1、数字电路与逻辑设计实验电子制作内容DOC项目四：数字电子设计内容一、目的要求1、熟悉数字系统的设计步骤。2、掌握数字系统的设计思想及实现方法。二、制作内容1、声音响度显示电路任务目标设计声音响度显示电路，使其能够显示正常说话的音量，通过发光二极管来判别说话的声音大小，并能够根据声音大小显示出亮度。任务分析根据任务目标，绘制原理框图如图所示图2-4-1 声音响度原理框图电路包括声音检测电路和显示电路两个部分，声音检测电路使用放大器LM386来实现放大咪头拾取的语言信号，声音大小显示电路用来检测无声状态、声音较小状态和声音足够大状态后用二极管作出相应的显示。任务设计根据任务目标，设计声音响度显示电
2、路，如图所示图2-4-2 声音响度仿真原理图（proteus环境）图中电路是由六个反相器CD4069构成的声音响度显示电路。电路主要由两只集成块和6只发光二极管构成。LM386是一块音频功率放大集成电路；CD4069是一块非门集成电路；咪头提供给LM386声音声源。任务实现（1）供电电路电池盒供给5V直流电压用于响度检测和显示电路作工作电压。（2）声音检测放大电路声音检测电路由咪头和LM386为主构成，由咪头检拾到的声音信号，经变换为电信号后加至LM386放大输出，通过二极管对电容进行充电，由此即可将声音的大小变换为电容上所充电压的大小。（3）显示电路显示电路由CD4069与6只发光二极管共同
3、组成，CD4069的6只非门的触发电平均为电源电压的1/2，R1-R6为降压电阻，由于降压电阻的作用，使咪头上的充电电压分配到6只非门输入端的作用电压依次降压，也就是使非门1至非门6翻转时所需的咪头端电压依次升高。无声状态：当无声音被咪头检拾到时，电容两端电压略低于电源电压1/2，6只非门电路的输入端均处于低电平状态，其输出均为高电平，故LED1-LED6发光二极管均不会点亮。声音较小状态：当咪头检拾到的声音较小时，咪头两端所充电压较低，只有前面一个或两个非门被触发器翻转输出低电平，以使相对应的发光二极管被导通发光。声音足够大状态：当咪头检拾到声音足够大时，咪头两端的充电电压会接近电源电压，该
4、电压虽经R1-R5降压，但在R6的上端仍可分得超过1/2电源电压的作用电压，使非门6也翻转，并输出低电平，点亮LED6发光二极管。此时LED1-LED6全部点亮，以显示声音的响度最高。这种声音响度显示电路适用于娱乐中测量掌声、喊叫声的响度，也可用于家庭音响系统，作为音响电平指示器等。任务难点R1-R6分压电阻的选取。电路设计者首先要在multisim或proteus中仿真出结果，仿真时，声音信号可以用信号发生器代替。当仿真出结果时，电阻值基本上粗略估定，然后用万用版插接实验，插接时可以电阻可以使用可变电阻代替，当实验得出效果后，测出实际电阻用固定电阻代替。所用元件列表表2-4-1 声音响度电路
5、元件清单电池盒（四节）1只1.5V干电池4节按键开关3只电阻若干只CD4069非门1只发光二极管6只电路板一块导线若干任务要求（1）要做出multisim或proteus仿真图。（2）要做出protel原理图和PCB图，设置最小线宽及线间距大于等于8mil（0.2mm），焊盘内径为20mil-40mil（0.6-1mm），焊盘外径大于等于60mil（1.5mm）。（3）做出实物要考虑电源开关，咪头输入和发光二极管等输入输出及调整元件的位置以便包装。（4）要写出设计文档，要求文章结构同电子类设计文档一样。文档中要求写出LM386的有关电路，并说明本电路放大了多少倍，写出CD4069非门的管脚图及
6、功能，写出分压电路各点的参考电压等关键性数据，写出咪头的相关参数，给出LM386输出电压的范围。2、水箱水位检测电路任务目标水位监测电路监测到水箱不同的水位后，通过译码器译码输出控制音响电路发出不同声音或闪烁提示。任务分析根据任务要求，该系统包括水位监测电路、译码器、音响电路、载频振荡电路4个部分，如下图所示。水位检测电路用来检测水位信号，当水位到达某一位置时，给出输出信号，译码器电路主要目的是把水箱水位信号转换为控制信号，显示电路把水位信号能够显示出来。图2-4-3 水位监测电路原理框图任务设计水箱水位监测电路设计图如下图所示：图2-4-4水位监测电路仿真图（protues环境）电路主要由2
7、块集成电路和四只发光二极管组成。其中：与非门的型号为CD4011，是一块2输入4与非门数字集成电路； CD4514是一块4-16译码器（高电平有效）数字集成电路。 任务实现（1）水位检测与信号转换水箱中的水位用波动开关进行模拟。U1A-U1B组成4个反相器，将水位高低转换为4组二进制码加到CD4514的2、3、21、22脚上。（2）信号译码CD4514是一块4-16译码器，它对检测到的水位信号进行译码，译码后的结果分别去控制发光二极管的亮灭。（3）显示电路通过二极管来显示水位的不同变化。所用元件列表表2-4-2 水位监测电路元件清单电池盒（四节）1只1.5V干电池4节4排波动开关1只471K电
8、阻4只CD4011与非门1只CD4514译码器1只发光二极管4只二极管限流电阻若干电路板一块导线若干任务要求（1）要做出multisim或proteus仿真图。（2）要做出protel原理图和PCB图，设置最小线宽及线间距大于等于8mil（0.2mm），焊盘内径为20mil-40mil（0.6-1mm），焊盘外径大于等于60mil（1.5mm）。（3）做出实物要考虑电源开关，咪头输入和发光二极管等输入输出及调整元件的位置以便包装。（4）要写出设计文档，要求文章结构同电子类设计文档一样。文档中要求写出CD4514的相关技术资料及使用方法和作用，写出CD4011的相关技术资料，分析此处使用4514
9、的目的。3、可预制时间的定时电路的设计任务目标用计数器构成可预制时间的定时电路，应用于各种智力和知识竞赛场合，并设定抢答时间。任务分析根据任务目标，绘制原理框图如下图。图2-4-5定时电路原理框图该设计包括秒脉冲发生器电路、计数器、显示译码器和数码管4个部分。在智力和知识竞赛中，节目主持人根据抢答题的难易程度，通过计数器设定抢答时间，显示译码器驱动数码显示对应时间，秒脉冲电路给计数器提供时钟脉冲。任务设计设计电路如下图所示：图2-4-6定时电路仿真图（proteus）电路由2块十进制同步加/减计数器192预制答题的抢答时间，计数器的时钟脉冲由555时基电路组成的多谐振荡器提供，显示译码器48驱
10、动数码管显示预制的时间。任务实现（1）秒脉冲电路555时基电路组成多谐振荡器，产生一定频率的矩形脉冲。脉冲周期由电容C的充放电时间决定，T=0.7（R1+2R2）C=1s。（2）时间显示电路时间显示电路选用2块显示译码器74ls48来驱动数码管显示预制的时间。（3）预制时间电路预制时间电路选用2块十进制同步加/减计数器192进行设计。两个集成块的时钟脉冲均从DN（down）输入。低位片的DN接秒脉冲电路产生的秒脉冲信号，高位片的DN接低位片的借位端BO，低位片每计10个秒脉冲，高位片计1个，即高位片预制定时时间的十位数，低位片预制定时时间的个位数。假设定时时间预制为30s，则预制高位片数据端D
11、3D2D1D0=0011，低位片数据的D3D2D1D0=0000。接通电源和控制开关S，七段数码管显示数据“30”，然后断开控制开关S。每过1s，数码管显示数据递减，直到00，数码管显示数据就不再变化。所用元件列表表2-4-3 可预置定时电路元件清单74ls1922个74ls482个七段共阴极数码管（单个8引脚）2个74ls001个电阻若干电容若干5551片发光二极管1只+5V电源单刀双掷开关8个按键开关1个任务要求（1）要做出multisim或proteus仿真图。（2）要做出protel原理图和PCB图，设置最小线宽及线间距大于等于8mil（0.2mm），焊盘内径为20mil-40mil（
12、0.6-1mm），焊盘外径大于等于60mil（1.5mm）。（3）做出实物要考虑电源开关，预置开关和发光二极管等输入输出及调整元件的位置以便包装。（4）要写出设计文档，要求文章结构同电子类设计文档一样。文档中要求写出74LS192、74LS48和74LS00的管脚图及功能表。试说明两个与非门在电路中的作用并计算时钟电路的参数。4、按键式加减电路的设计任务目标用一个拨动开关控制加减，用按键或一个秒脉冲发生器来产生时钟脉冲，当开关拨动到加时，按键实现加计数，当开关拨动到减时，按键实现减计数。任务分析根据任务目标，绘制原理框图如下图。图2-4-7按键式加减电路原理框图该设计包括秒脉冲发生器电路（或按
13、键）、计数器加减控制、显示译码器和数码管4个部分。在很多应用场合，需要通过一个开关来控制加减计数控制，通过按键来实现加减计数。显示译码器驱动数码显示对应时间，秒脉冲电路给计数器提供时钟脉冲。任务设计设计参考电路如图所示：图2-4-8按键式加减电路仿真图（Proteus环境）任务实现（1）秒脉冲电路555时基电路组成多谐振荡器，产生一定频率的矩形脉冲。脉冲周期由电容C的充放电时间决定，T=0.7（R1+2R2）C=1s。或是通过按键方式来实现加减计数。555时基电路图参考上例。（2）时间显示电路时间显示电路选用1块显示译码器74ls48来驱动数码管显示计数内容。（3）计数加减控制电路加减控制可以
14、通过一个单刀双掷开关来控制，通过它的拨动来选择加或减计数，再配合秒脉冲发生器就可以实现上述功能。所用元件列表表2-4-4 按键式加减控制电路元件清单74ls1921个74ls481个七段共阴极数码管（单个8引脚）1个电阻若干电容若干5551片发光二极管1只+5V电源单刀双掷开关2个按键开关1个任务要求（1）要做出multisim或proteus仿真图。（2）要做出protel原理图和PCB图，设置最小线宽及线间距大于等于8mil（0.2mm），焊盘内径为20mil-40mil（0.6-1mm），焊盘外径大于等于60mil（1.5mm）。（3）做出实物要考虑电源开关，预置开关等输入输出及调整元件
15、的位置以便包装。（4）要写出设计文档，要求文章结构同电子类设计文档一样。文档中要求写出74LS192、74LS48的管脚图及功能表。试说明控制加减功能的实现。（5）如果要控制两位数的加减，试设计其实现电路。5、四人抢答电路任务目标用D触发器74LS175设计一个四人抢答器，当四人中有一人按下按键则屏蔽其他人继续按下。任务分析根据任务目标，绘制原理框图如下图。图2-4-9四人抢答电路原理框图该设计包括按键电路、多触发器记忆电路、锁定电路和显示电路4个部分。任务设计设计电路如下图所示：图2-4-10四人抢答电路仿真图（proteus环境）时钟信号采用100Hz，可以自己参考上面的例子用555定时器
16、设计。任务实现（1）按键电路当没有按键按下时，按键电路输出为低电平，当有按键按下时，输出为高电平。（2）触发器记忆电路74LS175的1引脚为清零信号，当按下与它连接的按钮时，触发器输出清零，即Q0Q1Q2Q3=0000，相应的二极管都不亮。当有一人按下按键时，屏蔽了时钟输入信号，此时其他人按下也不能使状态进入触发器。（3）显示电路采用发光二极管用来显示按下的位置。用元件列表表2-4-5 四人抢答电路元件清单74LS1751个发光二极管4个普通二极管1个三极管2N2221个扬声器（8欧姆）1个74LS001个74LS201个电阻若干按键开关4个导线若干时钟电路1个电源1个任务要求（1）要做出m
17、ultisim或proteus仿真图。（2）要做出protel原理图和PCB图，设置最小线宽及线间距大于等于8mil（0.2mm），焊盘内径为20mil-40mil（0.6-1mm），焊盘外径大于等于60mil（1.5mm）。（3）做出实物要考虑电源开关，预置开关等输入输出及调整元件的位置以便包装。（4）要写出设计文档，要求文章结构同电子类设计文档一样。文档中要求写出74LS175、74LS20和74LS00的管脚图及功能表。试说明抢答功能的实现及锁定抢答电路的原理。（5）如果有8个人抢答，试设计其实现电路。6、三态逻辑电平笔任务目标设计一三态逻辑电平笔，不仅可以检测出电路的高电平、低电平与高
18、阻状态，还可以测出电路中是否存在脉冲信号。任务分析根据任务目标，绘制原理框图如下图。图2-4-11三态逻辑电平原理框图该设计包括检测电路、显示电路2个部分。任务设计设计电路如下图所示：图2-4-12三态逻辑电平仿真图（proteus环境）当开关拨动到上方时，探笔与高电平连接，发光二极管D3导通发光，当开关拨动到中间时，探笔为高阻悬空状态，两个发光二极管都不发光，当开关拨动到下方时，发光二极管D4导通发光。任务实现（1）检测电路当电路的测试点没有接触电路或者接触的是高阻状态时，由于电阻R3、R4和二极管D1、D2的分压作用，使PNP型三极管Q2的基极电压约为3.2V，它的发射级电压约为3.8V。
19、三极管Q2截止，发光二极管D4不亮（因为发光二极管的电压降为1.8V）。同样此时NPN型三极管Q1的基极电压约为1.8V，它的发射极电压约为1.2V，发光二极管D3也不亮。R5的作用是减小逻辑电平笔对被测电路的影响。R1和R2的作用是限流。（2）显示电路当电路的测试点接触到高电平时，三极管Q1的基极电位升高，三极管Q1导通，发光二极管D3亮。而三极管Q2仍然截止，发光二极管D4不亮。当电路的测试点接触到低电平时，三极管Q2的基极电位降低，三极管Q2导通，发光二极管D4亮。而三极管Q1仍然截止，发光二极管D3不亮。用元件列表表2-4-6 三态逻辑电平电路元件清单电阻若干发光二极管2个普通二极管1
20、N41482个三极管90151个三极管90141个导线若干电源1个任务要求（1）要做出multisim或proteus仿真图。（2）要做出protel原理图和PCB图，设置最小线宽及线间距大于等于8mil（0.2mm），焊盘内径为20mil-40mil（0.6-1mm），焊盘外径大于等于60mil（1.5mm）。（3）做出实物要考虑电源开关，预置开关等输入输出及调整元件的位置以便包装。（4）要写出设计文档，要求文章结构同电子类设计文档一样。文档中要求写出电路工作原理，要有理论计算过程。（5）如果测量12V的脉冲电路，应如何设计电路。7、秒表的制作任务目标设计一秒表实现电路，可以以1/10s，或
21、者1/100s为单位进行时间的测定。4位计数器分为1/100s，1/10s，1s和10s这4位，最大的计数为99.99s。并具有启动、停止和复位开关。任务分析根据任务目标，绘制原理框图如下图。图2-4-11秒表电路原理框图该设计包括1/100s振荡器、计数、译码和显示电路4个部分。任务设计设计电路如下图所示：图2-4-12秒表电路仿真图（proteus环境）点击启动开关开始计数，中间点击停止开关会停止计数并显示停止时刻的数字。再点击启动则继续计数。点击复位开关会清零。任务实现（1）1/100s振荡电路振荡电路查阅相关资料自行设计一般情况下用1MHz晶振进行10000分频实现。（2）计数电路采用
22、74LS160十进制计数芯片实现，采用并行方式进行控制。（3）译码电路采用74LS48实现译码（4）显示电路采用共阴极数码管来显示用元件列表表2-4-7 三态逻辑电平电路元件清单电阻若干共阴极数码管4个74LS484个74LS160 4个74LS001个按键开关3个电源1个1/100s发生电路1个电线若干任务要求（1）要做出multisim或proteus仿真图。（2）要做出protel原理图和PCB图，设置最小线宽及线间距大于等于8mil（0.2mm），焊盘内径为20mil-40mil（0.6-1mm），焊盘外径大于等于60mil（1.5mm）。（3）做出实物要考虑电源开关，预置开关等输入输出及调整元件的位置以便包装。（4）要写出设计文档，要求文章结构同电子类设计文档一样。文档中要求写出电路工作原理，特别说明如何实现启动、停止和复位的原理。（5）说明各个74LS160芯片如何协同工作。
