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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
1、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2Hz~2kHz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
0.2A4.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+5%例如对应数字量1001,Vo应为
0.900V~
0.905V5.*步数(或圈数)显示(选作)6.**步数(或圈数)控制(较难的选作)
二、课题分析及设计思路多路序列信号发生器在数字电路设计中应用较多,如彩灯循环,步进电机驱动等其设计方案较多下面以三相步进电机控制为例讲述多路序列信号发生器的设计思路本来任务与要求中已列出主要IC的型号,但考虑这是数字电路的最后一个课题,故下面将介绍几种不同的方案,使大家对数字电子技术有更深入的了解步进电机广泛应用于各种自动控制和计算机系统(如数控机床、机器人、打印机、光驱)中三相步进电机原理见图
14.1其中转子有较强的磁性三相步进电机有三相三拍和三相六拍两种工作方式其状态转换图为001→011→010001→010011→↑↓↑↓↑↓101←100←110←100101←110三相六拍三相三拍a三相三拍b一般不用三相三拍b图
14.1三相步进电机控制器原理框图见图
14.2时钟电路用555构成,用电位器实现频率连续可调如不需连续可调,可用32768晶振+4060**步数(或圈数)控制宜采用倒计数,用可逆可置数的计数器(如74190~74193)+逻辑门设计设计安装时可先不考虑步数控制,直接把时钟电路与脉冲分配器相连即可*步数(或圈数)显示可参见课题12其中圈数=总步数/一圈步数脉冲分配器是本课题的关键,其设计方案有多种,为简化问题先不考虑工作方式选择和转动方向选择,只考虑三相六拍一种工作方式的基本脉冲分配器方案1用时序逻辑电路的设计方法设计,用触发器实现见康华光《电子技术基础数字部分(第四部分)》P237习题
6.
3.3请特别注意自启动问题方案2先用集成计数器或移位寄存器设计六进制计数器,产生递加(或递减)的多路序列信号显然用集成计数器设计最简单方便,不存在自启动问题用移位寄存器则存在自启动问题,而且其多路序列信号不是递加或递减的n移位寄存器构成2n进制扭环形计数器,故3位移位寄存器可构成六进制扭环形计数器,其完整的状态转换图为000→001→011010→101↑↓↑←↓100←110←111显然不能自启动一种能够自启动的六进制扭环形计数器电路图见图
14.3其中74194是4位双向移位寄存器,康华光教材已作了详细介绍,就不重复了注意由R,C构成的积分电路有通电清零(自启动)功能,因000是有效状态取RC1μS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可编程逻辑器件PLD中的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
14.4PROM既可用27648kx8EPROM,也可用28172kx8EEPROM或28648kx8EEPROM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Q0Q1Q2为六进制计数器的输出,ABC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;Q2Q1Q0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1002=416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Q2Q1Q0最小项序号计数器输出顺序D2D1D0对应16进制数Q2Q1Q0最小项序号计数器输出顺序D2D1D0对应16进制数000000010100000001010011101103001110110301022010022xx011331100601132010021004410004100451010510155101055xx6xx11064100047xx1117311006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(74243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010302060405xxxx后添加050406020301xxxx,扭环形计数器方案在原数据0103xx0205xx0406后添加0604xx0502xx0301把原接地的A3改接1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001002004,把它们按计数器输出顺序填入表
14.3和表
14.4的D2D1D0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Q2Q1Q0最小项序号计数器输出顺序D2D1D0对应16进制数Q2Q1Q0最小项序号计数器输出顺序D2D1D0对应16进制数000000010100000001010011101002001110100201022100042xx011330010101132100041004401002100451000410155100045xx6xx11064010027xx1117300101表
14.3表
14.4故采用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010204010204xxxx040201040201xxxx,扭环形计数器方案添加0102xx0404xx02010402xx0101xx0204(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/AIC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D/A转换器,其引脚图与电路图见图
14.6和图
14.7图
14.6DAC0808引脚图图
14.7DAC0808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课题(三相或四相电机控制)中只需把2817的D0~D3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RfW一般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
3、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要注意以下几点1.在proteus软件中有些IC不能仿真如在proteus
6.9SP4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
6.9SP4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ImageFile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
14.8SUPERPRO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要求最后用虚拟示波器观测阶梯波波形图
14.9proteus中的EditComponent对话框
4、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
5、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,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
6、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
(7490)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
7、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,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。