武汉理工大学《专业课程设计(一)》课程设计说明书
的值,方便测多组数据进行验证。
uo
R2
+12V
R0
R1
RF
+12V
-12V LF353
图9 反相加法器布线图
⑴减法器
实验中使用LF353构成减法器。减法器电路的原理图如下:
u2
u1
uo1
uo
图10 减法器原理图
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u1和u2是输入信号。R1=R2=R3=R4=RF=1KΩ。由虚断条件,可列出u1R1uo1R3?u2R2??uo,u2RFR2?uo1。由于各电阻阻值相等,可得输出uR3o??uo1,R3?u1?u2。
实验中使用的LF353M是集成运算放大器。滑动变阻器R0的作用是改变输入电压u1和u2的值,方便测多组数据进行验证。
R2
R4 R3
+12V
+12V
R0
R1
uo RF
-12V
LF353
图11 减法器布线图
3.2 数字电路方案
由于只有两块74LS192、发光二极管、电阻和导线,实现方案中的定时器功能较少。S1为启动开关。发光二极管的功能是在计时到30秒时给出光报警信号。
外部 控制电路 操作 计数器 报警电路
脉冲发生器
图12 数电实现方案原理框图
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图13 30秒篮球计时器布线图
原理:该电路由两块74LS192构成30进制计数器。高位的计数器的D0、D1接高电平,D2、D3接低电平,则高位置数时是3;低位的D0~D4全部接低电平,则低位置数时是0。同时低位的借位输出端TCD接高位的递减计数脉冲输入端DN。两个计数器的清零端MR都接地,置数端PL由S1控制。这样两块74LS192就构成了一个30进制计数器。低位计数器在递减计数脉冲输入端输入的秒脉冲下每秒减一,减到0后一秒借位输出端向高位计数器发出借位信号,高位计数器减一。当高低位计数器都为0时,下一秒高位计数器的借位输出端发出低电平。由于发光二极管正极直接接的高电平,负极接高位计数器的借位输出端,此时发光二极管发出光报警信号,说明30秒计时已到。随后在秒脉冲作用下,高位的计数器的借位输出端的输出又变为高电平,发光二极管熄灭,整个计数器将从99开始倒计时。开关S1接低电平时进行置数,接高电平时开始计时。
因此,从根本上说实现方案中完成的定时器并不具备实用价值。不仅不能显示倒计时的时间,也不能在倒计时到0的时候自动停止。任务书中要求的定时时间可调的功能也没有。同样也没有暂停/继续功能。这是受实验器材限制所导致的。但该方案确实体现了定时器的核心,有其理论意义。
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图14 74LS192引脚图
输入 —输出 MR 1 0 0 0 PL X 0 1 1 CPU X X ↑ 1 CPD X X 1 ↑ D3 X d X X D2 X c X X D1 X b X X D0 X a X X Q3 Q2 Q1 Q 0 d 0 c 0 b 0 a 加计数 减计数 表1 74LS192功能表
4 调试过程及结论
电路设计、组装完成后必须经过调试,测试其性能是否满足要求。
本次模拟电路的调试中,我们在调试前,先检查线路连接是否正确。结果发现电阻的连接出现了错误,原因是不习惯面包板的布线,把电阻直接插在了面包板的一根金属条上。修改完电路后,进行反相加法器的测试。但是发现实验室给的电源与需要的电源不同,该电源没有提供“-12V”和“地”。经过讨论,我们发现可以通过直接测R1,R2两端的电压 u1、u2,再测RF两端的电压uo,如果uo??(u1?u2),那就说明反相加法器工作正常。
测试结果也证明了我们设计组装的反相加法器没有问题。
但是在测试减法器的过程中出现了较多的问题。在组装完减法器电路后,我们进行了
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测试,由于当时仍然没有合适的电源,测试方法与测试加法器的时候类似。只需分别测试 R1,R2两端的电压u1、u2,再测RF两端的电压uo,如果uo?u1?u2,则说明减法
器工作正常。测试表明uo与 u1-u2不相等。经多次检查,没有发现线路连接错误。于是我们拆掉所有连线,重新接线。之后的测试依然没有得到正确结果。考虑到连线时使用了较多导线,容易出现接触不良或错误,我们改成了尽可能少用导线,而直接使用电阻连接的法。随后可以提供+12V、地、-12V的电源也到了,改用新电源后,仍然有错误。检查发现有一个端口的输入一直为负值,而理论上应该为正值。对此进行检查后发现了一处连线错误。修改后进行测试,结果正常。
数字电路主要有两种调试方法: (1)分块调试法
分块调试是把总体电路按功能分成几个模块,分别对每个模块进行调试。模块调试的顺序最好按信号的流向,一块一块进行,逐步扩大调试范围,最后完成总调。实施分块调试有两种方法一种边安装边调试;另一种是总体电路一次组装完毕后再分块调试。分块调试的优点:问题出现范围小,可及时发现,易于解决。 (2)整体调试
这种方法就是把整个电路组装完毕后,不进行分块调试,直接进行总调。
我们在进行数电电路的调试时,以上两种方法都有使用到。在确认了实验室的器材后,我们先对布线进行了一些修改,然后直接进行整体调试。但是发现发光二极管一直没有发光。随后我们使用万用表和发光二极管分别对脉冲发生器进行了测试,结果说明脉冲发生器能够正常工作。随后再次进行线路检查,没有发现错误。
于是改用使用分块调试法,对计数器的高低位分别测试。测试方法是:先置数,然后用万用表测试芯片的各个管脚的电压值是否与理论相同,然后更改接线,直接把秒脉冲输入接到高位计数器,用万用表测试各管脚电压值的变化情况,发现各输出管脚电压变化正常,且发光二极管能够发出光报警信号;随后还原接线,置数后把秒脉冲接到低位计数器,用万用表测量低位计数器各管脚的电压值变化情况,结果发现低位计数器部分输出管脚电位一直没有变化,且借位输出端一直为高电平。这是导致高位计数器没有变化,且发光二极管一直不发光的主要原因。但是经过检查,仍未发现是什么导致了低位计数器的故障。于是,我们怀疑是芯片本身有问题。更换芯片后重新测试,很快成功了。说明确实是芯片的故障导致了一开始实验的失败。
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