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1、明达职业技术学院明达职业技术学院毕毕业业设设计计 ( (论论文文) )信息工程系电子信息工程技术专业课题名称 火箭发射模拟器电路的设计与制作1 1火箭发射模拟器电路的设计与制作【摘要】：该设计是由倒计时及显示电路、火箭升空瞬间显示电路和火箭升空后加速显示电路三部分组成。火箭发射模拟器,能够用发光二极管模拟出延时火箭发射使其发射速度逐渐加快的情形，它集娱乐性、趣味性和启发性于一体，适合于广大电子爱好者制作。【关键词】：十进制/分配器 CD4017 四 2 输入端与非门 CD4011 移位寄存器 CD4015 倒计时 加速 前言进入 21 世纪以来，数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的
2、方向发展。在其推动下，电子技术更加深入地渗透到人们工作、学习和生活的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。随着电子技术的迅速发展，也出现了很多的电子爱好者，喜欢设计与制作很多很有趣的电子电路。本论文设计是模拟火箭发射、火箭发射瞬间显示及火箭发射加速显示的现象。火箭发射模拟电路就是一个非常有趣的电子电路成品，它能够模拟演示出火箭发射以及火箭发射速度逐渐加快的情形，它集娱乐性、趣味性和启发性于一体，适合于广大电子爱好者制作。并且对于即将走上工作岗位的大、中专学生、青年技术工人等广大电子爱好者来说，提高了他们对
3、电子系统设计的理论知识和实践能力，还有利于从事高端电子系统开发培养能力和素质，适应信息时代的需要，对于即将毕业的我来说，对于这次课题的设计与制作，我收获了很多，利于我今后的发展。2 2第一章 方案的选择与论证本设计介绍的是火箭发射模拟器，能模拟演示出火箭发射时其发射速度逐渐加快的情形，它集娱乐性、趣味性和启发性于一体，适合广大电子爱好者制作。根据任务书的设计要求有以下二个方案符合设计的要求。方案的选择：方案一1.1方案一是由控制电路、多谐振荡器和 LED 显示电路组成。该设计的方框图如下：火箭发射模拟电路（一）（1）控制电路：主要功能是控制电路多谐振荡器的输出使其输出的工作频率改变的脉冲信号，
4、从而使 LED 显示电路呈现火箭发射升空瞬间显示和火箭升空加速显示的现象（2）多谐振荡器：经过控制电路使多谐振荡器生成矩形脉冲来驱动 LED 显示模拟出火箭发射的现象。（3）LED 显示电路：经过多谐振荡器输出的频率的不同，使其 LED 显示出不同的现象，来模拟火箭发射的现象。3 3工作原理：接通 S1 后，VF 和 IC 1 通电工作。IC2 通电复位后，其 YO 端输出高电平，其余输出端（Yl 一 Y9)均为低电平，故 VL1 点亮，VLZ 一 VL10 均处于熄灭状态。多谐振荡器通电振荡工作后，从 IC 1 的 3 脚输出脉冲信号，作为 IC2 的计数脉冲，IC2开始计数后，其 YO 一
5、 Y9 输出端依次轮流输出高电平，使 VL1 一 VL10 依次轮流发光。随着电容器 Cl 的不断充电，VF 栅极电压不断升高，其导通程度不断加深，IC 1的 7 脚的放电电阻由于 VF 的逐渐导通而减小，使多谐振荡器的工作频率不断加快，从而使 VL1 一 VL10 轮流发光的速度也随之加快，从而产生一种类似火箭发射的情形。控制电路、多谐振荡器和 LED 显示电路组成。当 C1 充满电后，VF 的导通状态趋于稳定，VL1 一 VL10 轮流发光的时间间隔大致相等时，即表示火箭发射成功。若想进行新一轮的火箭发射，则应按下 S2，此时 S2 的常闭触头断开，常开触头接通，CI通过 S2 的常开触头
6、和 R2 迅速放电，然后松开 S2，使其复位（常闭触头接通，常开触头断开），即可进行下一轮火箭发射。方案二1.2 方框图： 火箭发射模拟器电路（二）电路的组成与功能：由十进制计数/分配器 CD4017、四 2 输入端与非门 CD4011、双 4 位串入一并出移位寄存器 CD4015 以及发光二极管等组成的火箭发射模拟电路，该电路能模拟出火箭发射的全过程。4 4该电路由倒计时显示电路、火箭升空瞬间显示电路和火箭升空后加速显示电路三部分组成。 （1） 倒计时及显示电路。主要包括秒信号发生器、显示驱动电路、发光管显示电路三部分。其中，CD4011 的 D1,D2 构成多谐振荡器、显示驱动电路主要由
7、CD4017 组成，倒计时结果由发光二极管 VD1VD10 显示出来。（2） 火箭升空瞬间显示电路。主要包括第一时钟脉冲发生电路，移位寄存器 IC2、显示发光二极管 VD11VD17 三部分。其中，D3D4 等组成可控多谐振荡器，即第一时钟脉冲发生器，它用来为 IC2 提供移位脉冲。两个移位寄存器接成 16 位移位寄存器。（3） 火箭升空加速显示电路。主要包括第二时钟脉冲发生电路、移位寄存器 IC3、显示发光管 VD18VD25 三部分。其中，D5,D6 等组成可控多谐振荡器即第二时钟脉冲发生器，他用来为 IC3 提供移位脉冲。 方案的论证：这两种方案都符合该设计的要求，但是方案一电路的设计并
8、不能很明显的显示出该设计的现象，它不像方案二显示分明，很明显的显示出任务书上所要求的现象;方案一里面的元器件 VN401 型的场效应晶体管在实验室里面没有，并且也没有方案二电路简单，易懂。同时根据本次毕业设计的精神“电路最简单，调试最方便，元器件来源有保障，安全可靠，成本最低” ，同时也为了贯彻毕业设计的“创新，挑战自己”的宗旨。综合以上，选用方案二。5 5第二章 单元电路的设计与分析工作原理： 当按下按钮 SA 后，多谐振荡器产生一个秒脉冲信号加至 CD4017 和 CP端计数器开始工作，其输出端 Q0Q9 一次输出高电平，该高电平状态是与其对应的发光二极管 VD10VD1 导通，依次发光。
9、从总电路图中可以看到二极管和输出端接反向连接，因此可模拟出倒计时状态。当倒计时结束，即 CD4017 的输出端 Q9 输出高电平时，该电平使 SCR1 导通，第一时钟脉冲发生器产生一个移位脉冲加至 IC2 的 CKA 端，由两个移位寄存器组成的 16 位移位寄存器开始工作，其输出端状态使 VD11VD18 依次发光，模拟出火箭发射是的升空状态。第二时钟脉冲发生器产生一个移位脉冲加至 IC3 的脉冲输入端，该脉冲频率为第一时钟脉冲频率的 2 倍。移位寄存器工作过程中，首先发光二极管VD19VD25 依次发光，且速度快一倍，显示出加速升空状态，当 VD25 发光后，火箭上升到最高位置，VD11VD
10、25 再依次熄灭，这样就完成了火箭发射一个周期的演示。2.1 方框图2.1.1起振电路：它是采用与非门集成电路组成的多谐振荡器来启动触发电路。图(a)所示为由两个与非门及 RC 元件组成的振荡器电路，通过 RC 电路的充放电使电路产生多谐振荡。电路中的与非门被接反相器的形式，其输出为矩形脉冲波，振荡频率可通过选择 RC 值来确定，即 f=1/2.2RC。（a）CD4011 四二输入与非门组成的多谐振荡器 6 62.1.2倒计时及显示电路。倒计时显示电路主要由 CD4017 构成，倒计时的现象由发光二极管显示出来，如图（b）所示 是倒计时及显示电路的分解图：图(b)2.1.3火箭升空瞬间显示电路
11、/火箭升空加速显示电路。火箭升空瞬间/加速显示电路是由双 4 位串入并出移位寄存器 CD4015 接成16 位移位寄存器，第一时钟脉冲发生器、第二时钟脉冲发生器分别为 CD4015 显示电路提供移位脉冲，以便驱动发光二极管发光呈现火箭升空瞬间、火箭升空加速的现象，火箭升空瞬间/加速显示电路的分解图如图（c）所示图（c）7 72.2 CD4017(十进制计数/分频器)CD4017 的原理及应用电路 数字电路 CD4017 是十进制计数分频器，它的内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是Q0、Q1、Q2、Q9 依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
12、CD4017 有 10 个输出端（Q0Q9）和 1 个进位输出端Q5-9。每输入 10 个计数脉冲，Q5-9 就可得到 1 个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017 有 3 个输（MR、CP0 和CP1），MR 为清零端，当在 MR 端上加高电平或正脉冲时其输出 Q0 为高电平，其余输出端（Q1Q9）均为低电平。CP0和CPl 是 2 个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由 CP0 端输入；若要用下降沿来计数，则信号由CPl 端输入。设置 2 个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。 由此可见，当 CD4017 有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高
13、电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。CD4017 有两个时钟端 CP 和 EN，若用时钟脉冲的上沿计数，则信号从 CP 端输入；若用下降沿计数，则信号从 EN 端输入。设置两个时钟端是为了级联方便。CD4017 与 CD4022 是一对姊妹产品，主要区别是 CD4022 是八进制的，所以译码输出仅有 Y0Y7，每输入 8 个脉冲周期，就可得到一个进位输出，它们的管脚相同，不过 CD4022 的 6、9 脚是空脚。CD4017 引脚及内部逻辑电原理图如下所示:8 8CD4017 内部逻辑电原理图 CD4017 的引脚图2.3 CD4011 （四二与非门 COMS 芯片）CD4011 是应用于广
14、泛的数字集成电路之一，它内含 4 个独立的 2 输入与非门。多应用构成多谢振荡器，以提供电路的启振。CD4011 引脚图及如下：CD4011 引脚图 2.4 CD4015（串入-并出移位寄存器）下图是 CD4015 的引脚图和逻辑图。CD4015 是由两组独立的 4 位串入并出移位寄存器组成。每组寄存器都有一个 CP 输入端、一个清零端 Cr 和一个串行数据输入端 DS。每位寄存单元都有输出端引出，因而即可作串行输出，又可实现并行输出。加在 DS 端上的数据在时钟脉冲上升沿的作用下向右移位。当在 Cr 端加高电平时，寄存器的输出被全部清零。9 9CD4015 的引脚图第三章 安装调试及结果分析
15、在安装前要做好检查工作，确保元器件质量可靠。按照原理图组装电路,使元件安装的位置、极性正确、布局合理；整机清洁无污物，导线不杂乱。在对该电路进行装配以后，剩下的工作就是对该电路进行调试，它包括对各项参数的测试，故障的检测，性能的优化、提高，以及对具体操作过程中的问题进行分析与解决。本设计电路的全部完成装配后，接上 5V 电源，打开拨动开关，电路显示的现象并不符合任务书上的要求，问题出在倒计时电路部分，显示并没有规律，不符合设计的要求，在检查电路连接无用的情况下，将疑点放在集成块上，用万用表检查由 CD4011 组成的多谐振荡器的输出端 10 号引脚，经检查该输出端有脉冲信号输出。由此推断极可能
16、发生以下情况：（1）集成电路损坏故障。（2）发光二极管有问题。本着先易后难的原则，我先把不亮的发光二极管和亮的对换，经检查发光二极管是好的。所以我怀疑集成块的出问题的可能性越来越大，我就把显示倒计时电路的集成块 CD4017 换了一个。等我将修改过的电路重新操作，终于在我紧张的等待中我设计的火箭发射模拟电路中模拟出火箭倒计时和升空的现象。这一刻我太兴奋了。我设计的电路终于完成了。电路参数：电路参数：内部逻辑图1010测量值： Vp-p=5V Vp=2.5V V=1.77VT=0.8S f=1/T=1.25Hz计算值： T=1.4RC=0.7S f=1/T=1.42Hz U/vt/s测量值： Vp-p=5.1V Vp=2.55V V=1.8V输出脉冲CP2输入信号：输出脉 冲 CP1CP1测量值 VP-P=5.2V VP=2.6VV=1.84VT=1.8*500MS=0.9S1111T=0.36*200M
