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1、课题十四波形及序列信号发生器设计学习目标： 设计由 555、移位寄存器、D/A 转换器、 PLD 等器件构成的多路序列信号输出和阶梯波输出的发生器电路，重点学习555、 D/A 转换器及可编程逻辑器件的原理及应用方法。用Proteus 软件仿真；实验测试技术指标及功能、绘制信号波形。一、 任务与要求四相步进电机有四相八拍和四相四拍两种工作方式。其状态转换图为：四相八拍四相四拍用 555、74194、2817、DA8032 等 IC 设计一个四相步进电机控制电路和对应阶梯波输出的发生器电路，要求：1 CP 频率 2Hz2kHz 连续可调。2 有四相八拍和四相四拍两种工作方式，能控制步进电机正转和
2、反转。3 调试时用（共阴）七段数码管（注意加限流电阻）的上四段或下四段模拟步进电机。 *验收用的步进电机的相电压为5V，相电流为0.2A。4 将多路序列信号通过D/A 转换成阶梯波输出。要求输出电压Vo=（数字量 /10）V，误差 1 S 即可。该积分电路也可应用在方案1 中，不同的是接任一触发器的清零端和另一触发器的置一端，因除000 和 111外都是有效状态。图 14.3 设计完 n 进制计数器，余下的问题只是一个组合逻辑问题即码组变换：把计数器的输出变换成课题要求的多路序列信号。有多种方法可实现该变换，其中用译码器 （如 74138）与非门是大家最熟悉的，这里就不讲了。而最简单的方法是用
3、可编程逻辑器件PLD 中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 的 PROM，特别是EEPROM 。因 PROM 中的不同数据可产生不同的多路序列信号，故采用 PROM 时，正转和反转控制和多种工作方式的控制也变简单。由以上讨论可知，基本脉冲分配器的最简设计方案是用集成计数器PROM。 三相步进电机控制器的PROM 的接线图见图14.4。 PROM 既可用 2764 (8k x 8 EPROM) ，也可用2817 (2k
4、 x 8 EEPROM) 或 2864(8k x 8 EEPROM) 。其中 2864 与2764 管脚排列一致， 2817 除 2脚与 23 脚为空脚 (NC)外其它脚与2864 一致。本课题因数据较少，它们可以互相代换。图中Q0 Q1 Q2 为六进制计数器的输出，A B C 为三相步进电机的三相。现在EPROM 已基本被 EEPROM 取代。其码组变换表见表14.1。此表的填法是：最小项序号由 0 逐渐增大； Q2 Q1 Q0栏填入计数器的有效状态值，注意有效状态值与最小项序号的对应关系，如(100)2=(4)16。计数器输出顺序按其状态转换图顺序填写，起点任意。D2D1D0按三相六拍的状
5、态转图14.4 换图顺序填写，起点任意。表中的对应16 进制数为要写入PROM 的数据， xx 为任意数（如00） 。重点关注加粗的三栏。Q2 Q1Q0 最小项序号计数器输出顺序D2 D1 D0对应16进制数Q2 Q1 Q0最小项序号计数器输出顺序D2 D1 D0对应16进制数0 0 0 0 0 0 0 1 01 0 0 0 0 0 0 0 1 01 0 0 1 1 1 0 1 1 03 0 0 1 1 1 0 1 1 03 0 1 0 2 2 0 1 0 02 2 xx 0 1 1 3 3 1 1 0 06 0 1 1 3 2 0 1 0 02 1 0 0 4 4 1 0 0 04 1 0
6、0 4 5 1 0 1 05 1 0 1 5 5 1 0 1 05 5 xx 6 xx 1 1 0 6 4 1 0 0 04 7 xx 1 1 1 7 3 1 1 0 06 表 14.1 表 14.2 六进制扭环形计数器PROM 的码组变换表见表14.2：此表和表14.1 的填法相同。请关注计数器输出顺序 而不是其值。 请重点关注扭环形计数器状态转换图和三相六拍步进电机状态转换图的顺序 关系和在此表的位置。否则自己设计时很容易出错。至此已讨论完基本脉冲分配器的设计，下面再讨论脉冲分配器的其他功能的实现。正转和反转： 较通用的方法是用二选一数据选择器（74157 或 74257）或三态门 （74
7、243或 74244）组成的电路，它们可用于各种方案。如采用 PROM 则可不用上述电路，只需在原数据后添加经反序的数据即可。如集成计数器方案在原数据01 03 02 06 04 05 xx xx 后添加 05 04 06 02 03 01 xx xx ， 扭环形计数器方案在原数据01 03 xx 02 05 xx 04 06 后添加 06 04 xx 05 02 xx 03 01 。 把原接地的A3改接 1名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - -
8、- - - - - - - 即可反转（参见图14.4） 。三相三拍和三相六拍两种工作方式的转换：通用的方法是再设计一个三相三拍的基本脉冲分配器（其中译码器与非门只需加与非门），再用二选一数据选择器选择工作方式。如采用 PROM 则更简单 : 三相三拍的三个状态为001 002 004，把它们按计数器输出顺序填入表 14.3 和表 14.4 的 D2 D1 D0栏（为何写两遍） ，得到三相三拍的基本脉冲分配器的码组变换表。表14.3 是集成计数器PROM 方案的码组变换表，表14.4 是扭环形计数器PROM 方案的码组变换表。Q2 Q1Q0 最小项序号计数器输出顺序D2 D1 D0对应16进制数
9、Q2 Q1 Q0最小项序号计数器输出顺序D2 D1 D0对应16进制数0 0 0 0 0 0 0 1 01 0 0 0 0 0 0 0 1 01 0 0 1 1 1 0 1 0 02 0 0 1 1 1 0 1 0 02 0 1 0 2 2 1 0 0 04 2 xx 0 1 1 3 3 0 0 1 01 0 1 1 3 2 1 0 0 04 1 0 0 4 4 0 1 0 02 1 0 0 4 5 1 0 0 04 1 0 1 5 5 1 0 0 04 5 xx 6 xx 1 1 0 6 4 0 1 0 02 7 xx 1 1 1 7 3 0 0 1 01 表 14.3 表 14.4 故采用
10、 PROM 只需在原数据后添加新数据即可。如集成计数器方案添加01 02 04 01 02 04 xx xx 04 02 01 04 02 01 xx xx，扭环形计数器方案添加01 02 xx 04 04 xx 02 01 04 02 xx 01 01 xx 02 04。 （斜体字是反转数据） 。把原接地的A4改接 1 即可改变工作方式。功率驱动器： 本课题可采用MC1403 （参见前一课题） 。阶梯波输出 ：把多路序列信号输出转换成阶梯波输出的可用集成数模转换器。本来有多种 D/A IC 可用于本课题，但目前只有DAC0808 能在 Proteus中仿真。 DAC0808 是倒T 型八位
11、D/A 转换器，其引脚图与电路图见图14.6 和图 14.7。图 14.6 DAC0808 引脚图图 14.7 DAC0808 电路图注意 DAC0808 中无运算放大器，是电流输出。图14.7 中的运算放大器是外接的。本名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 课题（三相或四相电机控制）中只需把2817 的 D0D3 接到DAC0808 的四个输入端，DAC0808 的其它四个输入端接地。不同的接法需不同的Rf。W 一般
12、可不接。上面有些地方只介绍了设计思路而没有详细设计，有的是因为数字电路理论课已详细讲解了其设计方法。如用集成计数器设计n 进制计数器， 用 555 构成多谐振荡器，用触发器进行时序逻辑电路的设计等；有的是因为简单，容易设计， 如用 74157 或 74244 控制正转与反转等。本课题还可用单片机或大规模可编程逻辑器件实现。三、原理图绘制与电路仿真先参考上面介绍的三相步进电机控制器的设计思路完成四相步进电机控制器的设计。难点是向 EEPROM 写入一些什么样的一些数据。完成设计后，用proteus 软件绘制电原理图，并对所设计的电路进行仿真（虚拟实验），模拟电路的实际工作状态。对该课题的仿真内容
13、要注意以下几点：1 在 proteus 软件中有些IC 不能仿真： 如在 proteus 6.9 SP4中 2817，2864 都不能仿真。所以虽然实际电路用的是2817，但仿真时要改用能仿真的2764。可能新版软件会解决 2817 的仿真问题。又如proteus 6.9 SP4 中有两个 DAC0808 ，其中一个不能仿真，注意不要搞错。2 数据文件的生成和关联：PROM 的仿真需要一个与该PROM 关联的二进制数据文件，该文件可用编程器带的软件或VC生成。如SUPERPRO 序列编程器软件的编辑界面如图14.8 ，在 HEX栏键入对应的16 进制数据再保存二进制文件即可。点击“写入”图标可
14、将数据写入IC。关联的方法是在proteus 中将鼠标指向待关联的IC(本课题是2764)点击鼠标右键选中该IC ，再按左键就会出现一对话框，如图14.9。在 Image File的文本编辑框中键入要关联的二进制数据文件名或点击右边的打开文件的图标选取文件即完成关联。图 14.8 SUPERPRO 序列编程器软件的编辑界面3 用（共阴）七段数码管（注意加限流电阻）的上四段或下四段仿真四相步进电机。4 仿真时先将时钟脉冲调到1-4Hz 以便观察各管脚高低电平的变化（红色或蓝色小方块）和虚拟步进电机的转动情况。5 用虚拟电压表（万用表）监视阶梯波输出信号，调整Rf 的阻值来改变输出电压直至满足课题
15、要求。最后用虚拟示波器观测阶梯波波形。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 14.9 proteus 中的 Edit Component 对话框四、电路安装与调试1 电路布局与安装技巧电路的布局应以主要元器件为中心，按信号流向从左至右合理设计。相互连线较多的IC 应相邻。电路与外接仪器的连接端、测试端要布置合理，便于操作。电路安装前，要先检测元器件是否好坏，参数能否满足设计要求，信号是否匹配（如555 的电源电压可
16、达15V，但本课题应该是5V） 。安装完成后， 要用万用表检测电路接触是否可靠、 IC 是否连上 Vcc 和地（仿真时IC 一般没有画出Vcc 和地） 、电源端有否短路。一切正常后才能通电调试。2 电路的调试方法：通电调试应分级分模块进行。a. 时钟电路：看是否有时钟信号，并测试其频率范围是否满足要求。b. 脉冲分配器：逻辑笔是调试数字电路的常用工具。如无逻辑笔，可用发光二极管（LED）+限流电阻来调试。有七段数码管的课题可用一根导线一端接到七段数码管上没有用到的一个LED（如点 h）上，导线另一端接到待测点来测试。监测频率较高的方波或正弦波时LED 会常亮（视觉暂留） ，容易使人误解为高电平
17、。故用LED 监测时，应取较低频率（如1-8Hz）的时钟信号。如时钟信号频率较低时测试74194 的 11 脚（ CP） ，LED不亮或常亮说明该引脚无时钟信号，问题出在时钟电路与该脚的连接上（设前面已完成时钟电路的调试） 。LED 闪亮则说明时钟电路已传到该脚。注意LED 的闪亮频率。如测试74194 的任一输出端Q，LED 的闪亮频率应变慢，否则该电路有问题。四相步进电机有两种工作方式，每种工作方式又可正转和反转，共四种转动模式。只要其中任一转动模式工作正常即说明电路正常，只需修改2817 的相关数据即可使其它转动模式工作正常。c.阶梯波输出电路：用万用表监视阶梯波输出，调整Rf 的阻值来
18、改变输出电压直至满足课题要求。最后用示波器观测阶梯波波形。完成阶梯波输出电路的调试。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 五、性能指标测试1 时钟信号频率的测量：用多用信号发生器测量并记录时钟信号的频率范围。2 脉冲分配器的测试：先用较低频率的CP 测试四相四拍工作方式时模拟步进电机是否转动正常，然后逐渐增大CP 频率观察转动也随之变快直至你刚好看不到模拟步进电机的转动（ 4 段 LED 常亮） ，测量此时的CP 频率
19、，计算你眼睛的视觉暂留时间（t=3/f ） 。其他转动模式则只需用一较低频率的CP 测试模拟步进电机是否转动正常即可。验收 时再连接好MC1413 和实际步进电机，测试实际步进电机的工作情况。3 阶梯波输出的测量：测量阶梯波的输出电压时应该用万用表，而不要用示波器（其精度较差），而且用低频率的 CP（2Hz） 。记录并分析数据（数据表格自己设计）看是否满足课题要求。用示波器测量并画出阶梯波的输出波形。如不是数字存储示波器要用高频率的CP。六、设计、仿真及实验问题研究（思考题）1 四相四拍工作方式时计算视觉暂留时间的公式是t=3/f，三相三拍呢？2 画出用 74157 控制正转和反转的电路图。只
20、画74157 及其连线。3 画出用 74244+非门控制正转和反转的电路图。只画74244+非门及其连线。4 画出用三个D 触发器组成的三相六拍步进电机基本脉冲分配器的电路图（不考虑自启动问题） 。只画 D触发器及其连线。5 上题的自启动问题除可用上面介绍的积分电路解决外还可加基本逻辑门来解决。画出其电路图。只画基本逻辑门及其连线。6 *图 14.2 的步数显示和步数控制模块可合二为一：显示时加计数，步数控制时减计数，用一个开关选择。画出其电路图。只画一个计数器（型号自选）+一个开关+基本逻辑门及其连线。译码器与显示器不必画。7 有人说如采用集成计数器方案，当步进电机是三相时用74290（ 7
21、490）比用 74161（74163）电路简单，而是四相则相反。此说法对吗？为什么？8 取消元器件限制，用其他方案设计本课题。只需画出与实验不同的部分。七、设计与测试报告要求课题完成后应认真撰写设计与测试报告（格式见附录） ，其主要内容如下：1 课题的任务及要求。2 课题分析与方案选择。对课题认真分析，正确理解，明确设计思路。通过各种可实现的电路原理、特点分析，方案类比，选择最佳实现电路。3 电路元器件选择和参数计算。对电路中每一个元器件给出选择的依据，容许的元器件参数变化范围要充分估计，选定元器件标称值，提出元器件清单（包括元器件型号、规格与要求、数量等）。由最终元器件标称值确定的电路参数，
22、复核技术指标是否满足要求。4 原理图绘制及仿真。用 Proteus 软件绘出电原理图（符合技术图纸规范要求）；仿真电路的工作状态，测试性能指标，若与设计偏差较大则修改设计参数，直至满足要求；最后给出各种仿真波形和图表。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 5 实验测试、问题分析与研究。技术指标的测试方法及调试过程简介，故障分析及解决办法， 实验数据处理 （包括波形和图表）及误差分析， 测试仪器设备清单（名称、型号、数量等） 。6 教师布置的思考题。7 总结 。总结自己设计的课题存在的问题，提出改进的设想；完成本课题后的收获、体会和建议。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -