1 技术指标 ..................................................................................................................................... 1
1.1 初始条件 .......................................................................................................................... 1 1.2 技术要求 .......................................................................................................................... 1
1.2.1 模拟电路技术要求 ............................................................................................... 1 1.2.2 数字电路技术要求 ............................................................................................... 1
2 设计方案及其比较 ..................................................................................................................... 1
2.1 模拟电路方案 .................................................................................................................. 1
2.1.1 方案一 ................................................................................................................... 1 2.1.2 方案二 ................................................................................................................... 2 2.1.3 方案比较 ............................................................................................................... 4 2.2 数字电路方案 .................................................................................................................. 4
2.1.1 方案一 ................................................................................................................... 4 2.1.2 方案二 ................................................................................................................... 5 2.1.3 方案比较 ............................................................................................................... 6
3 实现方案 ..................................................................................................................................... 7
3.1模拟电路方案 ................................................................................................................... 7
3.1.1 加法电路 ............................................................................................................... 7 3.1.2 减法电路 ............................................................................................................... 7 3.1.3 使用元器件说明 ................................................................................................... 8 3.2 数字电路方案 .................................................................................................................. 9
3.2.1 脉冲产生电路 ....................................................................................................... 9 3.2.2 循环控制电路 ..................................................................................................... 10 3.2.3 彩灯显示电路 ..................................................................................................... 10 3.2.4 使用元器件说明 ................................................................................................. 11
4 调试过程及结论 ....................................................................................................................... 13
4.1 模拟电路 ........................................................................................................................ 13
4.1.1 调试过程 ............................................................................................................. 13 4.1.2 调试结果 ............................................................................................................. 13 4.1.3 结论 ..................................................................................................................... 14 4.2 数字电路 ........................................................................................................................ 14
4.2.1 调试过程 ............................................................................................................. 14 4.2.2 调试结果 ............................................................................................................. 14 4.2.3 结论 ..................................................................................................................... 15
5 心得体会 ................................................................................................................................... 15 6 参考文献 ................................................................................................................................... 16
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彩灯循环控制电路的设计和模拟信号运
算电路的设计
1 技术指标
1.1 初始条件
直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具
1.2 技术要求
1.2.1 模拟电路技术要求
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。
1.2.2 数字电路技术要求
设计一种利用发光二极管作为彩灯指示，实现发光二极管依次点亮形成移动的光点，并不断循环的彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节。
2 设计方案及其比较
2.1 模拟电路方案
2.1.1 方案一
本方案的加减法运算电路以一片集成运算放大器LF353为核心原件构成，多个输入信号分别作用于运算放大器的同相输入端和反向输入端，实现对输入信号的加、减法运算，外部电阻决定输入信号的比例系数。
加减法运算电路中运放的输入端有共模信号成分，为使共模输出为零，同时补偿运放输入平均偏置电流及其漂移影响，通常要求运放的输入端电阻平衡，即运放反相输入端、同相输入端所接的电阻相等。
所给出的比例系数为1（所有电阻阻值都为1K）的加减法运算电路如图1所示。其中，
1
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Vi11为减运算输入信号，Vi21、Vi22为加运算输入信号，Vo为输出信号，R11、R21、R22为输入端电阻，RF为反馈电阻，RP为平衡电阻，R’为附加电阻。
输入端电阻平衡条件： 1/ R11+1/ R’+1/RF=1/ R21+1/R22+1/RP (1) 根据虚断：同相输入端 (Vi21-V+)/R21+(Vi22-V+)/R22=V+/RP
Vi21/R21+Vi22/R22= (1/ R21+1/R22+1/RP)*V+ (2)
反向输入端 (Vi11-V-)/R11=V-/R’+( V--Vo )/RF
Vi11/R11+Vo /RF = (1/ R11+1/ R’+1/RF)*V- (3)
根据虚短V+ = V-及式(1)将(3)- (2)整理得
Vo= (RF/R21*Vi21+RF/R22*Vi22)-RF/R11*Vi11 (4) 将(1)变形可得 RF/R21+RF/R22-RF/R11=1+RF/R’-RF/RP (5) 若实现两路可调模拟信号相加，即Vo= Vi21+ Vi22,此时RF/R21+RF/R22-RF/R11=2>1, 令RP端开关断开：
若实现两路可调模拟信号相减，即Vo= Vi21-Vi11,此时RF/R21+RF/R22-RF/R11=0<1， 令R’端开关断开。
图1 模电方案一原理图
2.1.2 方案二
本方案将加、减法运算电路分开实现。加法运算电路由一个集成运算放大器构成，其
2
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原理图如图2所示；减法运算电路由两个集成运算放大器构成，其原理图如图3所示（所有电阻均为1K）。
1)加法运算电路
根据虚短、虚断得: VN = VP=0
(Vi1-VN)/R1+(Vi2-VN)/R2=VN-Vo/RF 联立可得：-Vo=RF/R2*Vi2+RF/R1*Vi1 由R1=R2=RF=1K,有Vo= -(Vi1+Vi2)
图2 模电方案二加法运算原理图
2)减法运算电路
第一级为反相电路，Vo’＝-RF1/R1*Vi1；
第二级为加法电路，Vo=-RF2/R2*Vi2-RF2/R2* Vo’。 由R1=R2=RF1=RF2=1K,有Vo= Vi1-Vi2
图3 模电方案二减法运算原理图
3
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2.1.3 方案比较
从方案的优化方面比较，两个方案都能满足课设要求，能够实现两路可调模拟信号的加法运算和减法运算。但是方案一在实现两种运算时还得分别去掉不同的电阻，较于麻烦。 且当实现一种运算时，有一个输入端悬空，会对结果有很大的影响。
从方案的复杂程度比较，方案一虽然只需要一片LF353芯片，而方案二需要两片，但方案二用的基本理论较方案一简单些。方案一还需要输入端电阻的平衡条件。
尽管方案一与方案二都有不足，而且在现实生产中可能都会遇到困难，但综合多个方面考虑决定采用方案二。
2.2 数字电路方案
2.1.1 方案一
3函数发生器二进制计数电路 线8线译码电路 彩灯显示电路1)脉冲电路：
选用函数发生器提供所需的方波信号，通过调节对应开关改变频率，以此来实现对彩灯循环时间的调节。
2)循环控制电路：
由74LS193和74HC238两芯片实现。74LS193构成二进制计数电路，根据其逻辑功能，可通过其实现彩灯循环。74HC238构成3线8线译码电路, 实现对计数的译码，通过3位二进制输入A B C ,共输出8种状态的组合，对8组彩灯进行控制。
4
循环控制电路
图4 数电方案一的结构框图
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3)彩灯显示电路：
用发光二极管来实现彩灯的闪烁，二极管的阴极与保护电阻相连接地。
按照构思将方案二进行实际的设计，来完成所规定的要求。考虑到实际情况的复杂，故直接将其仿真以便改正，仿真原理图如图5所示：
图５ 数电方案一原理图
2.1.2 方案二
脉冲产生电路 1)脉冲产生电路：
循环控制电路 图6 方案二的结构框图
彩灯显示电路
选用NE555定时器组成的多谐振荡器可以产生所需频率的脉冲。通过调节滑动变阻器改变输出频率来实现对彩灯循环时间的调节。
5
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2)循环控制电路：
由一片CD4017芯片实现，对“CP”端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Y0～Y9这十个输出端，计满十个数后计数器复零，以实现对其的循环计数。
3)彩灯显示电路：
用发光二极管来实现彩灯的闪烁，二极管的阴极与保护电阻相连接地。
按照构思将方案二进行实际的设计，来完成所规定的要求。考虑到实际情况的复杂，故直接将其仿真以便改正，仿真原理图如图7所示：
图7 数电方案二原理图
2.1.3 方案比较
从方案的优化方面比较，两个方案都能满足课设要求。实现发光二极管依次点亮形成移动的光点，并不断循环的彩灯循环控制电路，并能实现对彩灯循环时间的调节。但是方案一使用函数发生器。函数发生器价格昂贵，体积笨重。用在本系统，实属大材小用。方案二采用555产生秒脉冲。NE555电源范围宽,定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。用NE555构成多谐振荡器，可产生比较稳定且占空比可调的矩形脉冲。
从方案的复杂程度比较，方案二用的基本理论较方案一简单些。方案一将循环功能分
6
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开实现，而且还需要计数和译码，而方案二仅需要一片CD4017芯片便可实现。
尽管方案一与方案二都有不足，而且在现实生产中可能都会遇到困难，但综合多个方面考虑决定采用方案二。
3 实现方案
3.1模拟电路方案
3.1.1 加法电路
加法运算电路由一个集成运算放大器构成，两模拟信号分别接到反相输入端，是一个反相求和电路。
根据虚短、虚断得: VN = VP=0
(Vi1-VN)/R1+(Vi2-VN)/R2=VN-Vo/RF 联立可得：-Vo=RF/R2*Vi2+RF/R1*Vi1 由R1=R2=RF=1K,有Vo= -(Vi1+Vi2)
运算放大器的+Vcc和-Vcc分别接+5V和-5V电压源。用滑动变阻器将+5V电压源分两路接到两输入端，适当调节滑动变阻器，用万用表测两输入端和输出端的电压值。实现原理图如图8所示。
图8 加法运算电路原理图
3.1.2 减法电路
减法运算电路由两个集成运算放大器构成，对其中一路模拟输入信号用反相器反相，再与另一路模拟输入信号相加，是一个反相求和电路。即利用反相信号求和以实现减法运
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算。
第一级为反相电路，Vo’＝-RF1/R1*Vi1；
第二级为加法电路，Vo=-RF2/R2*Vi2-RF2/R2* Vo’。 由R1=R2=RF1=RF2=1K,有Vo= Vi1-Vi2
运算放大器的+Vcc和-Vcc分别接+5V和-5V电压源。用滑动变阻器将+5V电压源分两路接到两输入端，适当调节滑动变阻器，用万用表测两输入端和输出端的电压值。实现原理图如图9所示。
图9 减法运算电路原理图
3.1.3 使用元器件说明
图10 LF353引脚图
一片LF353芯片由两个运放集成。VCC和VEE分别为正、负电源端，2、3和1分别为
8
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一个集成运算放大器的反向输入端、同相输入端和输出端。6、5和7为另一集成运算放大器的反向输入端、同相输入端和输出端。
3.2 数字电路方案
3.2.1 脉冲产生电路
用555定时器组成的多谐振荡器原理图如图11所示：
图11 脉冲产生电路
接通电源时，电源通过电阻R1、R2和滑动变阻器RP向电容器C1充电。当C1刚充电时，由于555的２脚处于低电平，故输出端３脚呈高电平；当电源经R1、R2和滑动变阻器RP向C1充电到2/3电源电压时，输出端３脚电平由高变低，555内部放电管导通，电容C1经R1和RP向555的７脚放电，直至C1两端电压低于1/3电源电压时，555的３脚又由低电平变为高电平，C1又再次充电，如此循环工作，形成振荡。
555的频率可以通过改变滑动变阻器RP的阻值而改变，其时钟输出直接进入4017的14脚，这样来驱动10个LED负载，使其循环点亮。
由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组
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成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
参数选择如下：R1=1.5K，R2=1.5K，RP=100K，C1=1uF，C2=0.01uF 电容C放电所需的时间： t1=0.7(R1+RP)C
VC由1/3电源电压上升到2/3电源电压所需的时间： t2=0.7(R1+R2+RP)C 电路的振荡周期： T= t1+t2=(R2+2R1+2RP)C
电路的振荡频率： f=1/(t1+t2)=1.43/(R2+2R1+2RP)/C
3.2.2 循环控制电路
CD4017是十进制计数器，具有是个译码输出端，CP、CR，INH输出端。电路
接通时，脉冲信号加到时钟输入端，此时只有Q0为高电平，其余的都为低电平。当第二个脉冲到来时，Q1为高电平，其余的为低电平。以此类推，每次只有一个输出端为高电平，所对应的LED灯就会被点亮。如此周而复始Q0~Q9依次出现高电平，LED1~LED10依次点亮，依次熄灭。循环控制电路原理图如图12所示。
图12 循环控制电路
3.2.3 彩灯显示电路
用LED来实现彩灯的闪烁，二极管的阴极与电阻相连接地。电阻起到保护作用，防止电流过大把灯烧掉，电阻阻值最好在500R左右，太大LED灯可能不会亮，太小的话可能起不到保护作用。连接二极管时要注意阴极和阳极的区分，免得出现二极管不
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亮时，盲从的检测。彩灯循环的速度由脉冲源频率决定。彩灯显示电路原理图如图13所示。
图13 彩灯显示电路
3.2.4 使用元器件说明
图14 NE555引脚图
各管脚说明：１接地 ２触发 ３输出 ４复位 ５控制电压 ６门限（阈值）８电源电压
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７放电武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书
图15 CD4017引脚图
管脚说明：
CO:进位脉冲输出端 CP:时钟输入端 CR:清除端 INH：禁止端 Q0-Q9:计数脉冲输出端 VDD:正电源 VSS:地
表1 CD4017功能表
图16 发光二极管管脚图
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4 调试过程及结论
一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装，往往也难达到预期的结果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观因素（如元件值的误差，器件参数的分散性，分布参数的影响等），必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足，然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。一般用万用表进行调试。
4.1 模拟电路
4.1.1 调试过程
1) 检查电路
对照电路原理图认真检查电路，首先查看电源是否接错或与地短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路原理图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接或出现多接线的现象。
2) 接通电源观察
在做好第一步的基础上进行这一步。接通电源，如果出现异常现象立即关闭电源，按第一步重新检查电路对出现事故的电路部分进行着重的检查，直至发现并排除错误。
3) 加法运算电路在工作的情况下的调试
将电压源连在滑动变阻器上，利用滑动变阻器将电压源分成两路分别加在加法运算电路的两输入端。适当调节滑动变阻器，用万用表检测输入端和输出端电压。观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试直至符合设计要求。
4) 减法运算电路在工作的情况下的调试
将电压源连在滑动变阻器上，利用滑动变阻器将电压源分成两路分别加在减法运算电路的两输入端。适当调节滑动变阻器，用万用表检测输入端和输出端电压。观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试直至符合设计要求。
4.1.2 调试结果
刚开始对加法电路进行调试时，只要一接通电源，各种器件便开始发烫。经过检验，发现电压源输出出错，+12V输出端并非输出12V电压，而是24V。将电压源换成+5V重新调试后，运算电路正常工作。
对减法运算电路进行调试，电路正常工作。 1)加法运算电路调试结果
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用万用表测出的电压值：Ui1=0.69V Ui2=5.00V Uo=-5.7V 理论值：Uo理=-5.69V 测量值：Uo测=-5.7V 差值：△U=0.01V 误差：u=0.18%
2)减法运算电路调试结果
用万用表测出的电压值：Ui1=0.49V Ui2=5.00V Uo=-4.5V 理论值：Uo理=-4.51V 测量值：Uo测=-4.5V 差值：△U=0.01V 误差：u=0.22%
4.1.3 结论
设计两模拟信号运算电路能实现两路可调模拟信号的加法运算和减法运算，调试结果在可接受误差范围内。说明该电路满足设计方案要求，本实验设计完成任务要求，设计方案成功。
4.2 数字电路
4.2.1 调试过程
1) 检查电路
对照电路原理图认真检查电路，首先查看电源是否接错或与地短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路原理图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接或出现多接线的现象。
2) 接通电源观察
在做好第一步的基础上进行这一步。接通电源，如果出现异常现象立即关闭电源，按第一步重新检查电路对出现事故的电路部分进行着重的检查，直至发现并排除错误。
3) 电路工作的情况下的调试
将电源连接上，观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试。调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。
4）电路正常工作后测所需数据
电路正常工作，用示波器检测NE555的输出端波形和LED端的波形，并以此算出对应的频率和电压值。
4.2.2 调试结果
第一次调试并未得出理想的结果。彩灯虽然按设计的顺序闪烁，但是闪烁间隔时间不
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稳定，且接不同的电压值会使得频率发生变化。我们对出现的问题进行分析，是NE555未接电容C2(C2起到抗干扰作用)，将电容安上后，然后进行调试。
经过重新检查调试，电路正常工作。所有彩灯都按设计的顺序依次点亮形成移动的光点，并不断循环。通过调节滑动变阻器，可以改变频率NE555的输出频率，实现对彩灯循环时间的调节。 NE555输出端振荡频率：
测量值：f测=6.67Hz 理论值：f理=6.99Hz 误差：u=4.58%
4.2.3 结论
设计电路可以完成彩灯循环功能，并能实现对循环时间的调节。说明该电路满足设计方案要求，本实验设计完成任务要求，设计方案成功。
5 心得体会
在本次课程设计中，我基本上掌握了制作一个简单电子产品的基本过程，熟悉了对proteus软件的使用，但使用熟练程度还有待提高。电子设计有关软件对产品设计起到了很大的作用，熟悉这些软件的使用至关重要。通过这次课程设计，我也学到了不少知识，收获颇丰。
在设计前一定要仔细分析实验要求，脑海中初步拟定方案，列出实验所需要的器件。然后到网上或图书馆查阅相关知识，最后整理资料，写出自己的方案，并且初步检测可行性。在设计过程中也初步掌握了一些芯片的用途，特别是CD4017计数器，还有多谐振荡器。电子产品的原理主要运用数字电路与模拟电路的知识比较多，数电和模电基础学习比较重要。本次课程设计让我加深了对模电数电知识的理解，提高了动手能力和独自思考能力。
在调试过程中遇到了很多问题，印象最深的就是模电调试时电压源输出出错，+12V输出端并非输出12V电压，而是24V。经过检查排除，最后才发现问题所在。因此，我们在实验前应对实验仪器进行检查。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能使问题得到解决。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终实验的成功。
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回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识。
6 参考文献
[1]吴友宇.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009 [2]伍时和.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009
[3]康华光，邹寿彬.电子技术基础-数字部分（第五版）.北京：高等教育出版，2006 [4]周新民.工程实践与训练教程.武汉：武汉理工大学出版社，2009
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