数电课程设计-投掷硬币电路设计.docx

郑州科技学院数字电子技术》课程设计题目 投掷硬币电路设计学生姓名 X X X 专业班级 电器工程及其自动化X班学 号 201XXXX 院（系） 电气工程学院 指导教师 X X 完成时间 20XX年X月X日 目录摘 要 11 设计的目的 22 设计任务与要求 23 设计方案与论证 33.1 功能描述 54 设计原理及功能说明 65 单元电路的设计（计算与说明） 86 硬件的制作与调试 117 总结 12参考文献 14附录 1：实物图 15附录 2：总体电路原理图 16附录 3：元器件清单 17摘要现如今在以信息和技术为基础的现代社会，人们面临更多的机会和选 择同时，常常需要在不确定情境中根据大量无组织的数据做出合理的决 策社会发展统计学在人们的生活中变的越来越重要，由于随机现象在现 实世界中大量存在概率必将越来越显示出它巨大的威力随着社会的变 迁，统计与人们的生活已经密不可分，你中有我，我中有你，生活离不开 统计我们设计的掷硬币电路则帮助人们解决简单的统计问题，而掷硬币 是人们常用的一种随机决策方式掷硬币电路模拟器使用了红绿两种颜色 不同的发光二极管，它可以用不同颜色的灯光模拟演示投掷硬币的结果。

每按一次控制按钮，红灯和绿灯中就有一个被点亮，相当于一次掷硬币的结 果，这样可以更方便人们记录数据，从而节约人们的时间，方便人们的生 活统计学成为我们认识世界、了解世界、改造世界的工具，它与我们的 生活更是息息相关，密不可分电路多谐振荡器、随机控制电路和 LED 驱动显示电路组成1 设计的目的（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步体验，掌握数字电路设计 的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力2）学会掷硬币器的设计方法和性能指标测试方法3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力4）设计并制作一个掷硬币器5）设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原 理电路图6）自拟试验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的 规格、数量，交给指导教师审核7）批准后，进行组装、调试，并测试其主要性能参数2 设计任务与要求（1）设计任务1利用7805、7905设计一个输出±（5〜9） V、1A的直流稳压电源动手设计并制作一个投掷硬币模拟器，主要技术指标要求闭合开关时会随 机点亮红色或绿色发光二极管;2 设计出电路的结构、选择电路元件，计算出各个元件参数 ，画出实 用电路原理图；确定随机控制电路、自激多谐振荡器、 LED 驱动显示电路 都能够正常工作。

3 查出测试所需仪器及元器件的规格、数量，进行组装、调试，并测 试其主要性能参数，拟定试验方法、步骤及数据表格4 选择多谐振荡器、掌握自激多谐振荡器和随机控制电路的特性及应 用5 掌握多谐振荡器与 555 定时器区别2）设计基本要求1、画出系统电路图，并画出变压器输出、滤波电路输出及稳压输出 的电压波形； 画出变压器副边电流的波形2、输入工频 220V 交流电的情况下，确定变压器变比3、在满载情况下选择滤波电容的大小（取 5 倍工频半周期）4、求滤波电路的最大输出电压5、求电路中固定电阻阻值和可调电阻的调节范围3）设计报告要求1 、画出完整的电路图2 、画出整流、滤波、稳压各环节的电压波形3 、选择各环节所用器件的参数3 设计方案与论证4013双D触发器结构功能原理应用电路1Q1QICPIRliIDlSrjVss图 3-1 4013CD 触发器逻辑图图 3-2 CD4013 触发器4013是集成触发器芯片，内部有两个独立的D触发器每个触发器 都有一个置位端（SET）,复位端（RESET）,时钟端（CLOCK），数据输入端 （DATA），两个输出端Q和Q端3.1功能描述当R为1、S为0时，无论D和CL （时钟）为什么状态，输出Q 一 定为0，因此R可称为复位端。

当S为1、R为0时，输出Q 一定为1，s 称为置位端当R、S均为0时，Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作，具 体是Q=D,即若D为1则Q也为1,若D为0则Q也为0按下S1， R=1,电路复位，Q端输出0,按下S2，S=1，电路置位,Q端输出为1时三 极管导通，继电器得电动作按下S2后，继电器始终保持吸和状态，只有 按下S1继电器触点才释放此电路为基本的RS触发器当S1未被按下 时，复位端R=0，否则如果R=l,电路将强行复位Q=0,所充电荷通过R2 向Q端放电，最终使R=0，这是电路的稳态当按一下S’ CP端电位由 “0到1，其上升沿触发电路传输D端的数据，因D=1，所以Q=1，此为 暂稳态Q端的高电位通过R2向C充电.当C两端电压达到复位电平 时.则R=1，电路复位，Q端变为低电平0暂稳态结束，电路回复到稳 态上图作为楼道灯延时关灯线路，稳态时，Q端为低电平，三极管截 止，继电器不工作，灯泡不亮当按一下S’电路进人暂稳态.Q=1，三极 管饱和导通，继电器得电，其常开触点吸合接通梯道灯，灯点亮．暂稳态 过后，灯自动熄灭暂稳态时间即为灯泡点亮的时间，由R2和C的参数 决定设在电源接通后的瞬间Q端精出为高电平，该高电平通过RP2向C2 充电，当 C2 端电压上升到复位电平时，Q 端为变为低电平， C2 通过VD2向Q端放电，当Q端为低电平时，因Q为Q的倒相输出端，所以Q为高电平，该高电平通过RP］向q充电。

当q端电压上升到置位电平时， 电路置数，Q变为高电平，Q变为低电平,Q端的高电平向C2充电，Q端 的低电平使q向它放电，如此循环在Q和Q端交替出现高低电平，形成 振荡因电路的输出端Q和Q没有一个稳定的状态 所以该电路叫无稳态 振荡器：Q端的振荡信号加到三极管的基极放大，推动扬声器发出响亮的 音频叫声：振荡频率由RP］、RP2、C］, C2决定因此也称为音频信号发生 器交流220V电压经VD］〜VD4整流、R］限流、C］滤波及VS稳压后，为光 控电路和执行电路提供+12V工作电压白天，RG］和RG2受光照射而呈 低阻状态，IC的S］端为低电平，R］端为高电平，Q］端输出低电平，VT处 于截止状态，K处于释放状态，照明灯EL不亮夜晚，RG］和RG2因无 光照射或，使 IC 的 S］ 端变为高电平， R］ 端变为低电平， Q］ 端输出高电 平， VT 饱和导通， K 通电吸和，其常开触头接通， EL 点亮天亮后，RG］和RG2阻值下降，IC的Q］端又输出低电平，VT截止，K释放，EL熄灭4设计原理及功能说明掷硬币是人们常用的一种随机决策方式，这里介绍的掷硬币模拟器使用了红色、绿色两种灯光来模拟硬币的正、反两面，使用时按动一下开关，掷硬币模拟电路即会随机点亮红色和绿色发光二极管，相当于一次掷硬币的结果。

电路原理图如图4-1所示图4-1电路设计原理图电路由自激多谐振荡器、随机控制电路和 LED 驱动显示电路组成自激 多谐振荡器电路由与非门 IC1A、IC1B 和 R1、R2、C1 等组成，用于产生 方波时钟脉冲信号当按下开关S］时，IC1C与非门的第9脚输入端变为 高电平，第 10 脚将输出自激多谐振荡器的时钟脉冲信号，该信号通过 IC1C后加至IC2A的CP］端，IC2A在时钟脉冲作用下，在两种稳态之间 变换，其Q］和①交替高电平和低电平，发光二极管LED］和LED2交替点 亮由于振荡器的工作频率较高，人眼存在视觉暂留现象故看上去 LED1 和led2都在点亮当松开S］时，IC1C输出端（第十脚）变为高电平且不 再向IC2A发送时钟脉冲，IC2A输出端将停止交替变换，而处于随机显示 状态，要么Q］为高电平，Q］为低电平，则绿色发光二极管LED2点亮，红 色发光二极管LED］熄灭；要么Q］为低电平，Q］非为高电平，则红色发光 二极管LED］点亮，绿色发光二极管LED2熄灭，从而达到硬币正、反面的 显示效果电路的工作原理，由掷硬币模拟器电路由时钟脉冲发生器和双 稳态触发器等组成电路中，时钟脉冲发生器电路由四与非门集成电路IC （D1〜D4）内部的D］、D2和电阻器R］、R2、电位器RP、电容器C、二 极管VD「VD2组成；双稳态触发器由IC内部的D3和D4组成。

S］为动 断（常闭）型控制按钮，它并联在 C 两端，使时钟脉冲发生器处于停振状 态按动S］后，S］断开，时钟脉冲发生器振荡工作，使双稳态触发器的两 个输出端（IC的3脚和4脚）交替输出高电平，发光二极管VL］和VL2交 替发光松开S］后，双稳态触发器由于失去触发时钟脉冲而停在双稳态的 某一种稳态上，IC的3脚或4脚输出高电平，使红色发光二极管VL］或绿 色发光二极管V L2发光VL］发光，表示此次掷硬币的结果为硬币的正 面；VL2发光，表示硬币的反面元器件选择RP选用微型密封式可变电 阻器C选用独石电容器VD］和VD2均选用］N4］48硅开关二极管VL］和V L2选用①3mm或①5mm的高亮度发光二极管，也可合用一只三 端双色发光二极管5 单元电路的设计（计算与说明）多谐振荡器的工作原理多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除 基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路电路图如下图图 5-1 多谐振荡器电路图双D触发器双D触发器，由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。

每个触发 器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移 位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器在 时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端置位和复 位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成图5-2 D触发器LED驱动器LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光 的电压转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即 市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出） 等而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变 电压的恒定电流源6 硬件的制作与调试利用烙铁焊接，对照原理图安装元器件并焊接我们将所有的元器件安装完成后，必须仔细对照电路图检查线路焊接是否正确，看有没有线路 接错的地方然后接通 6V 电源，按下主电路开关反复测试红色发光二极 管和绿色发光二极管亮的次序是否符合要求，如果不符合要求断开电源 ， 仔细分析原因，检测此部位的元器件是否存在焊接错误的情况再对整体 电路进行分析排查，看是否有元器件因为连接短路而烧坏的，逐级进行 反复调试，直到找到问题所在如果检查线路连接无误接通电源。

由于调整 R3、C2 的参数值可以改 变自激多谐振荡器的振荡频率由于元器件不是特别精确，焊接线路的电 阻比理想中的电阻大，得到的数据和理论值有些误差，这些误差都是存在 的，且在允许的范围内，所以一般我们都把误差忽略掉7 总结在没有做课时设计以前，我们对一些集成电路的了解都是理论上的， 对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的方案应用到实践中的时候， 问题也随之出现了，自己不能准确找到集成电路 4011和 4013 的各个引脚 及其功能，虽然通过查资料也一一解决了问题，但是这花费了。