照射人的手指的血脈流動情況，把脈搏跳動轉換為電信號，其原理電路如圖9-24所示。在圖9-24中，紅外發(fā)光管LED采用了TLN104，接收三極管VT采用TLP104。用+5V電源供電，R1采用510，R2采用10k。(2)放大電路:由于傳感器輸出電阻比較高，故放大電路采用了同相放大器，如圖9-25所示，運放采用了OP07,電源電壓采用士5V，放大電路的電壓放大倍數(shù)為10倍左右，電路參數(shù)如下:R4=100k，R5=910k，R3=10k，C1=100uF。上一頁下一頁返回9.3課程設計(3)有源濾波電路:采用了二階壓控有源低通濾波電路，如圖9-26所示，作用是把脈搏信號中的高頻干擾信號去掉，同時把脈搏信號加以放大?？紤]到去掉脈搏信號中的干擾脈沖，所以有源濾波電路的截止頻率為1kHz左右。為了使脈搏信號放大到整形電路所需的電壓值，通常電壓放大倍數(shù)選用1.6倍，集成運放采用OP07。(4)整形電路:經(jīng)過放大濾波后的脈搏信號仍是不規(guī)則的脈沖信號，且有低頻干擾，仍不滿足計數(shù)器的要求，必須采用整形電路，這里選用了滯回電壓比較器，如圖9-27所示。其目的是為了提高抗干擾能力，集成運放采用了LM339，其電路參數(shù):R10=5.1k，R11=100k，R12=5.1k。上一頁下一頁返回9.3課程設計(5)電平轉換電路:由比較器輸出的脈沖信號是一個正、負脈沖信號，不滿足計數(shù)要求的脈沖信號，故采用電平轉換電路，如圖9-27所示。(6)放大與整形部分:電路放大與整形電路如圖9-28所示。2)倍頻電路該電路的作用是對放大整形后的脈搏信號進行2倍頻，以便在30s內(nèi)測出1min內(nèi)的人體脈搏跳動次數(shù)，從而縮短測量時間，以提高診斷效率。倍頻電路的形式很多，如鎖相倍頻器、異或門倍頻器等。由于鎖相倍頻器電路比較復雜，成本較高，所以這里采用了能滿足設計要求的異或門組成的二倍頻電路，如圖9-29所示。上一頁下一頁返回9.3課程設計G1和G2構成二倍頻電路，利用第一個異或門的延遲時間對第二個異或門產(chǎn)生作用。當輸入由0變成1或由1變成0時，都會產(chǎn)生脈沖輸出，輸入/輸出波形如圖9-30所示。電容器C4的作用是為了增加延遲時間，從而加大輸出脈沖寬度。根據(jù)實驗結果選用C4=0.047uF,R13=16k，其中異或門選用了CC4070。3)基準時間產(chǎn)生電路基準時間產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生一個周期為60s(即脈沖寬度為30s)的脈沖信號，以控制在30s內(nèi)完成1min的測量任務。實現(xiàn)這一功能的方案很多，現(xiàn)采用圖9-31所示的方案。上一頁下一頁返回9.3課程設計由框圖可知，該電路由秒脈沖發(fā)生器、15分頻電路和四分頻電路組成。(1)秒脈沖發(fā)生器:電路如圖9-32所示。為了保證基準時間的準確，采用了石英晶體振蕩電路，如圖9-32所示。石英晶體的主頻為32.768kHz，反相器采用CMOS器件，R14的值可在5~30M范圍內(nèi)選擇，R15的值可在10~150k范圍選擇，振蕩頻率基本等于石英晶體的諧振頻率，改變C6的大小對振蕩頻率有微調(diào)的作用。這里選用R14為5.1M，R15為51k，C5為56pF，C6為3~56pF，反相器利用了CC4060中的反相器，如圖9-32和圖9-33所示。上一頁下一頁返回9.3課程設計選用CC4060中的14位二進制計數(shù)器對32.768kHz進行14次二分頻產(chǎn)生一個頻率為2Hz的脈沖信號，然后用CC4013進行二分頻得到周期為1s的脈沖信號