电科2班 于继雷 2010

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1、郑州科技学院郑州科技学院 数字电子技术课程设计 题 目 _LED 呼吸灯_ _ 学生姓名 于继雷 专业班级 10 电科 2 班 学 号 院 （系） 电气工程学院 指导教师 马朋飞 完成时间 2012 年 3 月 15 日 目目 录录 1. 课程设计的目的.2 2. 课程设计的任务与要求.2 2 1 课课程程设计设计的主要任的主要任务务.2 2 2 课课程程设计设计的的时间时间安排安排.4 3. 设计方案与论证.4 4. 设计原理与功能说明.7 5. 硬件的制作与调试.7 6. 总结.8 参考文献 .9 附录一 总电路原理图 .10 附录二 元器件清单 .10 第 一 章 前 言 数字电子技术基

2、础课程设计是学习理论 课程之后的实践教学环节。目的是通过解决 比较简单的实际问题巩固和加深在数字电 子技术基础课程中所学的理论知识和实验 技能。训练学生综合运用学过的电子技术基 础知识在教师指导下完成查找资料选择、 论证方案设计电路安装调试分析结果 撰写报告等工作。使学生初步掌握数字电 子电路设计的一般方法步骤通过理论联系 实际提高和培养学生分析、解决实际问题的 能力和创新能力为后续课程的学习、毕业 设计和毕业后工作打下一定的基础。 1. 课程设计的目的课程设计的目的 本课程是在学完数字电子技术基础 、 数字电子技术实验之后集中一周 时间进行的复杂程度较高、综合性较强的设计课题的实做训练。主要

3、包括 方案论证、系统电路分析、单元功能电路设计、元器件选择、安装调试、计算 机辅助设计、系统综合调试与总结等。使学生在数字电子技术基本知识、 实践能力和综合素质、创新意识、水平诸方面得到全面提高为后续课程的学 习为培养应用型工程技术人才打下重要基础。通过本课程设计可培养和提高 学生的科研素质、工程意识和创新精神。真正实现了理论和实际动手能力相结 合的教学改革要求。 2. 课程设计的任务与要求课程设计的任务与要求 21 课程设计的主要任务课程设计的主要任务 1、加强对电子技术电路的理解学会查寻资料、方案比较以及设计计算等 环节进一步提高分析解决实际问题的能力。 2、独立开展电路实验锻炼分析、解决

4、电子电路问题的实际本领真正实现 由知识向技能的转化。 3、独立书写课程设计报告报告应能正确反映设计思路和原理反映安装、 调试中解决各种问题。 数字电子技术课程设计的方法和步骤数字电子技术课程设计的方法和步骤数字 电子技术课程设计的方法和步骤数字电子技术课程设计的方法和步骤 设计一个 电子电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行方案选择，然 后对方案中的各部分进行单元的设计、参数计算和器件选择，最后将各部分连 接在一起，画出一个符合设计要求的完整系统电路图。 1、设计任务分析 对系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能、指标内容及要求，以 便明确系统应完成的任务。 2、方案论证

5、 这一步的工作要求是把系统的任 务分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。 方案选择的重要任务是根据掌握的知识和资料，针对系统提出的任务、要求和 条件，完成系统的功能设计。在这个过程中要用于探索，勇于创新，力争做到 设计方案合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进，并且对方案要不断进行可 行性和优缺点的分析，最后设计出一个完整框图。框图必须正确反映系统应完 成的任务和各组成部分功能，清楚表示系统的基本组成和相互关系。 3、方案 实现 1）单元电路设计 单元电路是整机的一部分，只有把各单元电路设计好才 能提高整体设计水平。每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务，详细 拟订

6、出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。具 体设计时，可以模仿成熟的先进电路，也可以进行创新或改进，但都必须保证 性能要求。而且，不仅单元电路本身要设计合理，各单元电路间也要相互配合， 注意各部分的输入信号、输出信号和控制信号的关系。 2）参数计算 为保证单 元电路达到功能指标要求，就需要用电子技术知识对参数进行计算。例如，放 大 电路中各阻值、放大倍数的计算；振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数的 计算。只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，计算的参数才能 满足设计要求。 3）器件选择 阻容元件的选择：电阻和电容种类很多，正确选 择电阻和电容是很重要的。不同的

7、电路对电阻和电容性能要求也不同，有些电 路对电容的漏电要求很严，还有些电路对电阻、电容的性能和容量要求很高。 例如滤波电路中常用大容量铝电解电容，为滤掉高频通常还需并联小容量瓷片 电容。设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功 耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。 分立元件的选择：分立元件包括二 极管、晶体三极管、场效应管、光电二（三）极 管、晶闸管等。根据其用途分 别进行选择。选择的器件种类不同，注意事项也不同。例如选择晶体三极管时， 首先注意是选择 NPN 型还是 PNP 型管，是高频管还是低频管，是大功率还是 小功率，并注意管子的参数是否满足电路设计指标的要求。

8、集成电路的选择： 由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以 选用集成电路 来设计单元电路和总体电路既方便又灵活，它不仅使系统体积缩小，而且性能 可靠，便于调试及运用，在设计电路时颇受欢迎。集成电路有模拟集成电路和 数字集成电路。国内外已生出大量集成电路，其器件的型号、原理、功能、特 征可查阅有关手册。选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而 且要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。 安装调试： 安装与 调试过程应按照先局部后整机的原则，根据信号的流向逐块调试，使各功能块 都要达到各自技术指标的要求，然后把它们连接起来进行统调和系统测试。调 试包括调整与测试两部分

9、，调整主要是调节电路中可变元器件或更换器件，使 之达到性能的改善。测试是采用电子仪器测量相关点的数据与波形，以便准确 判断设计电路的性能。装配前必须对元器件进行性能参数测试。根据设计任务 的不同，有时需进行印制电路板设计制作，并在印制电路板上进行装配调试。 22 课程设计的时间安排课程设计的时间安排 1、方案设计(一天) 根据设计任务书给定的技术指导和条件进行调查研究、查阅参考文献进行 反复比较和可行性论证确定出方案电路画出主要单元电路数据通道输 入、输出及重要控制信号概貌的框图。并做出仿真设计图，验证。 2、 电路设计(一天) 根据方案设计框图并画出详细的逻辑图 3、 装配图设计(半天) 根

10、据给定的元器件结合逻辑图设计出电路制作的具体装配图(即绘出组件数 量管脚号以及器件布置的实际位置)。同时配以必要的文字说明。 4、 电路制作(一天半) 对选定的设计按装配图进行装配调试实验。 5、 总结鉴定(半天) 考核样机是否全面达到现定的技术指标能否长期可靠地工作并写出设计总 结报告。 3. 设计方案与论证设计方案与论证 说到呼吸灯的设计，也许大家最先想到的就是苹果。确实，从 powerbook g3 和 ibook 开始，苹果的笔记本电脑就开始加入了呼吸灯的设计，只要当用户合上笔 记本的时候，位于笔记本前端的睡眠指示灯就会呈呼吸状的闪动，这样的设计 第一次出现在大家面前的时候，人们更多的

11、是赞叹苹果的无限创意。很多人也 都想自己做一个呼吸灯，起到装饰和工作状态指示效果。 半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备 两个能相互影响的 PN 结，组成一个 PNP（或 NPN）结构。中间的 N 区 （或 P 区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极 引线，分别叫 基极 B、发射极 E 和集电极 C，是能起放大、振荡或开关等作 用的半导体电子器件。 晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又 有 NPN 和 PNP 两种结构形式，但使用最多的是硅NPN 和锗 PNP 两种三极 管， （其中，N 表示在高纯度硅中加入

12、磷，是指取代一些硅原子，在电压刺 激下产生自由电子导电，而 p 是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。 两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN 硅管 的电流放大原理。 对于 NPN 管，它是由 2 块 N 型半导体中间夹着一块 P 型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN 结称为发射结，而集电区 与基区形成的 PN 结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极 b 和集 电极 c。 当 b 点电位高于 e 点电位零点几伏时，发射结 处于正偏状态，而 C 点电 位高于 b 点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec 要高于基极 电源 Ebo。在制造三极管时，有意

13、识地使发射区的多数 载流子浓度大于基 区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电 源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子 （空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者， 所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由 于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集 电区而形成集电极电流 Ic，只剩下很少（ 1-10%）的电子在基区的空穴进行 复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb 重新补给，从而形成了基极电流 Ibo.根据电流连续性原理得： Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一

14、个很小的 Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用， Ic 与 Ib 是维持一定的比例关系，即： 1=Ic/Ib 式中：1-称为直流放大倍数， 集电极电流的变化量 Ic 与基极电流的变化量 Ib 之比为：= Ic/Ib。 式中 -称为交流电流放大倍数，由于低频时 1 和 的数值相差不大，所以 有时为了方便起见，对两者不作严格区分， 值约为几十至一百多。三极管 是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通 过电阻转变为电压放大作用。 NPN 三极管放大时管子内部的工作原理： 1、发射区向基区发射电子（形成发射极电流） 发射结施加正向电压且 掺杂浓度高

15、 ，所以发射区多数自由电子越过发射结 扩散到基区，发射区的自由电子由直流电源补充，从而形成了发射极电流。 （同时，基区的多数载流子也会 扩散到发射区，成为发射极电流的一部分。 由于基区很薄，且掺杂浓度较低 ，因此由基区多子空穴形成的电流可以忽略 不计。 ） 2、自由电子在基区和空穴复合，形成基区电流，并继续向集电区扩散 自由电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差， 在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入 集电区形成集电极电流。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空 穴复合（基区中的空穴由直流电源补充），扩散的电子流与复合电子流之比 例决定

16、了三极管的放大能力。 3、集电区收集自由电子，形成集电极电流 由于集电结 加反向电压且面积很大 ，这个反向电压产生的电场力将阻止集电 区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集 电极主电流 Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也。会产生漂移运动， 流向基区形成反向饱和电流，用 Icbo 来表示，其数值很小，但对温度却异 常敏感。 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合 于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工 作 条件下，电源电流与 电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模组,音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用 运算放大器的场合。 4. 设计原理与功能说明设计原理与功能说明 呼吸分为两个过程： 吸气：指数曲线上升，该过程需要 1.5S 呼气：指数曲线下降，该过程需要 1.5S. 对成人而言，平均每分钟呼吸 1618 次； 对儿童而言，平均每分钟呼吸 20 次； 上面的参数是在均匀呼吸情况下的次数。可以