模电数电课程设计说明书

目录（如有疑问，欢迎发邮件kexiaojiu@https://www.360docs.net/doc/fd4871380.html,）

1.技术指标 (1)

2.设计方案及器比较 (1)

2.1模拟电路方案 (1)

2.1.1方案一 (2)

2.1.2方案二 (2)

2.1.3方案三 (3)

2.1.4方案四 (4)

2.1.5方案比较 (5)

2.2数字电路方案 (5)

2.2.1方案一 (8)

2.2.2方案二 (8)

2.2.3方案三 (9)

2.2.4方案四 (10)

2.2.5方案比较 (11)

3.实现方案 (12)

3.1模拟电路方案 (12)

3.1.1 LF353引脚图 (12)

3.1.2LF353内部结构图 (12)

3.1.3实现方案原理图及工作原理 (13)

3.1.4实验方案中各个器件功能 (14)

3.2数电电路方案 (14)

3.2.1 NE555引脚图及功能表 (14)

3.2.2 NE555内部结构 (15)

3.2.3实验方案原理图及工作原理 (16)

3.2.4实验方案中各个器件作用 (17)

3.2.5思考题 (17)

4.调试过程及结论 (19)

4.1模电运算电路的调试及结论 (19)

4.2数电叮咚门铃的调试及结论 (19)

5.心得体会 (19)

6.参考文献 (20)

叮咚门铃电路设计和模拟信号运算电路

的设计

1. 技术指标

设计一个叮咚门铃电路，设一个按钮，按下按钮时发出门铃的较高频率“叮”声，松开按钮，发出较低频率的“咚”声。门铃叮咚声的声音频率和声音持续时间可调。

设计一种模拟信号运算电路，具体包括加法运算电路和减法运算电路，要求能够实现两路可调模拟信号的加法运算和减法运算。

2. 设计方案及器比较

2.1 模拟电路方案

集成运算放大器的应用从最初的信号运算发展到现在，几乎覆盖了电子技术的各个领域。从电路上来讲，理想的运算放大器在线性工作区存在“虚短”和“虚断”。当集成运算放大器处于开环或正反馈状态时，集成运算放大器将处于非线性区，这时，虚短是不存在的，但是“虚断”还是满足的。集成运算放大器的电压传输特性如Figure 1。

运算放大器有三种输入方式：反向输入、同相输入和差动输入（如Figure 2）。下面介绍这三种输入方式。

Figure 1集成运算放大器的电压传输特性

反向输入：

（1） 同相输入： （2）

差动输入：

（3） 2.1.1 方案一

方案一是利用单刀双掷开关SW1来控制加减法电路的接入与否。其原理图如Figure 1。各电阻值都是10千欧。Vi1和Vi2是输入端且可以调节，Vo 是信号输出端。

由运算放大器的反向输入方式的输入输出关系式（1）及图中各电阻相等可知： 当开关置上时，实现减法运算：Vo= Vi1-Vi2； 当开关置下时，实现加法运算：Vo= Vi1+Vi2；

2.1.2 方案二

v o =?R f 1

v i v o =(1+R

f R 1

)v i v o =v o 1+v o 2=?R f 1v 1i +(1+R

f 1)(R 323

)v i 2 Figure 2集成运算放大器的输入方式

Figure 3模电方案一原理图

方案二是利用开关SW1来控制信号源Vi2的反向与否来实现电路加减法运算的切换。其原理图如Figure 4。各电阻值都是10千欧。Vi1和Vi2是输入端且可以调节，Vo 是信号输出端。

由运算放大器的反向输入方式的输入输出关系式（1）

、同相输入方式的输入输出关系式（2）及图中各电阻相等可知：

当开关闭合时，实现减法运算：Vo= Vi1-Vi2；

当开关断开时，实现加法运算：Vo= Vi1+Vi2；

2.1.3 方案三

方案三是将加法电路和减法电路分开设计。其中加法电路是运用运算放大器的反向接入方式连接的，而减法则是运用运算放大器的差动输入方式接入电路的。其原理图如Figure 5、6。各电阻值都是10千欧。Vi1和Vi2是输入端且可以调节，Vo 是信号输出端。

Figure 4模电方案二原理图

Figure 5模电方案三加法原理图

由运算放大器的反向输入方式的输入输出关系式（1）、差动输入方式的输入输出关系式（3）及图中各电阻相等可知：

Figure 5模电方案三加法原理图中：Vo= Vi1+Vi2； Figure 6模电方案三减法原理图中：Vo= Vi1-Vi2；

2.1.4 方案四

方案四也是将加法电路和减法电路分开设计。考虑到反向加法原理与加法原理基本相同，这里用反向加法代替加法。其原理图如Figure 7、8。各电阻值都是10千欧。

Figure 6模电方案三减法原理图

Figure 7模电方案四反向加法原理图

其中Vi1和Vi2是输入端且可以调节，Vo 是信号输出端。

由运算放大器的反向输入方式的输入输出关系式（1）及图中各电阻相等可知： Figure 7模电方案三加法原理图中：Vo= -（Vi1+Vi2）； Figure 8模电方案三减法原理图中：Vo= Vi1-Vi2；

2.1.5 方案比较

经分析，上述四个方案比较如下表（Table 1）

Table 1模电方案比较

2.2 数字电路方案

NE555 （Timer IC ）为8脚时基集成电路，大约在1971年由Signetics Corporation 发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC ，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，后来基于CMOS 技术版本的Timer IC 如MOTOROLA 的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC 在功能上有部

Figure 8模电方案四减法原理图

份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。由于芯片内使用了3个精度较高的5K 分压电阻，型号由此而得名。

在此次实验中主要用NE555构成多谐振荡器的方式来设计的。下面是NE555构成多谐振荡器——能产生矩形脉冲波的自激振荡器的介绍。

多谐振荡器的电路组成和工作原理见下图（Figure 2）

Figure 9 多谐振荡器的电路组成和工作原理

该多谐振荡器的参数计算如下： 电容充电时间T 1： （4） 电容放电时间T 2： （5） 电路振荡周期T ： （6）

电路振荡频率f ： （7） 输出波形占空比q ： （8）

C R R T )(7.0211+=C R T 227.0=T =T 1+T 2=0.7(R 1+2R 2)C C

R R T f )2(43.1121+≈

=2121

12R R R R T T q ++==

由以上的参数计算并结合多谐振荡器的原理可以设计出频率和周期可以调节的多谐振荡器，其原理图如下：

该多谐振荡器的充电回路是V

cc -R

1

-D

1

-C，放电回路是C-D

2

-7脚-GND。故可知T

1

=0.7R

1

C ，

T 2=0.7R

2

C。频率同理也改变了。

综上所述，可以设计以下四种方案。

Figure 10频率和周期可以调节的多谐振荡器

2.2.1 方案一

该方案是通过改变电容C 2的大小来调节门铃叮咚声的声音频率和声音持续时间。原理图见下图。

由多谐振荡器的参数计算结合本原理图可知： 叮咚声的声音频率： 声音持续时间：

其中当开关按下时

；开关放开时 。 2.2.2 方案二

方案二是通过改变电阻R 3或者R 4的大小来调节门铃叮咚声的声音频率和声音持续时间。这里只以改变R 3的阻值为例。原理图见下图。

Figure 11 数电方案一电路原理图

f = 1.44

(R +2R 4)C

T =0.7(R +R 4)

R =R 3+R D 2 R =R 3+R 2

由多谐振荡器的参数计算结合本原理图可知： 叮咚声的声音频率： 声音持续时间：

其中当开关按下时 ；开关放开时 。

2.2.3 方案三

方案三是将电阻R3和R4看作一个整体R ‘并通过滑动变阻器改变其大小从而的来调节

门铃叮咚声的声音频率。该方案中声音持续时间却不可以调节。其原理图如Figure 13。

由多谐振荡器的参数计算结合本原理图可知： 叮咚声的声音频率： 声音持续时间：

Figure 12数电方案二电路原理图

f = 1.44

4

T =0.7(R +R 4)

R =R 3+R D 2 R =R 3+R 2 f =

1.44

(R +2R 4)C

T =0.7(R +R 4)=0.7（R’+R ）

其中当开关按下时 ；开关放开时 。

2.2.4 方案四

方案四是通过操作过程中直接窜并联电阻R 3、R 4或电容C 2的大小来调节门铃叮咚声的声音频率和声音持续时间。原理图见下图（Figure 14）。

由多谐振荡器的参数计算结合本原理图可知： 叮咚声的声音频率： 声音持续时间：

其中当开关按下时

；开关放开时

R =R 3+R D 2

R =R 3+R 2

Figure 13数电方案三电路原理图

f = 1.44

(R +2R 4)C

T =0.7(R +R 4)

R =R 3+R D 2 R =R 3+R 2

Figure 14数电方案四电路原理图2.2.5方案比较

经分析，上述四个方案比较如下表（Table 2）

Table 2 数电方案比较

3. 实现方案

3.1 模拟电路方案

由Table 1模电方案比较表并结合实际我们选择方案四作为实现方案。在此次模拟电路部分实现方案中主要使用芯片LF353，下面对LF353做详细介绍并导出实现方案。

3.1.1 LF353引脚图

3，8号端和4号端分别接电压+12V 和- 12V ，1号和7号端为两个运发的输出端，2号和6号端为两个运发的反相输入端，3号和5号端为两个运发的同相输入端。

3.1.2 LF353内部结构图

Figure 16 LF353内部结构

Figure 15 LF353引脚图

3.1.3 实现方案原理图及工作原理

由于实验室只有一个激励源，加入滑动变阻器RV1更改方案四中的加减法电路原理图如下所示。

工作原理：Vp=0，根据“虚短”可知VN=0,

再由“虚断”可知Vi2/R2+Vi1/R1=-Vo/R3,从而可得Vo= -（Vi1+Vi2）；，实现了反向加法运算。

工作原理：根据Vp=0和“虚断”及“虚短”可知V0=Vi1-Vi2，实现了减法运算。 工作过程：通过滑动变阻器分压使Vi1和Vi2分别输入两个不同的电压值，再利用万 测出Vi1和Vi2的实际值和Vo 的值，比较它们间的关系。

Figure 17 模电实现方案反向加法原理图

Figure 18 模电实现方案减法原理图

3.1.4实验方案中各个器件功能

各元器件功能如下：

集成运算放大器LF353：对输入信号进行放大，线性工作状态时有“虚断”和“虚短”。

可调的直流稳压电源：为LF353提供电源和作为输入电压信号。

1KΩ电阻：限流作用，保护电路。

导线：连接电路。

3.2数电电路方案

由Table 2数电方案比较表并结合实际我们选择方案四作为实现方案。在此次数字电路部分实现方案中主要使用芯片LF353，下面对LF353做详细介绍并导出实现方案。

3.2.1 NE555引脚图及功能表

Figure 19 NE555引脚图

4脚为复位输入端（ RD ），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo 为低电平。正常工作时，应将其接高电平。5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC 和1/3VCC 。2脚为低触发输入端，6脚为高触发输入端，两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态。

下表为其功能表（Table 3）：

Table 3 NE555功能表

高触发输入 低触发输入

复位 输出

vI1

vI2

RD

vo

× ＜2/3VCC ＞2/3VCC ＜2/3VCC

× ＜1/3VCC ＞1/3VCC ＞1/3VCC

0 1 1 1

0 1 0 不变

3.2.2 NE555内部结构

Figure 20 NE555内部结构

3.2.3实验方案原理图及工作原理

由于实验室中没有合适的开关器件，在连线时我们用一根导线代替，但原理一样，这里就不重画图形了。实现原理图如下：

Figure 21 数电实现方案原理图

工作原理：当开关S断开时， NE555芯片的4脚处于低电位，强制复位，输出端3输出低电平，扬声器不工作，门铃不响。

当按下开关S时，电源VCC通过D1给电容C1充电，NE555的4脚处于高电位，R2被短路，此时D2、R3、R4、C2、C3和NE555内部组成多谐振荡器。当2端和6端的电压升高到2VCC/3时，3端输出为低电平，放电三极管导通，此时电容C2通过R2和7端进行放电，2端和6端的电压开始下降。当下降到1/3VCC时，3端的输出变为高电平，放电结束后，芯片内部的放电三极管截止，电源VCC通过D2、R3、R4给电容C2充电，2端和6端的电压上升到2VCC/3。升到2VCC/3时，3端的输出又变为低电位。

声音频率： 声音持续时间：

当松开开关时，电容C1是充满的，和其连在一起的4端为高电平,R2接入电路。R2、R3、R4、C2、C3和NE555内部构成多谐振荡器。电容C1放电的过程中其两端的电压下降到芯片的低电平范围后，芯片的4端处于低电位，输出端3强制复位，门铃不响。 声音频率： 声音持续时间：

图中各元器件的值：R1=R2=33K, R3=10K, R4=5K, C1=47uF,C2=0.1uF,C3=0.01uF,C4=100uF.故计算可知 频率：f 1=916.5Hz ，为“叮”声； 频率：f 2=298.3Hz ，为“咚”声。

3.2.4 实验方案中各个器件作用

R1：给C1充放电

R 2：开关断开后，给C2充电 R3：给C2充电 R4：给C2充放电

C1：充放电控制NE555的4端口的，来控制扬声器的工作 C2：充放电来控制NE555，使其发出脉冲波 C3：滤波,防止干扰

C4：滤波，使扬声器接收到稳定的脉冲波

D1、D2：防止闭合J1后，还有电流流过C1使其充电 S ：开关按钮，控制“叮咚”声的切换 扬声器：发出叮咚声

NE555：作为多谐振荡器，发出脉冲波

3.2.5 思考题

能否用其它芯片实现本设计功能，如果能，给出电路原理图并分析其工作原理？

T 1=0.7(R 3+R D 2+R 4)

f 1= 1.44(R 3+R D 2+2R 4)C 2

T 2=0.7(R 3+R 2+R 4)

f 2=

1.44

(R 3+R 2+2R 4)C 2

解答：可以，利用74121芯片也能实现。原理图如下：

Figure 22 叮咚门铃其他设计方案前一部分是由74121组成的多谐振荡器，功能表如下：

Table 4 741组成的多谐振荡器功能表

由此表可知能够实现叮咚门铃设计的基本要求。