数字电子技术应用课程创新设计

5
C1 0.01F
C2 0.01F
4
8
NE555B
2 TR
6
1
5 TH
C5 0.01F
R
＋ 5V
1
1 M
Rp 560
R2 6.2 k
C6 0.01 F
图1.2 简易电子琴电路
4. 接上电源，分别按下S1~S8开关，试听C调的1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 1， 音调要清晰， 节拍发生电 路应工作正常。
3． 从数字频率计的基本原理出发， 根据设计要求， 得
到如图所示的电路框图。
被
测
信号
信
放大
号
波形 整形
波形 整形
秒 信 分频 号 器
计 数 脉 冲
控制 门
全波 整流
电源
整流 稳压
计数 器
数据 锁存
器
4位 LED 显示
显示 译码
器
图 4.1 数字频率计框图
1） 框图中的电源采用50 Hz的交流市电。市电被降压、
C
451 1
A B C D
3 4 5
LT BI LE
E F G
13 12 11 10
9 15 14
7 1 2 6
3 4 5
U 9 74 H A B C D
LT BI LE
C 451 1
A B C
D E F G
13 12 11 10
9 15 14
U 7
1
2
6
10 74 H A B C D
C
451 1
A B C D
U 4B CLK EN
15 R
Q0 Q1 Q2 Q3
11 12 13 14
74 H C 451 8
&
1 2
U 5A CLK EN
7
R
Q0 Q1 Q2 Q3
3 4 5 6
74 H C 451 8
&
9 10
U 5B CLK EN
15 R
74 H C 451 8
Q0 Q1 Q2 Q3
11 12 13 14
3 4 5
LT BI LE
E F G
13 12 11 10
9 15 14
7 1 2 6
3 4 5
U
11 74 H A B C D
LT BI LE
C
451 1
A B C D E F G
13 12 11 10
9 15 14
K
V CC 5
2
6
4 C
74 H C 109
7
L
QQSD源自CDJK3
U 2A
1 2k R
数字电子技术应用课程创新 设计
设计1 简易电子琴电路
1. (1) 掌握用NE555 （2)了解简易电子琴的组成原理。
2． IC芯片NE555两片 扬声器1个， 琴键开关（或用常用按钮代替）8个， 电阻、 电容若干， 二极管（4148）1只， +5 V直流稳压电源1台， 示波器1
3 用555组成多谐振荡器的电路如图所示 。
3 N E5 5 5
1 k
2
5
16
&
0 .1 F
0 .0 4 7 F
图2.1 四人优先判决电路
4. 设计步骤 （1） 按图连接电路，检查电源线、地线是否连接 正确。 将按钮S1、 S2、 S3、 S4分别按下，观察发光 管LED是否正常， 蜂鸣是否发声。 （2） 按下S5按钮，观察工作是否正常， 当按下 S5时， 发光管LED全灭，蜂鸣器不发声。 （3） 如果发现电路工作不正常，按照原理进行分 析， 用仪表检查， 找出原因加以解决。
6） 计数器的作用是对输入脉冲计数。 根据设计要求， 最高测量频率为9 999 Hz， 应采用4位十进制计数器。可 以选用现成的十进制集成计数器。 7） 在确定的时间（1 s）内计数器的计数结果（被测信 号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器 通过触发脉冲的控制，将测得的数据寄存起来，送显示 译码器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。为 使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。
10 3
6V 15 V
R4 1k
U 1B 74 H C 14
3
1
4
＋ 5 V输 出
＋
78 05
＋
1
1
9
&
8
1
U 1 74 H CLK
2 R ST
C
402 4
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7
12 11 9 6 5
4 3
1
U 3A
2 13
&
12
74 H C 11
1s
0
1
U 3C 74 H C 11
3. 设计原理 实验电路如图所示。
5 1 0 ×4
＋ 5V
510
S1
D1
Q1 Q1
510
S2 S3
D2
7 4 LS17 5 D3
Q2 Q2 Q3
Q3
510 510
S4
D4
Q4
Q
S5
C LR C P 4
&
7 4 LS2 0
510
＋ 5V
&
7 4 LS0 0 7 4 LS0 0
1 k
4
87
采用过零触发电路可将全波整流波形变为矩形波， 也可采用施密特触发器进行整形。
(a) 10ms
(b)
图 4.2 全波整流与波形整形电路的输出波形
(a) 1s
(b)
图4.3 分频器的输出波形
3）
分频器的作用是为了获得1 s的标准时间。首先对如图所 示的100 Hz信号进行100分频得到如图（a）所示周期为1 s的 脉冲信号。然后再进行二分频得到如图（b）所示占空比为 50％脉冲宽度为1 s的方波信号，由此获得测量频率的基准时 间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1 s时间内 通过控制门的被测脉冲的数目。
R1 48
7
＋ V CC
R2
NE555 3 2
uo
61 5
C
R 21
图1.1 NE555构成的振荡器
产生的方波的频率为
f 1 1 1.43 T T1T2 (R12R2)C
简易电子琴电路如图所示。
R1 1 k
4
7
R28 …
R21
8
C3
C4
100 F 100F
3
NE555A
…
TR
S8
S1
2
6
8
TH 1
整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要 求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。
2） 本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的 基准时间率漂移不能超过0.5 Hz， 即在1
用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要 求。全波整流电路首先对50 Hz交流市电进行全波整流， 得到如图4.2(a）所示100 Hz的全波整流波形。波形整形 电路对100 Hz信号进行整形，使之成为如图4.2(b)所示 100 Hz的矩形波。
22 0V
图 4.4 数字频率计电路图
图中，稳压电源采用7805 来实现，电路简单可靠， 电源的稳定度与波纹系数均能达到要求。对100 Hz全 波整流输出信号， 由7位二进制计数器74HC4024组成 的100进制计数器进行分频。计数脉冲下降沿有效。在 74HC4024的 Q7、Q6、Q3端通过与门加入反馈清零信 号。当计数器输出为二进制数1100100（十进制数为 100）时，计数器异步清零，实现100进制计数。为了 获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后 再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时能保 持高电平一段时间（10 ms）。
5． （1）通过改变C1的值改变输出信号的频率可不可 以？与改变R2（R21~R28）的值的方法相比， 哪一种
（2）去掉C3，把NE555A的3脚直接接在扬声器上
设计2 四人抢答电路
1. 设计目的 （1） 掌握四D触发器74LS175 （2） （3） （4） 培养独立分析故障及排除故障的能力。
2. 设计设备与器材 74LS175一片， 74LS20一片， 74LS00一片， NE555一片， 电阻、 电容若干， 常光二极管4只， 常闭按钮5个， +5 V直流稳压电源 1台， 蜂鸣器 1
4. （1） 连接脉冲发生电路、环形脉冲分配电路，先不 接步进电机，用示波器测量555的输出，调节R2，观察R 2对输出脉冲频率的影响。 （2） 在QⅠ、 QⅡ、 QⅢ端分别接上发光二极管， 观察发光二极管发光的规律是否符合单三拍方式的顺序， 如果不是， 则仔细检查电路。 （3） 检查无误后， 接上步进电机电源， 观察步进电 机的转动规律。改变R2的大小，观察步进电机转速的变化。
3. 设计原理 电路如图所示。
＋ 5V
1 k ×3
R
＋ 5V
33 0 1 M 4.7F
78
4
NE555 3
2
61
5
PR DQ
Ⅰ
0.1F
脉 冲发 生 电 路
DQ Ⅱ
CLR
DQ III
CLR
74 74×3 启动
脉 冲分 配 电 路
图3.1 数控步进电机电路
C BA MO
驱 动电 路 与 步进 电 机
（4） 改变步进电机通电的顺序， 观察步进电机是否 反转。
5. （1） 在555输出脉冲频率较高的情况下， 怎样保 证按下启动按钮时， D触发器Ⅰ不输出连续的两个 “1” （2） 环形脉冲分配环节能否用74LS175或 74LS174来代替74LS74 （3） 若要使步进电机工作在双三拍方式， 应该 怎样接线？
8） 显示译码器的作用是把用BCD码表示的十进制数转
换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。 显示译码器的输出方式必须与数码管匹配。
4． 根据系统框图， 设计出的电路如图所示。
V CC
1 2
U 4A CLK EN
7
R
Q0 Q1 Q2 Q3
3 4 5 6
74 H C 451 8
&
9 10
5. 设计报告 （1） 发光二极管LED为什么要串联一个电阻？发
（2） 若发光二极管改为共阳极接法，则电路将如 何改动？试说明原因。
（3） 如果有两个按键同时按下， 有两个灯同时 亮， 可能是何原因？如何解决。
设计3 数控步进电机
1. （1） （2） （3） 理解环形脉冲分配器的作用。
2. NE555一片， 74LS74 2片， 74LS04一片， 发光二极管3只， 续流二极管3只， 电阻、 电容若干， +5 V直流稳压电源 1台， 反应式步进电机（三相） 1台， 示波器1
分频器可以由计数器通过计数获得。二分频可以采用T′触 发器来实现。
4） 信号放大、 为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必 须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器 有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即 在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整 形可以采用施密特触发器。 5） 控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。 它的一 个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门 可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时 进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。
一、电路设计
1． 设计要求 设计并制作出一种数字频率计， 其技术指标如下：
1） 频率测量范围： 10～9 999 Hz。 （2） 输入电压幅度： 300 mV~3 V。 （3） 输入信号波形： 任意周期信号。 （4） 显示位数： 4位。 （5） 电源： 220 V、 50 Hz。
2． 数字频率计的基本原理 数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频 率是在单位时间（1 s）内信号周期性变化的次数。如果 我们能在给定的1 s时间内对信号波形计数，并将计数结 果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首 先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转 换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后 通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换 算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。
2 5 6 9
12 15 16 19
1 11
EO CLK
V CC
U 7 74 H C 374
3 4 7 8
13 14 17 18
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7
2 5 6 9
12 15 16 19
1 11
EO CLK
1s
U 7
1
2
6
8 74 H A B C D
出。通过由74HC11组成的控制门送计数器计数。为了防
止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并
设计4 数字频率计
在许多情况下， 要对信号的频率进行测量。利用示 波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到 数字频率计。数字频率计用到的数字技术很多。本节数 字频率计的设计与制作项目可以进一步加深我们对数字 电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路 系统设计、制作与调试的方法和步骤。
电路中采用双JK触发器74HC109中的一个触发器组
成T′触发器。它将分频输出脉冲整形为脉宽为1 s、周期
为2 s的方波。从触发器Q端输出的信号加至控制门，确保
计数器只在1 s的时间内计数。从触发器
_
Q
端输出的信号
作为数据寄存器的锁存信号。
被测信号通过741组成的运算放大器放大20倍后送施
密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输
U 3C 74 H C 11 9
2
&
10
11
U 3B
74 H
C 11 3
12
&
被测信号输入
4 5
1k R 2
2 0 k
－
R3
＋ 74 1
U 1A
1
12
R 11 k
74 H C 14
U 6 74 H C 374
3 4 7 8
13 14 17 18
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7