3939.电力电子十人赛跑机

1、摘要 电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代电气 工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养本专业人才中占有重要地位。本产品是基于电力电子相关元件设计的，以74ls160（十进制加法计数器），74ls138(3-8译码器)和555定时器为中心，实现利用单稳态触发器产生单脉冲，再利用74ls160十进制计数器系统将触发脉冲进行计数，产生不同的二进制代码，作为74ls138译码器的输入代码，当输入脉冲的个数不同时产生的二进制代码也不相同，从而达到控制led灯移动的目的。产生的二进制代码后加到赛跑灯上，产生赛跑灯移动的效果。关键词：电力电子；7

2、4ls160；74ls138；555定时器目 录1 引言11.1 电力电子概况11.2 设计任务11.3设计目的12 总体方案设计论证与设计23 系统设计33.1 原理框图33.2 选择器件与电路参数33.3 功能模块设计103.4系统设计电路图134 电路调试155 总语17参考文献181 引言1.1电力电子概况电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体的说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的

3、“电力”，功率可以大到数百mw甚至gw，也可以小到数w甚至1w以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。 电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域。半导体整流控制、半导体硅整的小型化等的出现，产生一个新的电力电子应用领域。半导体硅整流、汞弧整流器应用于控制电源，但是这样的整流回路只是工业电子的一部分，对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的。半导体硅整流的应用涉及很多领域，如汽车、电站、航空电子、高频变频器等。1.2设计任务甲乙双方各持一个按键，控制己方赛跑灯，按一次按键，亮点向后移动一次，尾灯先亮的一方获胜，此时双方按键无效。按下复位键后双方的赛跑灯都

4、回到起点位置，比赛可以重新开始。(1)利用555定时器设计单稳态触发电路，提供单脉冲。(2)由计数器和译码器一同实现电路控制。(3)电路中有锁定和复位功能。1.3设计目的学生通过进行查阅资料、方案设计、单元和系统电路设计、绘图等工作，独立完成该数字电路系统的设计，提高其独立分析、独立解决问题、独立动手的设计能力，提高学生在数 字电路应用方面的实践技能，培养创造性思维及综合运用理论知识解决实际问题的能力的分析、判断、检修进一步锻炼和培养学生的动手能力。2 总体方案论证与设计依据应用场合需要实现的功能，具体指标要求会有所不同。依据不同的设计要求选取不同的设计方案。对于方案，具体的指标要求也会有所差

5、异。根据设计要求和任务，设计方案可以从以下几个方面考虑。其中利用单稳态触发器产生单脉冲，再利用74ls160十进制计数器系统将触发脉冲进行计数，产生不同的二进制代码，作为74ls138译码器的输入代码，当输入脉冲的个数不同时产生的二进制代码也不相同，从而达到控制led灯移动的目的。产生的二进制代码后加到赛跑灯上，产生赛跑灯移动的效果。设计一台电力电子变流装置，必需满足用户要求，首先要考虑技术性能指标；第二是经济指标；第三是先进性、合理性和可行性。因此，为使一个控制系统设计确保技术指标先进、合理，经济指标良好，又为今后的发展和进一步技术改造留有余地，就必须对设备的使用条件、被控制设备的工艺要求进

6、行调研，搜集与设计有关的图样和技术资料，选择参考样机，了解国内外同类产品的技术水平和发展趋势，然后对系统设计的总体方案进行必要的比较和论证，使之变成一个可以付诸实施的技术方案。3 系统设计3.1 原理框图 单稳态触发器按键a计数器系统赛跑灯a译码器系统复位键单稳态触发器按键b赛跑灯b反馈锁定反馈锁定 图3-1 总体框图3.2 选择器件与电路参数 本次课程设计所用器件如表3.1： 表3-1器件表型号名称数目555脉冲信号发生器274ls160十进制加法计数器274ls04非门1174ls1383线8线译码器274ls86异或门1ledblue发光二极管10button按钮3pothg滑动变阻器4

7、 3.2.1 555定时器应用国产双极型定时器cb555电路结构图。它是由比较器c1和c2，基本rs触发器和集电极开路的放电三极管td三部分组成。vh是比较器c1的输入端，v12是比较器c2的输入端。c1和c2的参考电压vr1和vr2由vcc经三个五千欧电阻分压给出。在控制电压输入端vco悬空时，vr1=2/3vcc,vr2=1/3vcc。如果vco外接固定电压，则vr1=vco,vr2=1/2vco.rd是置零输入端。只要在rd端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使rd处于高电平。图中的数码18为器件引脚的编号。图3-2 555定时器逻辑符号5

8、55定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路。 图3-3 555定时器内部结构图(1)电路组成555集成定时器由五个部分组成。基本rs触发器：由两个“与非”门组成比较器：c1、c2是两个电压比较器分压器：阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器c1和c2提供参考电压。晶体管开卷和输出缓冲器：晶体管vt构成开关，其状态受端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器g3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。(2) 基本功能当时，输出电压为低电平，vt饱和导通。当时，时，时，c1输出低电平，c2输出高电平，q0，饱和导通。当、

9、时，c1、c2输出均为高电平，基本rs触发器保持原来状态不变，因此、vt也保持原来状态不变。当、时，c1输出高电平，c2输出低电平，q1，vt截止。表3-2 555定时器逻辑功能表输 入输 出阈值输入(vi1)触发输入(vi2)复位()输出()放电管t00导通 11截止10导通1不变不变 3.2.2 74ls160的应用它是同步十进制加法记数器，当load端输入底电平时处于预置数状态，d0、d1、d2、d3的数据将会在cp上升沿到达时被置入q0、q1、q2、q3中，它的预置数是同步的。右图是74ls160的引脚分配图，图中ld为预置数控制端，d0-d3为数据输入端，c为进位输出端，rc为异步置

10、零端，q0-q3位数据输出端，ep和et为工作状态控制端。 图3-4 74ls160的逻辑符号 图3-5 逻辑框图 图3-6 74ls160的内部结构图 图3.6为74ls160的内部原理图。当rc=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。当rc=1、ld=0时，电路工作在预置数状态。这时门g16-g19的输出始终是1，所以ff0-ff1输入端j、k的状态由d0-d3的状态决定。当rc=ld=1而ep=0、et=1时，由于这时门g16-g19的输出均为0，亦即ff0-ff3均处在j=k=0的状态，所以cp信号到达时它们保持原来的状态不变。同时c的状态也得到保持。如果e

11、t=0、则ep不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出c等于0。当rc=ld=ep=et=1时，电路工作在计数状态。从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111的状态返回0000的状态，c端从高电平跳变至低电平。利用c端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。 表 3-3 四位同步二进制计数器74ls160的功能表cpep et工作状态x0xx x置零10x x预置数x110 1保持x11x 0保持（但 c0 ）111 1计数由其功能表可得，当置数端为0时，输出全为0。预置数端为0，当脉冲到达时，计数器置数；当置数和预置数端都为1，且ep=et=1时，计数器进行

12、加法计数；当ep=0，ep=1时，输出不变，且rco=0；当et=1时，各输出及rco都保持不变。3.2.3 三极管非门 仔细观察一下图中给出的三极管开关电路即 可发现，当输入为高电平时输出等于低电平，而输入为低电平时输出等于高电平。因此输出与输入的电平之间是反向关系，它实际上就是一个非门。（亦称反向器）。 当输入信号为高电平时，应保证三极管工作在深度饱和状态，以使输出电平接近于零。为此，电路参数的配合必须合适，保证提供给三极的基极电流大于深度饱和的基极电流。 设计电路所用的芯片是74ls04，如下图所示： 图 3-7 74ls04的内部结构图功能表如下图：表3-4非门功能表 3.2.4 74

13、ls138的应用 图3.8为3线-8线译码器74ls138的逻辑符号图， 其有3个附加的控制端g1、g2a和g2b。当g1=1、g2a+g2b=0时，其附加门gs才输出高电平（s=1），译码器处于工作状态。否则译码被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多片连接起来以扩展译码器的功能。 图3-8 74ls138的逻辑符号图 74ls138的内部原理图如下： 图3-9 74ls138的内部结构图表3-5 3线8线译码器 74ls138的功能表输入输出s1s2+s3a0a1a0y0y1y2y3y4y5y6y70x11111111 x 1 0 00

14、0 0 0 0 0xx00001111xx00110011xx0101010111011111111110111111111101111111111011111111110111111111101111111111011111111110 由3线-8线译码器74ls138的功能表也可以看出，当s1=0时，无论s2+s3等于0还是1，译码器都处于禁止状态，当s1=1,s2+s3=0时，译码器处于工作状态。3.3 功能模块设计 在设计单元电路和选择元器件时，尽量选用同类型的元器件，如所有功能的部件都采用ttl集成电路，整个系统所用的元器件种类尽可能少。下面介绍各单元电路的设计。3.3.1 利用55

15、5定时器组成脉冲发生器 单稳态触发电路利用555定时器接成，其工作特点：它有稳态和暂态两个不同的状态；在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回稳态；暂稳态维持时间的长短取决与电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。经分析可得，暂稳态维持的时间为： t =rcln3 电容取10nf，电阻由滑动变阻器控制。当按下按钮时，就会使单稳态触发器处于暂稳态。如果不加触发，单稳态触发器输出为高电平，处与稳态。 图3-10 单稳态触发器 当不按按钮时，在输入端给了一个高电平，单稳态触发器就为稳态，输出一段高电平。按一次按钮，又会出现暂稳态，输出一段低电平。由此便可控制

16、开关来产生单脉冲。接一个示波器观察输出波形图如下： 图3-11 单稳态电路的仿真结果图中波形为输入波形，下方为输出波形。 3.3.2 led灯和138的测试电路 按照下图将电路接好，如果电路正常且各个芯片都是好的，通过开关就可得到不同的二进制代码输入，相应的会使输出端的led灯按照输入进行输出。 图3-12 3线8线译码器和led灯的测试电路 3.3.3 控制电路（由计数器和译码器构成） 控制电路图中将74ls160的输入与输出连到一起，这样当置数端为有效电平时就会将当时的状态锁定。把74ls160的前三个输出端与138的输入端相连，138的输出通过非门接到led灯上。在此功能模块中，74ls

17、160的置数端接无效电平。将俩片74ls160的清零端接到一起后，通过一个可控按钮来控制，从而达到复位的功能。按照下图接线，检查电路无误后在74ls160的输入端接一个5v,1kh的脉冲输入，此时如果电路正确，led灯就会按照一定的规律移动，当按下复位键后，两排灯同时回到起点。通过这个模块，验证74ls160和138是否能够正常工作。 图3-13 控制电路图 3.4 系统设计电路图 给出总体电路原理图，说明电路整体工作情况以及模块间的连接关系 经过对以上各个步骤的总结可以的到最终的结果，通过软件对最后的结果进行仿真，验证本次试验设计的正确性。在总体电路图中，将两片74ls160的置数端连起来，

18、并把两个译码器的输出端的第五个端子通过74ls86(异或门)和一个非门，来控制计数器的置数端。当某方先到达终点是，置数端就会接收到一个有效电平，将当前状态锁定。按下复位键后，双方的灯又会回到起点，比赛可以从新开始，总电路图如下： 图3-14 总体电路图4 电路调试4.1 multism2001的仿真结果 电路结果显示由led灯上观察，显示结果如下： （1）甲方先到终点 如果甲方按动按键比乙方快，甲方的尾灯先亮，此时，两片计数器会接收到一个有效的置数信号，因为计数器的输入和输出是接在一起的，所以，此时会将输出置如，相当于把此刻的状态锁定了，双方的按键都无效。 （2）复位 74ls160有异步清零

19、端，如果清零端接收到有效电平，马上会将计数器清零。所以，当按下复位键的时候，双方的led灯又会回到起点位置，比赛就可以重新开始了。 （3）在数字实验箱上进行验证 (1首先进行功能模块的验证 触发脉冲的验证，按照电路图接线，检查无误后接通电源，结果显示正常。 138和led灯的功能验证，其中一片138显示正常，而另外一片的输出显示却不正常，换了一片138后显示正常。由此得知先前那片138有问题，仔细研究发现这片138的型号与一般的138不同。 控制模块的验证，当将线路接好后，给一个5v,1kh的输入时，其中一个138的输出显示正常,对应的led灯有规律的移动。另一半的led灯却不会动，经过反复排查线路，最后发现，不正常的的那一半是因为74ls160接电源的端子那条接线有问题，换了一根线后，控制电路的测试正常。 (2总电路的连接 将以上各个功能模块按照总体电路原理图连接起来，其中要注意反馈的引入，即把两片138的连接的尾灯的输出经过一个74