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12月10日 交通灯控制逻辑电路设计
交通灯控制逻辑电路设计 [要点提示] 一、实验目的 二、实验预习要求 三、实验原理 四、实验仪器设备 五、练习内容及方法 六、实验报告 七、思考题 [内容简介] 一、设计任务与要求 1．设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒； 2．要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道； 3．黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次 。 二、实验预习要求 1．复习数字系统设计基础。 2．复习多路数据选择器、二进制同步计数器的工作原理。 3．根据交通灯控制系统框图，画出完整的电路图。 三、设计原理与参考电路 1．分析系统的逻辑功能，画出其框图 交通灯控制系统的原理框图如图12、1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中： TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。 TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。 ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。  2．画出交通灯控制器的ASM（Algorithmic State Machine，算法状态机） （1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。 （2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。 交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表12、1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定： 表12、1 控制器工作状态及功能 控制状态 信号灯状态 车道运行状态 S0（00） 甲绿，乙红 甲车道通行，乙车道禁止通行 S1（01） 甲黄，乙红 甲车道缓行，乙车道禁止通行 S3（11） 甲红，乙绿 甲车道禁止通行，甲车道通行 S2（10） 甲红，乙黄 甲车道禁止通行，甲车道缓行 AG=1：甲车道绿灯亮； BG=1：乙车道绿灯亮； AY=1：甲车道黄灯亮； BY=1：乙车道黄灯亮； AR=1：甲车道红灯亮； BY=1：乙车道红灯亮； 由此得到交通灯的ASM图，如 图12、2所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。 3．单元电路的设计 （1）定时器 定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。 计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的外引线排列图和时序波形图如图12、3所示，其功能表如表12、2所示。图中， 是低电平有效的同步清零输入端， 是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT是计 图12、2 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图12、4所示。电路的工作原理请自行分析。 （a）  （a）  图12、3 74LS163的外引线排列图和时序波形图 （2）控制器 控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表12、3所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1＝ 00状态时，如果TL＝ 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝ 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。  图12、4 定时器电路图 表12、2 74LS163功能表  表12、3 控制器状态转换表 根据表12、3、可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：  根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（ ）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。控制器的逻辑图如图12、5所示。图中R、C构成上电复位电路 。  图 12、5控制器逻辑图 （3）译码器 译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 12、4所示。实现上述关系的译码电路请读者自行设计。 四、实验仪器设备 1． 数字电路实验箱 2． 集成电路74LS74 1片，74LS10 1片，74LS00 2片，74LS153 2片，74LS163 2片，NE555 1片 3． 电阻 51KΩ 1只，200Ω 6只 4． 电容 10Uf 1只 5． 其它 发光二极管 6只 五、实验内容及方法 表12、4控制器状态编码与信号灯关系表 状态 AG AY AR BG BY BR 00 1 0 0 0 0 1 01 0 1 0 0 0 1 10 0 0 1 1 0 0 11 0 0 1 0 1 0 1．设计、组装译码器电路，其输出接甲、乙车道上的6只信号灯（实验时用发光二极管代替），验证电路的逻辑功能。 2．设计、组装秒脉冲产生电路。 3．组装、调试定时电路。当 CP信号为 1Hz正方波时，画出CP、 Q0、 Q1、 Q2、Q3、Q4、TL．、TY的波形，并注意它们之间一的时序关系。 4．组装、调试控制器电路。 5．完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。 六、实验报告 1．画出实验电路原理图，并标明各元件的参数值。 2．绘出实验中的时序波形，整理实验数据，并加以说明。 3．写出实验过程中出现的故障现象及其解决办法。 4．回答思考题。 5．心得体会与建议。 专用集成电路的简介目前，实用的集成电路运算放大器除了通用型外，还有性能更优良和具有特殊功能的集成运放，它们可分为高输入阻抗、低漂移、高精度、高速、宽带、低功耗、高压、大功率和程控型等专用型集成运放，现简要介绍如下：
1．高输入阻抗型 该类型集成运放的差模输入电阻rid>(109~1012)W，输入偏置电流IIB为几皮安~几十皮安，故又称为低输入偏置电流型。 实现这些指标的主要措施，一般是利用FET输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，由BJT与FET相结合而构成差分输入级电路，常称为BiFET型。下面以LF356集成运放为例进行分析。为了便于分析，将LF356电路中的恒定电流都用恒流源代替，得到简化的原理电路如图XX_01所示。
值得指出的是，图XX_01中全部电流源画成理想的，即r电流源= LF356是由P沟道JFET T1和T2构成双端输入、双端输出带恒流源负载（I1、I2）的差分输入级，本级提供了约30pA的低输入偏置电流和约1012W的高输入电阻，T1、T2的工作电流I1,2是由多集电极的BJT管提供（图中略）；中间电压放大级由BJT T5、T6组成的双端输入、单端输出带恒流源（I6）负载的差分式放大电路，和由T7组成的电压跟随器构成；由NPN型BJT T9和PNP型复合管（由P沟道JFET T8与NPN型BJT T10构成）组成互补对称输出级。为了使电路处于甲乙类工作状态，利用二极管D1接于T9的基极和T8的栅极g8之间，给T9、T8提供一起始偏压。 T11、R和D2构成输出电流过载保护环节。R为过载电流取样电阻。当输出端“拉电流”（流向输出端，如iO实线所示）大于20mA时，T11导通而分流iC11，使T7的基极电流iB7减小，iE9减小，抑制了输出电流的增大。同样，当“灌电流”（流入输出端，如iO虚线所示）大于20mA时，D2导通，T8的栅极电位vg8上升，T10的基极电位vB10降低，iC10减小，抑制了输出电流的增大。 P沟道JEFT T3、T4和外接电位器Rp构成两个电流源，Rp可调节T3、T4两管漏极电流的相对比例，从而改变送入中间电压放大级的输入电流，实现失调电流的补偿。电容C为电路内部的密勒补偿电容，以增大运放的单位增益带宽BWG（fT）。 LF356各级的偏置电流都较大，使放大电路对电容的充电电流较大，因此SR和fT都较大，电路的总电流和功耗较大。其主要参数见表0640001XX_01。与LF356性能类似的有LF355、LF347（四运放）。更高输入电阻的还有全MOS-FET的CA3130。更小偏置电流的有AD515、LF0052等。 由FET作输入级，不仅输入电阻高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但失调电压较大。 目前高输入阻抗型运放广泛用于生物医学电信号测量的精密放大电路、有源滤波器、取样-保持放大器、对数和反对数放大器和模数、数模转换器等。 2．高精度、低漂移型 这种类型的运放，一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。要求DVIO/DT<2mV/℃、DIIO/DT<200pA/℃、AVO≥120dB、KCMR≥110dB，vn（噪声电压）<5nV/ 3．高速型 对这种类型的运放，要求转换速率SR>30V/ms，最高可达几百伏/微秒，单位增益带宽BWG>10MHz。一般用于快速A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环、精密比较器和视频放大器中。实现高速的主要措施是，在信号通道中尽量采用NPN型管，以提高转换速率；同时加大工作电流，以使电路中各种电容的电压变化加快；或在 电路结构上采用FET和BJT相兼容的BiFET，或用全MOSFET结构，使电路的输入动态范围加大，因而电路转换速率也增加。目前产品有mA715、LH0032和AD9618等，其中mA715的SR<100 V/ms，BWG=65MHz，而AD9618的SR高达1800V/ms，BWG=8 GHz。 4．低功耗型 对于这种类型的运放，要求在电源电压±15V时，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低电源电压（如1.5~4V）时，具有低的静态功耗和保持良好的电气性能（如AVO=80~100dB）。为此，在电路结构上，一般采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻值的电阻，以保证降低静态偏置电流和总功耗，使电路处于最佳工作状态，以获得良好的电气性能。目前产品有mPC253、ICL7641及CA3078等，其中mPC253的PC<0.6mW，VCC=（±3~±18）V，AVO=110dB。目前产品功耗已达微瓦级，如ICL7600的VCC（VEE）为1.5V，PC=10mW。 低功耗型运放一般用于对能源有严格限制遥测、遥感、生物医学和空间技术研究的设备中。 5．高压型 为得到高的输出电压或大的输出功率，在电路设计和制作上需要解决BJT的耐压、动态工作范围等问题。为此在电路结构上利用BJT的cb结和横向BJT（PNP型）的耐高压性能，或用单管的串接方式来提高耐压，或用FET作为输入级，耐压指标可提高到300V左右。此外，为使运放工作在高电压和大电流（或大功率）的情况下，电路中加入一些特殊保护电路。目前产品有D41、LM143及HA2645等，其中HA2645的参数是：VCC＝VEE＝（48~80）V，Vomax=74V，AVO=（160~200）dB，VIO≤6mV，Vid=37V，而D41型的电源电压可达到±150V，Vicmax=±125V。 除了以上几种专用型集成运放外，还有互导型LM308，程控型LM4250、mA776，电流型LM1900及仪用放大器LH0036、AD522等。表0640001 XX_01列举了典型集成运放的主要参数 12月8日 ISL9V3040和NGB15N41CLT4G全新原装08年,大量库存现货,欢迎各厂家来订购 一般描述 全新原装环保集成电路新到库存
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，而实际上电流源的内阻为有限值。
。通常实现这些功能的措施是，在电路结构上除采用超b BJT管和低噪声差分式输入级外，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻，或在电路中加入自动控温电路以减小温漂。此外，近年来利用调制型的自动稳零放大器，获得了更低的温度系数（0.1mV/℃）。目前产品有AD508、OP-27（DVIO/DT=0.2mV/℃）及由MOSFET组成的斩波稳零型的超低漂移器件，如ICL7650（DVIO/DT=0.01mV/℃），但它的输出电阻较大，所以负载电阻不宜太小。
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