首都师范大学 Capital Normal University 论文编码（原论文分类号

首都师范大学 Capital Normal University 编码（原论文分类号 论文编码(原论文分类号): 首都师范大学本科学生毕业论文 分子布朗运动演示仪的设计与 制作 Demonstrator of Brownian motion of the design and production 论文作者 刘斌 院 系 信息工程学院 专 业 电子信息工程 学 号 1041000181 指导老师 马昆宝 完成日期 2008年5月10日 首都师范大学 Capital Normal University 中文提要 随着电子的高速发展，使其在各个领域中的应用也越来越广泛，与此同时对其应用要求也越来越高。 分子布朗运动现象要通过高倍电子显微镜才能观察到，很多学校不具备这个条件，不能观察到分子的布朗运动现象。采用电子模拟的方法，也可达到很好的感性效果。 我的题目是制作一个由LED灯的闪烁来演示分子布朗运动的物理现象。电路由 -16线译码器等组成。原理是使两个译码时基电路555，二进制计数器4520及4 器端输出不同步，且频率也不一样。因此，使得每一刻点亮的LED看起来是随机的，杂乱无章的，就像布朗运动中的分子那样。 使用Multisim9软件对电路进行设计、测试，然后完成电路焊接，使电路实现设计的逻辑功能。 本电路也可用于墙画，圣诞树等装饰品中。 关键词: 数字电路 芯片 软件测试 软件设计 2 首都师范大学 Capital Normal University Abstract With the rapid development of electronic, in various fields to the application of more and more widely, at the same time their application requirements are getting higher and higher. Brownian motion of molecules to pass high-power electron microscope can be observed that many schools do not have this condition, can not be observed elements of the phenomenon of Brownian motion. Using electronic simulation method can also achieve good emotional effect. My topic is to produce a blinking LED lights to the presentation of Brownian motion of physical phenomena. From the circuit when the circuit-555, binary counter 4520 and 4-16 line decoder and other components. Principle is the two-decoder output is not synchronized, and not the same frequency. Therefore, making every minute of the LED light appeared to be random, haphazard, as Brownian motion of molecules that. Multisim9 use of the software circuit design, test and complete the circuit welding, so that the logic circuit design features. The circuit also used for wall paintings, such as Christmas tree decorations in. Keywords: digital circuit chip Software test software design 3 首都师范大学 Capital Normal University 目录 布朗运动的概念„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 前景广阔的电子信息工程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6一(设计任务及工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 1.设计任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 二(总体设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 1.由工作原理设计每一部分„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.相关整体图一览„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 三(整体电路的设计与局部分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 555 1.555的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.555在电路图中的运用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.振荡周期 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 4520 1.4520的工作原理 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 (1)4520整体„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 (2)4520的工作原理 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 (3)4520内部计数原理 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2.4520在电路图中的运用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4514和4515 1.4514和4515的工作原理:„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 2.4514和4515在电路中的运用:„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 分子布朗运动演示仪的设计与制作 „„„„„„„„„„„„„„„„„21 1.multisim9 仿真的电路图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 2. 分子布朗运动演示仪的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3.将电路图设计成PCB板，有助于工业生产„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 设计心得与谢词 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 附录 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 参考书及资料 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31 4 首都师范大学 Capital Normal University 布朗运动的概念 Brownian movement 悬浮微粒不停地做无规则运动的现象叫做布朗运动 例如，在显微镜下观察悬浮在水中的藤黄粉、花粉微粒，或在无风情形观察空气中的烟粒、尘埃时都会看到这种运动。温度越高，运动越激烈。它是1827年植物学家R.布朗首先发现的。作布朗运动的粒子非常微小，直径约10-7,10-5米， 在周围液体或气体分子的碰撞下，产生一种涨落不定的净作用力，导致微粒的布朗运动。如果布朗粒子相互碰撞的机会很少，可以看成是巨大分子组成的理想气体，则在重力场中达到热平衡后，其数密度按高度的分布应遵循玻耳兹曼分布。J.B.佩兰的实验证实了这一点，并由此相当精确地测定了阿伏伽德罗常量及一系列与微粒有关的数据。1905年A.爱因斯坦根据扩散方程建立了布朗运动的统计理论。布朗运动的发现、实验研究和理论分析间接地证实了分子的无规则热运动，对于气体动理论的建立以及确认物质结构的原子性具有重要意义，并且推动统计物理学特别是涨落理论的发展。由于布朗运动代表一种随机涨落现象，它的理论对于仪表测量精度限制的研究以及高倍放大电讯电路中背景噪声的研究等有广泛应用。 5 首都师范大学 Capital Normal University 前景广阔的电子信息工程 电子信息工程是一门应用计算机等现代化技术进行电子信息控制和信息处理的学科，主要研究信息的获取与处理，电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成。现在，电子信息工程已经涵盖了社会的诸多方面，像电话交换局里怎么处理各种电话信号，手机是怎样传递我们的声音甚至图像的，我们周围的网络怎样传递数据，甚至信息化时代军队的信息传递中如何保密等都要涉及电子信息工程的应用技术。我们可以通过一些基础知识的学习认识这些东西，并能够应用更先进的技术进行新产品的研究和开发。 电子信息工程专业主要是学习基本电路知识，并掌握用计算机等处理信息的方法。首先要有扎实的数学知识，对物理学的要求也很高，并且主要是电学方面;要学习许多电路知识、电子技术、信号与系统、计算机控制原理、通信原理等基本课程。学习电子信息工程自己还要动手设计、连接一些电路并结合计算机进行实验，对动手操作和使用工具的要求也是比较高的。譬如自己连接传感器的电路，用计算机设置小的通信系统，还会参观一些大公司的电子和信息处理设备，理解手机信号、有线电视是如何传输的等，并能有机会在老师指导下参与大的工程设计。学习电子信息工程，要喜欢钻研思考，善于开动脑筋发现问题。 随着社会信息化的深入，各行业大都需要电子信息工程专业人才，而且薪金很高。学生毕业后可以从事电子设备和信息系统的设计、应用开发以及技术管理等。比如，做电子工程师，设计开发一些电子、通信器件;做软件工程师，设计开发与硬件相关的各种软件;做项目主管，策划一些大的系统，这对、知识要求很高;还可以继续进修成为教师，从事科研工作等。 6 首都师范大学 Capital Normal University 一(设计任务及工作原理 1.设计任务 分子布朗运动现象是中学物理教学中的一个内容。其现象需要用高倍电子显微镜才能看到，而中学不具备这一条件。采用电子模拟方法，也可以达到很好的演示效果。今要求设计一个用多只LED数码管演示分子布朗运动。同时要求调整设置方便，直观性好。 2(工作原理 两个555为时基电路，产生1~8Hz振荡，调节可变电阻改变振荡频率，即可调节LED(“分子” )闪烁快慢。由4520内的两个计数器分别对两个555送来的时基信号进行计数，计数结果以二进制数从Q3~Q0输出，分别送到4514和4515两个4-16线译码器地址输入脚DCBA, 两个4-16线译码器对地址数据译码后分别从Q0~Q15端输出高电平和低电平，而当4514的Yn端输出为“1”，而恰好4515 Yn端为“0”时，它们之间连接的LED才会点亮。由于4514和4515两个4-16线译码器的Yn端输出是不同步的，且频率也不一样。每一刻点亮的LED就是随机的，杂乱无章的，就像布朗运动中的分子那样。 7 首都师范大学 Capital Normal University 二(总体方案设计 1.由工作原理设计每一部分: (1)由555构成多谐振荡器，产生振荡 0计数 (2)把2个多谐振荡器产生的振荡输入至452 (3)计数后的二进制码分别输入至4514和4515两个译码器中 (4)连接4514、4515、LED灯 2.相关整体图一览 555多谐振荡器 产生振荡 4514 译码器 4520 LED灯 计数器 4515 译码器 555多谐振荡器 产生振荡 根据总体相关方案图，设计出合理与实用的电路。根据每一个部分设计相应的电路，由于设计中有16个LED小灯，从电路板和芯片的实际规格出发，不易设成4*4的矩阵，所以为了节省空间，改成2*8的并且根据实际选择并列或是错开。 8 首都师范大学 Capital Normal University 三 整体电路的设计与局部分析 1.555的工作原理 (555 图1) 从上图(555 图1) 555中，比较器C1的参考电压为2/3VCC加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3VCC加在反相输入端;当C1的反相端(555中的6脚)输入高电平信号后，与同相输入端的参考电压比较后，将产生的信号输出到基本R-S触发器的R端;当C2的正相端(555中的2脚)输入低电平信号，与反相端的参考电压比较后，将产生的信号输出到基本R-S触发器S端;其实就是R-S触发器的输出状态受C1、C2的输出端控制。下边R-S触发器基本功能: R端接0， S端接0输出不变 R端接1 ，S端接0输出为0 R端接0 ，S端接1输出为1 R端接1 ，S端接1输出不确定 2.555在电路图中的运用 根据下图(555 图2)，接通电源时，由于电容C1上的电压不能突变，555上的6脚和2脚(高、低触发端)上的电压Vth=Vtr=0<1/3VCC,比较器C1输出为高电平，比较器C2输出为低电平，R-S触发器置1，555的3脚(OUT脚)输入就为“1”。内部放电管截止，那么，外部VCC经过外围电阻R1、R2向电容C1上充电，C1上电压逐渐升高，当升到1/3VCC时，比较器C2的输出由0翻转为1，这时R-S触发器保持状态不变。555的3脚一直输出为高电平，这段时间设为T1。 从T1时刻起，当电容C1上的电压上升到2/3VCC时，比较器C1输出由1 9 首都师范大学 Capital Normal University 翻转为0，这时，R-S触发器的输出为0，555的3脚输出为“0”。放电三极管导通，电容C1通过外围电阻R2放电，电容C1上的电压下降，当电容C1上的电压小于2/3VCC时，比较器C1由0变1，R-S触发器的输出状态不变，555的3脚仍就为低电平，这段时间设为T2。 从T2时刻起，当电容C1上的电压下降到1/3VCC时，比较器C2的输出由1变为0，R-S触发器重新置1。 之后，电源再次向电容C1上充电，重复上述过程，就形成了振荡。 (555 图2) 3.振荡周期 (555 图3) 10 首都师范大学 Capital Normal University 由上图(555 图3)可知，振荡周期T=T1+T2。T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。 充电时间 TRRCRRC,，,，()ln20.7()11212 放电时间 TRCRC,,ln20.7222 矩形波的振荡周期 TTTRRCRRC,，,，,，ln2(2)0.7(2)121212 因此改变外围电阻R1、R2和电容C1的值，便可改变矩形波的周期和频率。 1.4520的工作原理 (1)4520整体 4000系列中，4520是应用最为广泛的计数器之一，也是通用性最强的计数器之一，除具备其他计数常用功能外，更重要的是，它们在一块芯片内集成了两个相同的计数器，使之成为设计、应用的首选芯片。 (2) 4520的工作原理 4520是双二进制同步加计数器，输出为四位二进制码，供有16种状态，可对外控制16路信号。工作原理如下图1所示(4520图1): (4520 图1) 11 首都师范大学 Capital Normal University 4520 图1中是表明4520中有两个相同的计数器，两个计数器没有任何差别。从计数器的功能看，下边是计数器各个脚输入以及对应的功能，其中R代表图1中的RESET脚，EN代表ENABLE脚，CP代表CLOCK脚。 R=0、CP=0时，时钟脉冲从EN脚输入，在其下降沿的作用下计数; R=0, EN=1时，时钟脉冲从CP脚输入，在其上升沿的作用下计数; R=0、CP=1或R=0、EN=0时，均禁止计数; R=1,复位，Q4Q3Q2Q1=0000。 由次写出4520真值表 表1 4520真值表: CP EN R 功能 上升沿 1 0 加计数 0 下降沿 0 下降沿 * 0 保持 不变 * 上升沿 0 上升沿 0 0 1 下降沿 0 * * 1 复位 (4520 表1) (3)4520内部计数原理 从4520逻辑图解释计数原理: (4520 图2) 由图2(4520图2)，图中的边沿触发器是由D触发器制作的，CR是4520中的清除端，当CR端接受到高电平时，CR=1,计数器复位，使得Q3Q2Q1Q0端输出为低电平，就是Q3Q2Q1Q0=0000。逻辑图中的CR脚就是上边4520图1中的R脚，也就是是两个计数器中的RESETA和RESETB脚。其原理是CR输出的信号经过两个反相器两次反相后，将CR的信号输入到每一个边沿触发器中去，就是将信号 12 首都师范大学 Capital Normal University 输入到D触发器中的复位端R,当CR输入高电平，也就是CR=1时，每一个D触发器的复位端R接受到高电平，这时,R=1。又由于，边沿触发器的动作特点是输出端状态的转换发生在CP的上升沿，而且触发器所保存下来的状态仅仅取决于CP上升沿到达时的输入状态，所以，当CR端输入高电平时，使得每一个边沿触发器R端置1，那么，当CP上升沿到来时，根据这时候的状态，进行翻转，每一个触发器就都置“0”，所以当CR=1时，Q3Q2Q1Q0=0000。而为了，让由555产生的每一个振荡到来时，都能让4520进行累加计数，并且让4520产生持续的信号，和为了设计方便，这里让4520中R脚(也就是CR)接地，使得R=0;让R脚不产生影响。 EN接5V电源，保持高电平，使得EN=1。原理是首先CP产生的信号经过一个非门后，才与EN的信号同输入到与非门，这里如果EN脚输入的是低电平，EN=0,会影响CP的输入信号，因为当到这里的CP信号是1时，CP=1,EN=0,经与非门后，输出的是1;但如果CP信号是0时，CP=0,EN=0,经与非门后，输出的还是1。就造成了CP输入任何信号，经过与非门后，都是1的情况，而这里后边的边沿触发器是要等CP的上升沿才发生翻转。故，这里让EN=1,保持高电平，使得EN=1。那么，当CP=1时，经过一个非门CP=0时，CP=0,EN=1,经过与非门时，输出为1，和先前最初CP=1相同，另外，当CP=0时，经过一个非门CP=1时，CP=1,EN=1,经过与非门时，输出为0，也和先前最初CP=0相同。故，当EN=1的条件时，经过这一部分的逻辑电路是把CP信号原样的输入到每一个边沿触发器当中去。 信号输入到第一边沿触发器中前，虽经过一个非门，但当到触发器的输入端时，还是有一个非门端口，保证输入的信号原样。这样就把CP的信号输入到边沿触发器当中去了，完成CP的信号输入的第一步。 边沿触发器在CP上升沿并且仅仅当CP的上升沿到达时，输出状态发生转换。那么，当第一个上升沿到达时，由于，除最上边的第一个边沿触发器前接的是个非门，下边的都接了或非门，要求前一个边沿触发器的/Q输出，但由于第一次CP上升沿来，/Q还没产生信号，故，只有第一个触发器发生翻转，将输出信号，并且让下一个触发器开始工作。当CP第二次上升沿到来时，第一个触发器再次翻转，下边的触发器也开始工作，发生第一次翻转，输出信号，然后让第三个触发器开始工作，等待CP的第三次上升沿的到来，下边的触发器都是等待上一个触发器的输出后，才开始工作。这样的工作原理形成了二进制数的低位向高位的进位关系。最上边的触发器是最低位，由上往下，依次升高。故，第一次CP上升沿来时，Q0=1，就是Q3Q2Q1Q0=0001,当第二次CP上升沿来时，第一触发器再次翻转Q0=0,第二个触发器第一次翻转，Q1=1，就是Q3Q2Q1Q0=0010，由此就产生了计数原理。 13 首都师范大学 Capital Normal University 2.4520在电路图中的运用 4520在电路中接受由555产生的振荡，并对其计数，然后由其Q4Q3Q2Q1端口输出四位二进制代码。 (4520 图3) 1.从上边的4520图2(4520逻辑图)中，根据设计的要求因4520芯片的内部在单个单元运算中，就是以每一个边沿触发器为一个单元。在此运算中，EN的输入要保持高电平的条件下，EN=1,才使得CP的信号按原样输出。当CP产生上升沿时，在4520中每一个边沿触发器收到CP信号前，由CP产生的信号经过前边的与、非、或门等，最终原样输入到每一个边沿触发器当中去，由此，进行计数和进位。故在4520图3中把电路中4520的2脚(就是EN脚)接5V(高电平)，完成使得EN=1的条件。 2.上边的4520图3中4520的7脚(也就是RESET 脚)为高电平时，计数器清零。就是4520图2中的CR脚，CR=1时，输入到每一个边沿触发器的R脚，使得每一个触发器置0，为了持续的计数，不让CR脚影响计数，故将4520图3中的7脚接地，让CR=0。 3.在完成上边两个条件后，就形成了4520真值表中的加计数的条件，下图中是引用上边4520真值表(4520 表1)的一部分中的第一个的加计数的条件(图表中的第一行): CP /EN R 功能 上升沿 1 0 加计数 0 下降沿 0 4.当电路接通时，由555产生的振荡由其3脚(OUT)输出至4520计数器的时 14 首都师范大学 Capital Normal University 钟输入脚1脚(CP)，当CP脚的第一个上升沿到来时4520中的计数器才开始计数，第一次来临的上升沿由4520中的计数器计数后，输出为Q3Q2Q1Q0=0001,第二次上升沿到达，计数器再次工作计数，输出为Q3Q2Q1Q0=00010,当一系列的CP上升沿到来,根据4520图2(4520逻辑图)显示的功能。由此写出下边的4520对于依次CP上升沿来临，4520的输出状态表: 4520对于555输入而计数的 电路状态转换表: 计数顺 电路状态 等效十进制数 进位输序 出 Q3 Q2 Q1 Q0 C 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 2 0 0 1 0 2 0 3 0 0 1 1 3 0 4 0 1 0 0 4 0 5 0 1 0 1 5 0 6 0 1 1 0 6 0 7 0 1 1 1 7 0 8 1 0 0 0 8 0 9 1 0 0 1 9 0 10 1 0 1 0 10 0 11 1 0 1 1 11 0 12 1 1 0 0 12 0 13 1 1 0 1 13 0 14 1 1 1 0 14 0 15 1 1 1 1 15 1 16 0 0 0 0 16 0 (4520 表2) 从上表中(4520 表2)可以看出，当第16个CP上升沿到达后，4520的输出相当于归零了，这样就形成了一个循环，一切计数就可以再次进行。第17个CP的上升沿就回到了对第一个上升沿的计数输出状态，第18相当于第2个，第19个相当于第3个，由此类推„„ 就可以把每一次的CP上升沿都可以从4520表2中找出对应的输出状态。 从表中就可以根据实际的输入找出4520的Q3Q2Q1Q0脚输出的状态。 15 首都师范大学 Capital Normal University 1.4514和4515的工作原理: (1)4514 4线---16线译码器组成。锁存器所保留地数据 4514由一可选通锁存器和一 为在选通脉冲由1至0转换之前地最后输入数据。INH控制端将所有输出置为0，而与数据或选通脉冲的输入状态无关。 (2)4515 4515由一可选通锁存器和一 4线---16线译码器组成。锁存器所保留地数据为在选通脉冲由1至0转换之前地最后输入数据。INH控制端将所有输出置为1，而与数据或选通脉冲的输入状态无关。 (3)关于4514和4515的工作原理 4514和4515的译码器是将4520输入的二进制码，输出为一组与输入代码一一对应的高、低电平信号。 当4520输出二进制码，4514把二进制码成高电平输出，4515把二进制码翻译成低电平输出。4514与4515的内部电路图不同在于，在最后输出时，4514的逻辑图是在4515的逻辑图基础上在最后的每个管脚输出前都加了个非门。 4515和4514的逻辑图对比: 4515逻辑图: (4514和4515 图1) 16 首都师范大学 Capital Normal University 由上图4515逻辑图(图1)中可以看出，首先是INH控制端，INH控制端是将所有输出置为1，如果当INH控制端输入高电平时，就是INH=1时，首先经过一个非门让信号变为0，为什么要让INH的信号经过一个非门呢,因为在与门中0可以直接影响输出，0与0经过与门输出为0;0与1经过与门输出也是0，所以当后边的16个与门不管从前边接受到任何0、1信号，只要由INH控制端的信号到与门时，是0就可以让所有与门输出0，并且只要在每个与门后加个反相输出，就让输出改为“1”。而如果到达与门的是1的话，就不可能控制输出了，就会随着别的输入，输出端而进行改变，故INH控制端输入高电平时，可以控制所有输出端为1。这就是4515中INH控制端的原理。为了让4515对由A3A2A1A0四个输入端输入的信号进行译码，故要让INH控制端接地，不影响输出。 上图中，LE端是数据锁存控制端，当LE输入低电平时，就是当LE=0时，经过一个非门，然后在信号到达每一个与门前，又都反相输入，就是输入到每一个与门的端口是都是0，其中与A3A2A1A0四个端口的输入的信号同输入到一个与门中时，由于信号是0，不管A3A2A1A0的输入信号是1或0，必影响与门输入为0。这里的输出信号不仅输出到4515中基本R-S触发器中的S脚，又作为一个与门的输入，还是与由LE经非门，反相端口输出的信号同输入到一个与门中，这个与门的输出也是0。那么，这时，基本R-S触发器的R、S脚都输入的是0，R=0,S=0时，根据基本R-S触发器的特点，电路维持原来的状态不变。这就是LE数据锁存控制端的原理，为了让4515能够根据A3A2A1A0的输入改变而改变，故应该让LE端接5V高电平，让LE=1,不对信号进行锁存。 调节好INH端和LE端后，当图中(4514和4515 图1)的A3A2A1A0脚与上边介绍中的4520的Q3Q2Q1Q0脚相接时，4520输出的二进制代码输入到4515的A3A2A1A0的四个端口时，每一个端口接受到“0”或“1”的二进制代码，这时，4515译码器开始工作。 从4515获得第一个四位二进制码0001为例子开始说起，A0脚是与4520中的Q0脚相对接，获得1、0、1、0的变换输入，这时A0脚为1，其他A3A2A1脚为000。A0脚的信号1经过非门，和反相输入端口到达一个与门。由于让LE端接5V高电平，不影响与门，输入到RS触发器的S端的信号是1，输入到另一个与门时，由于经过一个反相输入端口，与门输出0到RS触发器的R端。形成S=1,R=0的输入，那么，R-S触发器的输出端Q=1，同时/Q端输出为0。其他端口A1A2A3由于输入的是0，这里以A1为例，A1=0，经过非门和反相输入端口，到达与门，与门输出为0，到S输入端，S=0;另一个经过一个反相输入端口成为“1”到达另一个与门后与LE的高电平信号“1”同输入到与门后，输出为1，到达R端时，R=1,这个R-S触发器的RS输入是S=0,R=1。故这个R-S触发器的输出端Q=0,/Q=1。 17 首都师范大学 Capital Normal University 下边的A2A3同A1的一样。 这时，再看由四个R-S触发器的输出端。 第一个RS触发器Q=1,/Q=0;第二、三、四RS触发器都是Q=0,/Q=1;这里不得不先提到译码器是把二进制数译成对应的高低电平信号，那么A3A2A1A0=0001是对应着Y1的输出端，并且4515是把输入的二进制信号译成低电平输出的，那 ”，使得Y1=0。 么这样Y1端就该输出为“0 让我们来看看逻辑图(图1)，是不是这样的，首先把根据第一个RS触发器Q=1,/Q=0;第二、三、四RS触发器都是Q=0,/Q=1，输出的信号到第一批的8个与门当中去，看这8的与门的输出。为了便于说明，从上往下分别由1、2、3、4„„一直到第8个与门这么说。因为与门是逢“0”必输出“0”，让我们来看看这8个与门的输入情况。 首先每一个与门输入都加了反相端口，只要输入到与门的信号先前是1，经过反相端口输入到与门时为0就行了，与门输出就为0。第1个与门，由于接的第一个线中是由第一个RS触发器的Q端输入，Q=1,故这个第一个与门的输出为“0”，根据这个，可以依次类推出第二个，第三个，第四个直至第八个与门的输出分别为1、0、0、1、0、0、0，那么8个与门这时的输出就是0、1、0、0、1、0、0、0。 这里已经知道了此时前8个与门的输出，现在看由Y0~Y15的每一个端口对应这8个与门中的哪两个。 Y0端口对应第5和1与门;Y1端口对应第5和2与门;Y2端口对应第5和3与门;Y3端口对应第5和4与门;Y4端口对应第6和1与门;Y5端口对应第6和2与门;Y6端口对应第6和3与门;Y7端口对应第6和4与门;Y8端口对应第7和1与门;Y9端口对应第7和2与门;Y10端口对应第7和3与门;Y11端口对应第7和4与门;Y12端口对应第8和1与门;Y13端口对应第8和2与门;Y14端口对应第8和3与门;15端口对应第8和4与门。 此时，前8个与门中只有第二个和第五个与门输出都为1，对应的是正好是Y1端，输入到下一个与门的信号都是1，然后经过反相端口输出，Y1=0。输入到其他输出端口前的下一个与门，因为都有“0”，然后都经过与门反相端口输出，Y0和Y2~Y15输出的就都是1了。那么，当A3A2A1A0输入不同二进制数时，4515就在相对应的输出端口输出低电平信号。 18 首都师范大学 Capital Normal University 4514逻辑图: (4514和4515 图2) 上图是4514的逻辑图(图2)，其与4515的不同就在与，在最后的每一个输出后边加上了一个非门，使得如用4515中的上边解释，输入A3A2A1A0=0001时，Y1端输出的是Y1=1,4514就是把输入的二进制代码译成高电平输出了。其他的内部逻辑与4515一样，这里不再重复。 19 首都师范大学 Capital Normal University 2.4514和4515在电路中的运用: 下图(图3)电路中4514与4515对应的输出管脚进行连线，并且中间连上LED ”时，而恰好4515与其相对应的 Yn小灯。当电路接通时4514的Yn端输出为“1 端输出为“0”时，它们之间连接的LED小灯才会点亮。 4514与4515在电路中的部分电路图: (4514和4515 图3) 上图中(图3)由于前边两个555由于电阻的不同产生的振荡周期不同，经由4520产生计数时的输出也是不同步，造成4514与4515各自的Yn端输出是不同步的，而且频率也不一样。并且只有当4514的Yn输出端为“1”时，对应的4515的Yn输出端为“0”时，之间的LED小灯才能点亮。如果，4514的Yn输出为“0”，那么就算是4515的对应端为“1”，LED小灯也不会点亮。只有在一种触发条件下，因此，每一时刻点亮的LED看起是随机的、杂乱无章的，就像布朗运动中的分子那样。 20 首都师范大学 Capital Normal University 分子布朗运动演示仪的设计与制作 1.multisim9 仿真的电路图 (整体电路 图1) 2. 分子布朗运动演示仪的工作原理 从上边的电路图(整体电路 图1)看，通电后，由555构成的多谐震荡器电路产生振荡，由于在每个555外围的电阻之间加入了可变电阻RP,PR的阻值是并入在555图2中的R2中去的，那么R2的阻值就可以进行调节，对R2的阻值进行改变后，根据上边555介绍中的振荡周期和555的图3，矩形波的振荡周期为 TTTRRCRRC,，,，,，ln2(2)0.7(2)121212 从式中可以看出，振荡周期与R2的阻值有关，调节R2的阻值，相应的就改变了555构成的多谐振荡器的周期。由于2个555的可调电阻RP，调节的阻值不一样，那么由两个555构成的多谐振荡器所产生的振荡周期也就不一样。 然后将由其输出至4520芯片中。此时4520中由于R脚接地(7脚和15脚)，使得R=0;/EN脚(2脚和10脚)接5V电源高电平，使得/EN=1，这样形成4520真值表中的加计数条件; CP /EN R 功能 上升沿 1 0 加计数 21 首都师范大学 Capital Normal University 4520就对由CP脚(1脚和9脚)由555输入而来的脉冲，在其上升沿进行计数，然后由其Q3 Q2 Q1 Q0脚输出计数后的二进制码，由于两个555构成的多谐振荡器产生的振荡周期不同，两个555分别输入到4520当中的两个计数器时，这两个计数器，收到的CP上升沿来临的时间也不同，那么，4520两个计数器，就会输出错开时间的计数，相对应的就是两个计数器在同一时间内输出的Q3Q2Q1Q0的二进制数是不同的。 这样，当4520内的两个计数器分别输出的二进制码到4514和4515中，4514对输入的二进制码翻译成二进制高电平输出，4515对对输入的二进制码翻译成二进制低电平输出，由于输入的是四位二进制码，共有16种状态，可对外控制16路信号。此时，由于调节两个555构成的多谐振荡器中的可调电阻RP,使得555产生的振荡周期不同，输入到4520中时的上升沿不同，两个4520在同一时刻分别输入到4514和4515的二进制代码不同，由4514和4515分别译码出来时的高低电平也不同，由于当只有4514的Yn端输出为“1”时，而恰好4515的Yn端输出为“0”时，它们之间连接的LED灯才会点亮。若4514的Yn端输出为“0”时，不管4515对应端输出为“1”或“0”，LED小灯都不会点亮。 正是由于4514与4515的Yn端输出是不同步的，由调节PR电阻使得两个555构成的多谐振荡器产生的振荡周期不同，输入到4520中的计数器中，再由4520输出至4514和4515时的不同四位二进制代码，根据不同代码译码，产生不同的高低电平，所造成两边的Yn端输出电平的频率不一样。因此，每一时刻点亮的LED灯看起来是随机的、杂乱无章的，就像布朗运动中的分子那样。 3.将电路图设计成PCB板，有助于工业生产 22 首都师范大学 Capital Normal University 利用protel99软件，重新绘制电路图，然后再把电路图转成PCB，这样就可以直接进行工业生产。 实物图 23 首都师范大学 Capital Normal University 24 首都师范大学 Capital Normal University 设计心得与谢词 通过老师的指导和自己的学习，我的毕业设计终于完成了。通过做该毕设，我增强了学习本专业的兴趣。在论文完成期间，遇到了许多困难，也增长了很多认识。比如，增强了选购元器件的能力、对multisim9的使用更为熟练、资料查找与整理能力也有提高。 通过这次电子系统设计，我掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。 几个月时间很快过去了，总的说来收获很大，开始时是设计阶段，首先画实际电路连接图就费了一番功夫，4514与4515的连接线的确重新画了好几次，反复修改才完成。后来到动手的时候，发现焊的时候由于管脚点太多，线都压在一块，现在想起来应该先把每一个管脚先焊上一根线，然后再根据电路图合理分配焊接。LED小灯的布局本想分成4*4的矩阵，但由于四联通电路板的大小和局限性，不得不排成两行来解决空间问题，比较遗憾。之后，我对4520、4514和4515的内部研究和对工作原理的认识，发现其实芯片的内部还是比较有意思的。 最后，感谢马昆宝老师为我在这次毕业设计中提供的悉心的指导。 25 首都师范大学 Capital Normal University 附录 4514和4515真值表 26 首都师范大学 Capital Normal University 555相关资料 555管脚图 555内部功能图: 27 首都师范大学 Capital Normal University 4520相关资料 28 首都师范大学 Capital Normal University 4514和4515相关资料 29 首都师范大学 Capital Normal University 30 首都师范大学 Capital Normal University 参考书及资料 [1]常用数字集成电路原理与应用 卿太权 人民邮电出版社 2006年 [2]multisim7 电路设计与仿真应用 熊伟 清华大学出版社 2005年 数字电子技术基础简明教程 余孟尝 高等教育出版社 2006年 31