EWB在数字电子电路综合课程设计中的应用.docx
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EWB在数字电子电路综合课程设计中的应用
EWB在数字电子电路综合课程设计中的应用
1引言
长期以来,综合课程设计是以理论课教学、课程实验和课程设计等教学环节构成的。
我们在教学实践的过程中,结合理论教学的进程,利用计算机的电子设计自动化软件ElectronicsWorkbench(虚拟电子工作台,EWB)在计算机上进行基础验证模拟仿真实验,作为教学的补充。
使学生增强对电路的感性认识,掌握各种仪器的基本使用、电路参数的测试方法。
我们采用工作在Windows2000平台上的EWB5.12(虚拟电子工作台)软件。
实验可由教师结合教学内容通过多媒体教学平台演示完成,也可由学生在课外利用计算机参照有关习题完成。
通过人机对话的方式,能使每个人都能亲自动手搭接电路,进行元件接线,参数设定。
边连线,边测试,边修改,边分析,并与理论计算结果进行对照。
通过EWB软件的"componentProperties"(元件属性)可随时调整和修改元器件参数,分析各元件参数对电路的作用与影响。
调试和测量过程就是最好的学习过程。
在这样的实验中,把实验与理论有机的结合起来,加深了学生对理论的认识。
我们可以通过一个实际的设计例子来体现EWB仿真软件的优越性。
2基于EWB平台的交通灯电路设计
2.1设计任务
设计一个主要街道和次要街道十字路口的交通灯控制器。
主要街道绿灯亮6s,黄灯亮2s;次要街道绿灯亮3s,黄灯亮1s。
依次循环。
2.2分析任务
当主要街道亮绿灯和黄灯时,次要街道亮红灯(8s),当次要街道亮绿灯和黄灯时,主要街道亮红灯(4s)。
用MG,MY,MR,CG,CY,CR分别表示主要街道的绿灯、黄灯、红灯,次要街道的绿灯、黄灯、红灯。
2.3设计步骤
2.3.1课程设计的常规步骤
(1)根据设计要求列出交通灯控制器的真值表如表1所示。
(2)利用卡诺图化简法或公式化简法获得最简的逻辑表达式。
(3)根据公式直接设计总体电路;
(4)在电路板上搭接实际电路,测量相关数据,按设计要求修改实际电路直至符合设计要求。
2.3.2应用EWB仿真软件之后的设计步骤
(1)根据设计要求列出交通灯控制器的真值表如表l所示。
(2)利用逻辑转换仪获得最简逻辑表达式,逐一设计完成各单元电路并从(EWB)所提供的器件库中选择元器件。
(3)进行总体连接完成总体设计,然后进行仿真,测量相关数据,按设计要求修改仿真电路直至符合设计要求。
(4)在电路板上搭接实际电路。
2.4电路设计
从元器件库中拖出逻辑转换仪,根据交通灯控制器的真值表,获得MG的最简逻辑表达式如图1所示。
同理,求出MY,MR,CG,CY,CR的最简逻辑表达式。
根据最简表达式设计出总体电路,再从元器件库中选出元器件,从仪器库中选出逻辑分析仪,根据预设计的电路连接和设置仪器。
其电路图如图2所示,逻辑分析仪设置为内触发方式。
2.5电路的仿真实验
按下"启动/停止",运行模拟程序,从指示灯上观察实验结果。
仿真的另一特点是有逻辑分析仪,双击逻辑分析仪图标即可观察到各点的时序波形如图3所示。
其输入信号的通道顺序为:
5Hz信号(CLK),主要街道绿灯信号MG,主要街道黄灯信号MY,主要街道红灯信号MR,次要街道绿灯信号CG,次要街道黄灯信号CY,次要街道红灯信号CR。
从波形图上可清楚地看到电路中各点之间的时序关系。
对设计中模糊不清的问题,如计数器的同步置数,异步置数,同步清零,异步清零的问题,用时序图可以得到很好的解释。
这是实际实验无法比拟的,
3结语
通过以上设计可见,运用EWB软件,可方便地在计算机上设计电路,并进行仿真。
通过改变电路参数,可以观察不同电路参数对电路性能的影响,用虚拟仪器可以观察各实验点的波形及整个电路的实验结果,一个方案不成功可刷新重来,反复多次后选择出最佳的设计方案。
由于该软件具有丰富的元件库和仪器库,可以充分发挥每个设计者的想象力和创造力,大胆进行设计尝试,不必担心元器件会损坏,这样的设计可以随心所欲、花样叠出。
若电路设计有误,通过仿真,软件会做出警告或提示,当设计方案正确无误后,再按此方案搭接实际电路。
用EWB软件设计电子电路改变了传统的基于电路板的设计方法,从而可以大大缩短设计时间,节约开发费用,提高效率。
实践证明EWB软件是人们设计电子电路的有效工具。
第四部分 电子电路仿真实验
4.5仿真实验举例
[要点提示]
1、晶体三极管放大电路特性研究
2、四位数码寄存器
[内容简介]
4.5.1晶体三极管放大电路特性研究
一、实验内容
1.创建如图4.5.1所示的实验电路,并为元器件标识,参数设置。
2.测量静态工作点Ib、Ic、Vce,用示波器测量电压放大倍数AV,用波特图仪测量频率特性,测量通频带BW。
3.调节Rp1、Rp2,用示波器观察因工作点的改变而引起的输出波形失真。
重新调节Rp1、Rp2恢复原值,使波形失真消除。
4.利用参数扫描功能,分析Co从0.1μF到100μF变化时对f1的影响。
二、仿真实验
1.创建电路,给电路中的全部元器件按图4.5.1要求标识,参数设置,然后单击Circuit/SchematicOptions出现对话框,在“Display”选项框内,勾选“ShowNotes”,这时EWB自动给各节点编号,并显示在电路图上。
图4.5.1晶体三极管放大电路特性研究实验电路
2.给虚拟仪器设置参数
电压表
Mode:
DC
Resistance:
100MΩ(考虑三级管输入电阻较高,为减小误差取高内阻)
电流表
Mode:
DCResistance:
取默认值1nΩ
函数发生器
波形:
正弦波
Frequency:
1KHzDutycycle:
50%
Amplitude:
50mVOffset:
0
示波器
Timebase:
0.50ms/div“X/T”显示方式
ChannelA:
50mV/divyposition:
0.00“AC”工作方式
ChannelB:
500mV/divyposition:
0.00“AC”工作方式
Trigger:
“Auto”方式
ChannelA输入线设为黑色,ChannelB输入线设为红色,则输入信号波形为黑色,输出信号波形为红色。
波特图仪
幅频特性 Vertical:
log F:
60dB I:
0dB
Horizontal:
log F:
1GHz I:
1Hz
相频特性 Vertical:
log F:
360度 I:
-360度
Horizontal:
log F:
1GHz I:
1Hz
3.单击“O/I”开关,运行电路,再单击“Parse”按钮,暂停运行。
1.从电压表、电流表读出静态工作点的值为:
IB=19.76μA IC=2.064mA
VCE=VC-VE=9.940V-1.102V=8.838V
2.双击示波器图标,打开示波器面板,单击“Expand“扩展面板,观察到波形如图4.5.2,拖拽读数指针,测得:
Av=VOP—P/VIP—P
=—1.3674V/98.196mV=—13.9
图4.5.2输入输出电压波形
3.双击波特图仪图标,打开波特图仪面板,单击“Magnitude”,测得幅频特性如图4.5.3。
拖拽读数指针,测得:
BW=13.45MHZ—26.65HZ≈13.45MHZ
单击“phase”,测得相频特性如图4.5.4。
图4.5.3幅频特性图4.5.4相频特性
4.调节RP1=200KΩ/100%、RP2=100Ω/0%,打开示波器面板运行电路、暂停运行,观察到输出波形如图4.5.5,波形产生截止失真。
调节RP1=200KΩ/5%、RP2=100Ω/0%,运行电路,暂停运行,观察到输出波形如图4.5.6,波形产生饱和失真。
调节RP1、RP2恢复原值,观察波形无明显失真。
图4.5.5输出电压波形(截止失真)图4.5.6输出电压波形(饱和失真)
4.选择Analysis/ParameterSweep选项,打开参数扫描设置对话框,设置如下:
Component:
C3(系统编号,电路图中的标识是“Co”)
StartValue:
0.1μF
EndValue:
100μF
Sweeptype:
Decade
Outputnode:
7
Sweepfor:
ACFrequencyAnalysis
单击“SetACoptions”按钮,设置分析参数:
Startfrequency:
1HZ
Endfrequency:
10GHZ
Sweeptype:
Decade
Numberofpoints:
100
Verticalscale:
log
单击“Simulate”,开始分析,分析结果如图4.5.7。
从幅频特性曲线看出,随Co电容的增大,fl减小。
整个放大器的通频带展宽。
图4.5.7幅频特性的参数(C3)扫描结果
4.5.2四位数码寄存器
一、实验内容
创建如图4.5.8所示四位数码寄存器,输入数码为0000~1111的16个四位二进制码,将其
依次以单步或循环方式输入寄存器,观察逻辑分析仪上输入与输出的逻辑波形。
图4.5.8四位数码寄存器实验电路
二、仿真实验
1.打开字信号发生器,进行字信号编辑和仪器设置。
因本实验要求输入数码为0000~111116个四位二进制码,则字信号编辑应为4位16进制数0000~000F。
字信号发生器其它设置为:
Initial:
0000Final:
000F
Trigger:
Internal(内触发方式)上升沿
Frequency:
1KHZ
输出方式:
Cycle或Step
2.打开逻辑分析仪面板,单击Clock“set”按钮,打开时钟设置对话框,Internalclockrate设为1KHZ。
其余选用默认值。
触发方式选用默认
值。
3.单击“O/I”开关,运行电路,暂停运行。
从逻辑分析仪上观察到如图4.5.9的输入、输出逻辑信号波形,四位数码寄存器在存数指令的作用下,将输入数码寄存在D触发器中。
图4.5.9四位数码寄存器输入、输出逻辑波形
第三部分数字电路实验
实验3、11.数字抢答器设计
[要点提示]
一、设计任务与要求
二、预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、实验内容及方法
六、实验报告
七、思考题
[内容简介]
一、设计任务与要求
1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛,分别用8个按钮S0~S7表示。
2.设置一个系统清除和抢答控制开关S,该开关由主持人控制。
3.抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮,锁存相应的编号,并在LED数码管上显示,同时扬声器发出报警声响提示。
选手抢答实行优先锁存,优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
4.抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间由主持人设定(如30秒)。
当主持人启动"开始"键后,定时器进行减计时,同时扬声器发出短暂的声响,声响持续的时间0.5秒左右。
5.参赛选手在设定的时间内进行抢答,抢答有效,定时器停止工作,显示器上显示选手的编号和抢答的时间,并保持到主持人将系统清除为止。
6.如果定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效,系统报警并禁止抢答,定时显示器上显示00。
二、预习要求
1.复习编码器、十进制加/减计数器的工作原理。
2.设计可预置时间的定时电路。
3.分析与设计时序控制电路。
4.画出定时抢答器的整机逻辑电路图
三、设计原理与参考电路
1.数字抢答器总体方框图
如图11、1所示为总体方框图。
其工作原理为:
接通电源后,主持人将开关拨到"清除"状态,抢答器处于禁止状态,编号显示器灭灯,定时器显示设定时间;主持人将开关置?
quot;开始"状态,宣布"开始"抢答器工作。
定时器倒计时,扬声器给出声响提示。
选手在定时时间内抢答时,抢答器完成:
优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。
当一轮抢答之后,定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。
如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。
图11、1数字抢答器框图
2.单元电路设计
(1)抢答器电路
参考电路如图11、2所示。
该电路完成两个功能:
一是分辨出选手按键的先后,并锁存优先抢答者的编号,同时译码显示电路显示编号;二是禁止其他选手按键操作无效。
工作过程:
开关S置于"清除"端时,RS触发器的端均为0,4个触发器输出置0,使74LS148的=0,使之处于工作状态。
当开关S置于"开始"时,抢答器处于等待工作状态,当有选手将键按下时(如按下S5?
4LS148的输出经RS锁存后,1Q=1,=1,74LS48处于工作状态,4Q3Q2Q=101,经译码显示为"5"。
此外,1Q=1,使74LS148=1,处于禁止状态,封锁其他按键的输入。
当按键松开即按下时,74LS148的此时由于仍为1Q=1,使=1,所以74LS148仍处于禁止状态,确保不会出二次按键时输入信号,保证了抢答者的优先性。
如有再次抢答需由主持人将S开关重新置?
quot;清除"然后再进行下一轮抢答。
74LS148为8线-3线优先编码器,表11、1为其功能表。
图11、2数字抢答器电路
表10、1 74LS148的功能真值表
(2)定时电路
图11、3可预置时间的定时电路
由节目主持人根据抢答题的难易程度,设定一次抢答的时间,通过预置时间电路对计数器进行预置,计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计,具体电路如图11、3所示。
(3)报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图11、4所示。
其中555构成多谐振荡器,振荡频率fo=1.43/[(RI+2R2)C],其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号,当PR为高电平时,多谐振荡器工作,反之,电路停振。
图11、4报警电路
(4)时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键,它要完成以下三项功能:
①主持人将控制开关拨到"开始"位置时,扬声器发声,抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
②当参赛选手按动抢答键时,扬声器发声,抢答电路和定时电路停止工作。
③当设定的抢答时间到,无人抢答时,扬声器发声,同时抢答电路和定时电路停止工作。
图11、5时序控制电路
根据上面的功能要求以及图11、2,设计的时序控制电路如图11、5所示。
图中,门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止,门G2的作用是控制74LS148的输人使能端。
图11、4的工作原理是:
主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时,来自于图11、2中的74LS279的输出1Q=0,经G3反相,A=1,则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端,定时电路进行递减计时。
同时,在定时时间未到时,则"定时到信号"为1,门G2的输出=0,使74LS148处于正常工作状态,从而实现功能①的要求。
当选手在定时时间内按动抢答键时,1Q=1,经G3反相,A=0,封锁CP信号,定时器处于保持工作状态;同时,门G2的输出=1,74LS148处于禁止工作状态,从而实现功能②的要求。
当定时时间到时,则"定时到信号"为0,=1,74LS148处于禁止工作状态,禁止选手进行抢答。
同时,门G1处于关门状态,封锁CP信号,使定时电路保持00状态不变,从而实现功能③的要求。
集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间,其工作原理请读者自行分析。
四、实验仪器设备
1.数字实验箱。
2.集成电路74LS1481片,74LS2791片,74LS483片,74LS1922片,NE5552片,74LS001片,74LS1211片。
3.电阻510Ω2只,1KΩ9只,4.7kΩl只,5.1kΩl只,100kΩl只,10kΩ1只,15kΩ1只,68kΩl只。
4.电容0.1uF1只,10uf2只,100uf1只。
5.三极管3DG121只。
6.其它:
发光二极管2只,共阴极显示器3只。
五、实验内容及方法
1.组装调试抢答器电路。
2.设计可预置时间的定时电路,并进行组装和调试。
当输人1Hz的时钟脉冲信号时,要求电路能进行减计时,当减计时到零时,能输出低电平有效的定时时间到信号。
3.组装调试报警电路。
4.完成定时抢答器的联调,注意各部分电路之间的时序配合关系。
然后检查电路各部分的功能,使其满足设计要求。
六、实验报告
1.画出定时抢答器的整机逻辑电路图,并说明其工作原理和工作过程。
2.说明实验中产生的故障现象及其解决办法。
3.回答思考题。
4.心得体会与建议。
七、思考题
1.在数字抢答器中,如何将序号为0的组号,在七段显示器上改为显示8?
2.在图11、2中,74LS148的输人使能信号为何要用1Q进行控制?
如果改为主持人控制开关信号S和相与去控制,会出现什么问题?
3.定时抢答器的扩展功能还有哪些?
举例说明,并设计电路。
实验3、12交通灯控制电路
[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题
[内容简介]
一、设计任务与要求
1.设计一个十字路口的交通灯控制电路,要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行,每次通行时间都设为25秒;
2.要求黄灯先亮5秒,才能变换运行车道;
3.黄灯亮时,要求每秒钟闪亮一次。
二、实验预习要求
1.复习数字系统设计基础。
2.复习多路数据选择器、二进制同步计数器的工作原理。
3.根据交通灯控制系统框图,画出完整的电路图。
三、设计原理与参考电路
1.分析系统的逻辑功能,画出其框图
交通灯控制系统的原理框图如图12、1所示。
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源,译码器输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作,控制器是系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作。
图中:
TL:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒,即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到,TL=1,否则,TL=0。
TY:
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到,TY=1,否则,TY=0。
ST:
表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
图12、1交通灯控制系统的原理框图
2.画出交通灯控制器的ASM(AlgorithmicStateMachine,算法状态机)
(1)图甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行,乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔TL时,控制器发出状态信号ST,转到下一工作状态。
(2)甲车道黄灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行,乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。
(3)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。
(4)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上位过县停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,系统又转换到第
(1)种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2表示,则控制器的工作状态及功能如表12、1所示,控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见,把灯的代号和灯的驱动信号合二为一,并作如下规定:
表12、1控制器工作状态及功能
控制状态信号灯状态车道运行状态
S0(00)甲绿,乙红甲车道通行,乙车道禁止通行
S1(01)甲黄,乙红甲车道缓行,乙车道禁止通行
S3(11)甲红,乙绿甲车道禁止通行,甲车道通行
S2(10)甲红,乙黄甲车道禁止通行,甲车道缓行
AG=1:
甲车道绿灯亮;
BG=1:
乙车道绿灯亮;
AY=1:
甲车道黄灯亮;
BY=1:
乙车道黄灯亮;
AR=1:
甲车道红灯亮;
BY=1:
乙车道红灯亮;
由此得到交通灯的ASM图,如图12、2所示。
设控制器的初始状态为S0(用状态框表示S0),当S0的持续时间小于25秒时,TL=0(用判断框表示TL),控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时,TL=1,控制器发出状态转换信号ST(用条件输出框表示ST),并转换到下一个工作状态。
依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。
3.单元电路的设计
(1)定时器
定时器由与系统秒脉冲(由时钟脉冲产生器提供)同步的计数器构成,要求计数器在状态信号ST作用下,首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器从零开始进行增1计数,向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。
74LS163是4位二进制同步计数器,它具有同步清零、同步置数的功能。
74LS163的外引线排列图和时序波形图如图12、3所示,其功能表如表12、2所示。
图中,是低电平有效的同步清零输入端,是低电平有效才同步并行置数控制端,CTp、CTT是计图12、2交通灯的ASM图数控制端,CO是进位输出端,D0~D3是并行数据输入端,Q0~Q3是数据输出端。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如图12、4所示。
电路的工作原理请自行分析。
(a)
图12、374LS163的外引线排列图和时序波形图
(2)控制器
控制器是交通管理的核心,它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
从ASM图可以列出控制器的状态转换表,如表12、3所示。
选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生4种状态,控制器状态转换的条件为TL和TY,当控制器处于Q1n+1Q0n+1=00状态时,如果TL=0,则控制器保持在00状态;如果,则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。
这两种情况与条件TY无关,所以用无关项"X"表示。
其余情况依次类推,同时表中还列出了状态转换信号ST。
图12、4定时器电路图
表12、274LS163功能表
|
表12、3控制器状态转换表
根据表12、3、可以推出状态方程和转换信号方程,其方法是:
将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与,其中"1"用原变量表示,"0"用反变量表
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