交通灯自动切换电路实验

【总结及评价】

①整理测量数据，填写上述列表，通过实验数据分析验证各种数字电路芯片的功能与作用。

②简述集成电路识别的方法步骤与原理。

③填写任务评价表，见表4-4。

表4-4　任务评价表

【相关知识】

一、相关集成电路

1．石英晶体振荡器

石英晶体振荡器简称晶振，它是指在石英晶体薄片（简称晶片）的封装内部添加IC所组成振荡电路的晶体元件。石英晶体振荡器有两个端子，它本身并没有引起振荡的能力，必须借助外力才能使其振荡。其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电子产品中各种不同的信号频率。石英晶体的频率稳定性非常好，在剧烈变化的环境下仍能稳定工作。

2．CD4060秒脉冲发生器电路

秒脉冲发生器电路用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得所需要秒脉冲。如晶振为32768Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出，电路如图4-1所示。

图4-1　CD4060秒脉冲发生器

3．D触发器74LS74

在TTL电路中，比较典型的D触发器电路有74LS74。74LS74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同、相互独立的边沿触发D触发器电路，如图4-2所示。

图4-2　D触发器

负上升沿触发的主从触发器工作时，必须在正上升沿前加入输入信号。如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。边沿D触发器也称为维持—阻塞边沿D触发器。该触发器由6个与非门组成。

4．数据选择器74LS153

数据选择器又称为多路开关。它可以有多个信号输入端，若干个控制输入端和一个输出端，如图4-3所示。

图4-3　数据选择器框图

它的逻辑功能为：在控制输入端（也称地址输入端）的作用下，从多个输入信号（输入的数据）中选择某一个输入的信号传送到输出端。数据选择器有许多种，如图4-4所示为双4选1数据选择器74LS153的管脚排列图。

图4-4　74LS153管脚排列图

74LS153的功能见表4-5。其中B，A为控制信号，或称地址输入端，C0—C3为4路数据输入端。为了控制电路的工作状态和扩展功能的需要，还设置了附加控制端低电平有效。即为0时该选择器工作，1时该选择器不能工作。

表4-5　74LS153功能表

5．计数器74LS161

74LS161是常用的4位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活地运用在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能。74LS161引脚如图4-5所示。

管脚图介绍：

①时钟CP和4个数据输入端P0—P3。

②清零／MR。

③使能CEP，CET。

④置数PE。

⑤数据输出端Q0—Q3。

⑥进位输出TC（TC＝Q0·Q1·Q2·Q3·CET）。

图4-5　74LS161引脚图

表4-6　74LS161功能表

从表4-674LS161功能表中可以知道，当清零端CR＝0，计数器输出Q3，Q2，Q1，Q0立即全为“0”，这个时候为异步复位功能。当CR＝1，且LD＝0时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3，Q2，Q1，Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR＝LD＝EP＝ET＝1，CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端C0，其逻辑关系是C0＝Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成十六进制以下的任意进制分频器。

6．可逆计数器74LS192

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图4-6所示。

图4-6　74LS192的引脚排列及逻辑符号

图4-6中：为置数端，CPU为加计数端，CPD为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0，P1，P2，P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0，Q1，Q2，Q3为数据输出端。其功能见表4-7。

表4-7　74LS192的功能表

二、组合逻辑电路

组合电路是指输出仅由输入决定，与电路当前状态无关；电路结构中无反馈环路的电路。

例如，当输入A，B，C中有两个或3个为1时，输出Y为1，否则输出Y为0，其逻辑图如图4-7所示。

图4-7　组合逻辑电路逻辑图

其表达式为：

其真值表见表4-8。

表4-8　组合逻辑电路真值表

因此，组合逻辑电路实际上是一种3人表决用的组合电路：只要有两票或3票同意，表决就通过，而这就是组合逻辑电路的应用。而组合逻辑电路的分析也按照“逻辑图→逻辑表达式→最简表达式→真值表→电路逻辑功能”的流程来进行分析。

三、二进制编码器

实现编码操作的电路称为编码器。如输入8个互斥的信号输出3位二进制代码的二进制编码器其真值表，见表4-9。

表4-9　真值表

根据真值表可以得出其逻辑表达式为：

由表达式可以得出如图4-8所示的两种逻辑图。

图4-8　逻辑图

由此可以看出，编码器其实就是组合逻辑电路的一种应用。

四、译码器

把代码状态的特定含义翻译出来的过程称为译码，实现译码操作的电路称为译码器。如输入3位二进制代码的输出8个互斥的信号的3线—8线译码器根据功能确定其真值表，见表4-10。

表4-10　真值表

根据真值表确定其逻辑表达式为：

由表达式可以得出，如图4-9所示的逻辑图。

图4-9　逻辑图

任务二　交通灯自动切换电路实验

【任务目标】

①能按原理图搭建电路。

②能测量电路参数。

③能排除一般性故障。

【设备与器材】

交通灯自动切换电路实验用设备与器材，见表4-11。

表4-11　设备与器材

【任务实施】

①根据如图4-10所示的电路原理图，领取所需要的电子元件和工具箱，逐个测试元件的性能参数，搭建汽车尾灯电路。

图4-10　交通灯自动切换电路原理图

②认真检查电路是否正确，注意器件管脚的连接，“悬空端”“清零端”“置1端”要认真谨慎正确地处理，认真分析是否是高电平有效。

③检查电源电路的输入输出是否正常，是否为＋5V，看脉冲是否接入。

④使用示波器观察秒脉冲发生源及控制器输出波形，绘制于表4-12中。

表4-12　秒脉冲发生源及控制器输出波形

⑤用秒脉冲作时钟信号，在S0～S3不同状态时，测试并填入表4-13中。

表4-13　主控器状态转换表

⑥使用万用表分别测量触发器、数据选择器、译码器电压并填入表4-14中。

表4-14　触发器、数据选择器、译码器电压值

⑦观察译码器输出指示灯效果并记录状态（用0，1表示），见表4-15。

表4-15　信号灯与控制器状态编码表

⑧先用两个逻辑开关代替Q2，Q1，当Q2，Q1分别为00，01，10，11时，6个发光二极管应按设计要求发光，从而完成信号灯译码调试。

⑨将各模块逐个调试，待各单元电路均能正常工作后，将它们连接起来进行。观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装是否发烫等。

⑩如果出现异常现象，应立即关断电源，排除故障后再通电。

【实训总结】

①整理测量数据，填写上述列表，通过实验数据分析交通灯自动切换工作原理。

②简述交通灯电路组装的操作步骤和注意事项。

③填写任务评价表，见表4-16。

表4-16　任务评价表

【相关知识】

一、交通灯系统

位于主干道和支干道的十字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3盏灯组成，绿灯表示允许车辆通行，红灯表示禁止通行，黄灯为过渡灯，表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。

系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号，如图4-11所示。

图4-11　交通灯系统框图

用定时器分别产生3个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”的信号，控制器根据定时器的信号，决定是否进行状态转换。交通灯控制器的控制过程分为4个阶段，对应的输出有4种状态，分别用S0，S1，S2，S3表示。

整个系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器构成。其中，秒脉冲信号发生器由石英晶体振荡器及由14分频器CD4060芯片和1个D触发器共同构成的分频电路组成；定时器由两片异步4位二进制计数器74LS161芯片、3片D触发器及若干与非门、非门、与门共同组成；控制器由3片数据选择器74LS153及两片D触发器芯片构成；译码显示器由10片74LS192、4片译码管驱动芯片7447和4个七段数码管构成。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，译码电路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。控制电路是系统的主要部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作，能够实现交通灯4种状态的自动转换。

二、硬件电路调试要点

在印制板元器件的焊接过程中，对于精密器件的焊接要特别注意，需要一定的技巧。在焊接时，用棉花蘸酒精，通过镊子环绕紧贴在管脚上，使用恒温烙铁，并且调节降低电烙铁的温度，这样可以降低器件的焊接温度，避免因温度过高而损坏芯片。

电路板焊接完毕，接下来就对电路进行调试。调试过程主要步骤如下：

首先，在装上芯片之前，先用万用表测试各个芯片供电以及接地引脚的电压是否正常。当全部正常时，才能装上芯片。对于电路板上带有DC-DC电压转换电路，应先检查电压转换输出是否正常。

其次，调节失调电压，以减小系统的误差。调节失调电压的具体方法是：使输入信号为零，调节调零电位计的电阻，尽可能使芯片的输出为零。当调节到各个芯片的输出为零时，也就达到了调节失调电压的目的。

再次，调试电路各级电路工作是否正常，是否达到预计要求的波形。在调试前级电路时，后级电路的芯片暂时不安上，防止由于前级电路工作不正常，导致后级电路芯片的损坏。

最后，整个电路工作，直接通过示波器观察输出信号波形，长时间运行，以检验系统的稳定性。

50Hz的陷波器应设计成Q值可调的，便于调试。电路通过调节POT01电位计来调节陷波器的Q值，使陷波器对50Hz工频干扰的衰减达到最好的效果，即尽可能使50Hz的峰—峰值趋于零。

调试低通、高通滤波，PGA的放大电路以及OP07射极输出，不断调节PGA放大电路的增益倍数，然后用示波器观察OP07射极输出，看是否符合设计要求。

电路连接完毕之后，观察输入级没有信号输入（即空管）时OP07的输出情况。当有信号输入时，波形开始围绕着零点上下波动，与零输入信号时相比较，50Hz的工频干扰信号的峰—峰值没有发生什么变化，即使长时间工作或者输入信号强的时候，都不会发生阻塞现象，这说明输入极的抗阻塞电路是很有效的。

由调试出来的波形可以看出，电路工作正常，但是当增益调到8000倍时，在粉尘流速较大或通过粉尘浓度较大时就容易出现饱和现象。另外，50Hz工频干扰及其奇次谐波（主要为150Hz）的干扰能够串入系统，由于PGA的放大电路的增益较大，使这些干扰的峰—峰值在电路的输出端过大而出现饱和。这种情况应该从根本上解决，加强屏蔽措施，设计好滤波电路。否则PGA放大倍数不可过大（50Hz干扰易出现饱和），对微弱的有效信号测量将无能为力，也就降低了测量系统的灵敏度。

在调试中出现50Hz及其谐波150Hz的工频干扰信号。断开后级电路，观察本级电路的输入和输出信号，整个电路检查下来往往每级电路输出都有50Hz的干扰信号。分析干扰进入的途径，最后得出结论是由于系统没有接地，或者接上了但是接触不好。因此保证系统接地是整个系统正常工作，不出现50Hz的工频干扰的关键。