数字电子电路综合实验报告书

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3、如何实现数码管动态扫描显示,而肉眼却无法观察到?
我组初始设计的电路总能用肉眼看到数码管在扫描,原是以为由于送数时间较长造成的。后经指导老师指点和自己的思考发现:送数时间是很短的,只是我们没有很好地利用起CD4553的锁存功能造成的。
起初的电路图为:
NE555 3端输出直接CD4553的LE和DIS端,没有认真分析两者波形关系下的作用,忽略了CD4553锁存功能的使用方法。
后来改进的电路图为:
正如上图中所写的:多谐振荡器输出端:一段直接CD4553的D来自百度文库S管脚,另一端经CD40106接CD4553的LE管脚上。完整示意图见下图。
由其产生的时间闸门、复位、锁存信号的关系为:
其中,复位信号与时间闸门信号关系如下:
(即:CD4553 DIS管脚与MR管脚的输入信号关系)
4、如何只点亮个位与十位之间的小数点,且保持“常亮”?
2、NE555:定时器
(1)管脚图:
(2)原理与功能:
NE555是一个功能强大的定时器芯片,接发多种多样,可执行的功能也不尽相同。其主要功能有:施密特触发器、多谐振荡器、单稳态触发器等。本设计方案只涉及由NE555接成多谐振荡器,故只对多谐振荡器加以详细说明。
由以上电路可以在输出端得到一定占空比的方波。
DS2=1时,十位不工作,个位、百位依次为低电平一次,此时控制小数点的LP端=0,所以尽管个位、百位依次工作,但其相应小数点却不会亮。
再加上快速的亮灭,好似十位管子上的小数点保持“常亮”。
七、改进意见及收获体会
1、改进意见
由于时间仓促,完成实验已然很紧迫,没有再做扩展功能。但是,实际起初我已经向好了扩展的设想。就是在速度表的基础之上,追加超速报警功能,可以在数码管的某个管脚或者是计数装置上引出一根线接在发光二极管或蜂鸣器上,当超过某一限速时,引发报警装置的反应。本想法的具体实现方案还有待商讨与深思。
4、CD4511:BCD锁存、7段译码驱动器
(1)管脚图:
(2)原理与功能:
CD4511自身具有锁存功能(LE端,管脚:5),可以保持出信号在一定条件下不变。其最大功能是可以驱动共阴数码管。与CD4543不同之处在于,CD4511只能用来驱动共阴数码管,而CD4543既可以驱动共阴数码管,也可以驱动共阳数码管。本设计方案中没有用到其锁存功能,故LE端,管脚:5接地。
No change:由于外界和自身输入信号不满足变化条件,输出信号不变。
Advance:表示输出信号随输入端的信号而计数。
Latched:表示芯片工作,但输出信号由于锁存功能而不变,要注意其与No change的区别。
以下是动态扫描控制DS1,DS2,DS3依次有效输出的波形关系:
以下是CD4553的设计原理图:
(4)要求有根据不同车型随时调整的功能,以保证速度表显示的正确性。
(5)结构简单,所用器件少,便于调整,成本低。
三、参考元件与使用元件清单
1、参考元件
CD40106、NE555、CD4553、CD4543、CD4511、LG5631AX共阴数码管、三极管(NPN、PNP)、红外光电传感器、电位器、电阻、电容等。
速度表方案二:
此电路由速度脉检测电路、计数译码显示电路和控制电路组成。工作原理是用前轮支撑脚的两侧,轮胎稍下光电传感器检测到脉冲经过整形后输入CD4553的时钟脉冲CLK端。用555电路组成的多谐振荡器,控制由3位BCD计数器CD4553和7段译码器CD4511及3位共阴极数码显示管组成的计数译码显示电路。共同组成速度表。
占空比计算公式如下:
左图中:output输出波形即为由NE555多谐振荡器产生的方波
3、CD4553:带锁存、复位功能的3位BCD计数器
(1)管脚图:
(2)原理与功能:
CD4553是集计数、锁存、复位功能为一身的3位BCD计数器,是实现动态扫描的关键,由它控制的BCD3位数码管能够实现动态显示,由于其输出端(管脚:2、1、15)分时依次输出低电平,且时间间隔很短,来控制数码管的显示与刷新,故人肉眼无法识别,只认为数码管是静态显示的。
所谓“常亮”并不是说小数点总亮不灭,而是由于小数点亮灭速度太快,人的肉眼无法分辨出来而产生的错觉。
我组起初的小数点点亮总是有两位同时亮,无法做到只使某一位亮。当时CD4553与数码管的连接方式是:DS2(控制数码管十位)端直接数码管的3管脚(LP端,该端高电平有效,为小数电供电),产生的现象为百位的小数点亮,个位的小数点亮,唯独十位管子上的小数点不亮。起初根本无法搞懂这是为什么,但是经过偶然的一试,发现如果在DS2(控制数码管十位)端先接一个CD40106再接数码管的3管脚(LP端,该端高电平有效,为小数电供电),现象为只有十位管子上的小数点亮,就对上了,且数码管的亮度比以前更亮了。
[4]潘松黄继业,《EDA技术实用教程》。北京:科学出版社,2002
[5]彭介华,《电子技术课程设计指导》。北京:高等教育出版社,1997(4)
[6]电子技术基础康华光主编北京:高等教育出版社
[7]电子电路实验及应用课题设计卢结成编著中国科学技术大学出版社
[8]全国大学生电子设计竟赛历年题析上海交通大学出版社
(3)1/(1.39根条/s)=1根条/0.719s,则0.719s为两根辐条间的轮周长为2cm的标准下的测条幅数的时间基准,用于统一换算与对应速度值。
2、设计方案
速度表方案一:
在自行车的前主撑架的两边离轴到轮钢圈的最远处分别安装光电式传感器接收和发射两元器件。当一根钢丝轮辐通过光电传感器元件就可以检测到脉冲,将脉冲数经过施密特触发器整形,或用反相器整形、555来整形后。将其换算好的速度脉冲单位时间常数的施密特触发器多谐振荡器,来控制用2片74HC161集成计数器和2片74LS48七段译码器组成的检测计数显示电路以来显示速度。
数字电子电路综合实验报告书
简易电子速度表
课设组号:15组
学号:05020204
姓名:王树祺
2007年5月
一、简易电子速度表设计综述
如今,随着科学技术的发展,电子技术在日常生活和社会生活中已得到了广泛的应用。特别是微电子技术的飞跃发展,更为设计、直观和性能优越、功能全的装置创造了良好的条件。可以说,电子技术的应用水平是现代化进程的一个重要标准。
二、设计任务与要求
1、设计任务
根据车轮周长、辐条数和车轮转数等设计参数设计、调试并完成一个简易车用速度表。
2、设计要求
(1)显示数字为三位,精度为0.1公里,即(00.0~99.9公里)。
(2)数码管要有小数点显示,即个位与十位之间的小数点要亮起来。
(3)表明你所设计的条件(轮周长、条幅数等),给出根据不同车型进行调整的根据。
9三位半计数、显示电路
三位半计数、显示电路由CD4553、CD4511组成,如图9所示。该电路最高计数值为“1999”。译码器采用一片CD4511,显示部分使用了三只共阴极LED数码管和两只扁方形LED。其中千位的“1”由两只扁方形LED组成。电路加电时,由于01μF电容的复位作用使“或非”门HF2输出低电平,两只LED均不亮;当电路计数值由“999”变为“000”时,CD4553的{14}脚输出一个正脉冲,此脉冲使HF1输出低电平、HF2输出变为高电平,故两只LED点亮,整个显示部分显示出“1000”字样,从而组成了三位半计数电路。此电路加上适当的输入接口,如光电转换、磁电转换、声电转换等,便可直接用于各种计数场合;如在时钟输入端加一单稳电路,便可用于人工手动计数。
[9]74系列集成电子元件手册
[10]数字集成电路应用300例徐巧鱼主编
附录:主要器件的PDF文件和外扩电路选截
计数器编译码器应用举例
8十挡互锁触摸开关
十挡互锁触摸开关电路见图8。F1、F2组成时钟脉冲振荡器。由于CD4017的 端通过一10M电阻接高电平,故时钟被抑制。当用手触摸某一触片时,如果与其相连的输出端为高电平,则电路无任何反应;如果为低电平,则相当于将 端接低电平,故CD4017开始计数,直至与触片相连的输出端输出高电平为止。由此形成触摸互锁。
其中的滑动变阻器用于调整输出信号占空比,使辐条计数信号与速度对应关系可调,以适应于不同轮子的记速要求。
2、如何在合适时刻产生复位信号?
复位信号应该是在CD4553 DIS端输入信号处于下降沿时产生一个占空比较小的高电平复位脉冲。我组原设想是用NE555搭建一个单稳态触发器,即由多谐振荡器产生的脉冲下降沿来触发单稳产生复位脉冲,但是仿真总无法通过,且仿真时两个NE555产生的信号总不能同时正常得到。后得知原因为:NE555无法搭成占空比很小的单稳触发器,故另求它法。想到了用电阻、电容和反向器搭建单稳触发器的方法,且反向器最好用CMOS芯片,因为CMOS功耗小,电压在其上损失较小。
2、使用元件清单
CD40106一片
NE555一片
CD4553一片
CD4511一片
LG5631AX共阴数码管一个
三极管(NPN、PNP)9014*1、9012*3
红外光电传感器一个
电位器一个
电阻、电容若干
四、设计思路与方案
1、设计思路
通过测量在单位时间内通过红外光电传感器的轮辐数,折算出车轮走过的距离,即每秒通过多少根条幅等于1公里/小时的速度。时速值按十进制由三位数码管显示。
DS2=0时,十位工作,但由于LP端=0,小数点不亮
DS2=1时,十位不工作,个位、百位依次为低电平一次,此时控制小数点的LP端=1,所以在个位、百位依次工作时,小数点也就跟着亮了。
再加上快速的亮灭,好似百位、个位的小数点保持“常亮”。
之后接CD40106:
DS2=0时,十位工作,由于LP端=1,十位小数点亮
目前,数字电子技术已经广泛地应用于计算机、电子测量仪表、通信等各个领域。例如在现代测量技术中,数字测量仪表不仅比模拟仪表精度高,而且容易实现测量的自动化和智能化。随着科学技术的迅速发展,要求我们理论联系实际,数字电路综合实验设计的安排使我们拥有了一个难得机会,通过它我们可以在实际运用知识的同时得到更好的锻炼。在日常生活中我们可以发现自行车、摩托车、电动车已经成为人们必不可少的工具,所以简易速度表的设计可以给人们带来更多的方便和安全,并且有一定的使用价值。
观察上图可以发现:CD4553上的DS输出为低电平有效。我由此猜测出了使任意一位小数点工作的控制方法。
小数点亮的条件:
(1)数码管3号管脚保持在高电平状态。
(2)CD4553上的DS2输出为低电平时,数码管十位上所接的三极管导通,数码管十位处于点亮状态。
得到不同试验现象的原因:
起初不接CD40106:
最后,衷心感谢学校,感谢电工电子试验中心,感谢指导帮助过我的纪宝伦老师,真心希望我校的学生课设活动越办越好,让更多同学从中受益!
参考资料:
[1]阎主编石,《数字电子技术基础》。北京:高等教育出版社,2005(12)
[2]童诗白华成英,《模拟电子技术基础》。北京:高等教育出版社,2000(4)
[3]黄智伟,《全国大学生电子设计竞赛训练教程》。北京:电子工业出版社,2005
此外,数码管驱动芯片也可以选用CD4511,因为CD4511既可驱动共阳数码管,又可以驱动共阴数码管,使用起来比较灵活,兼容性较强。
2、收获体会
通过这次课设,我对数电的认识又更深了一步。使我对数电的感觉从以往的静态感向现在的现实感有着明显的转变。尽管在实验中遇到了不少困难,但是在指导老师的帮助和自己的努力下解决了困难又是十分让人振奋的!我从其中体验到了快乐,一种从忙碌到沮丧到丰收的快乐。我感觉自己成熟了,其中有对知识的感悟的,也有对小组伙伴的交流相处的。
3、方案比较
方案一需要芯片较多,功能集成度较低,且在接线时容易出错,故不选择。方案二使用芯片较少,功能集成度较高,各芯片执行功能相对独立,易于设计与组装,故选择方案二。
4、使用方案设计框图与电路图
五、主要元件说明
1、CD40106:六施密特触发器
(1)管脚图:
(2)原理与功能:
CD40106是一个拥有六个施密特触发器的集成芯片,施密特触发器的最大用途在于整波,它可以把任何一个非标准方波整形为标准方波,且可以提升方波幅值至5V。可以当反向器来使用。
换算公式如下:
前提条件:两根辐条间的轮周长为2cm
(1)1公里/小时=27.8cm/s相当于(27.8cm/2cm)根条/s即:13.9根条/s
(2)由于显示最小精度为0.1公里/小时,所以要以0.1公里/小时为计算标准,用以折合其它速度对应在每秒的条幅数:
0.1公里/小时=2.78cm/s相当于(2.78cm/2cm)根条/s即:1.39根条/s
5、LG5631AX:3位7段共阴数码管
(1)管脚图:
(2)原理与功能:
三位共阴数码管,带小数点,自身无显示驱动,需要外接显示驱动。
六、技术难点分析与解决
1、如何将辐条计数信号与速度联系起来?
由于CD4553是DIS端(管脚:11)输入低电平时电路执行计数功能,所以要想将辐条计数信号与速度联系起来,则需要设定合理的计数时间,这个功能由NE555搭成的多谐振荡器来实现。低电平时间长度为0.719s(具体算法请见设计思路部分)。
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