数电实验指导书 - 八、模数转换（基于并行比较原理）与 555定时器（实现单稳态触发器）

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实验要求

1. 用并行比较型ADC的7个D触发器输出端直接控制7个LED亮灭，通过观察LED灯的亮灭验证7个比较器的输出是否正确；（基础实验1）
2. 将并行比较型ADC的7个D触发器的输出结果进行编码，用编码结果控制数码管显示0-->1-->2-->...-->7 ；（提高实验1）
3. 用555定时器实现单稳态电路，实现类似于“楼道灯”的控制效果。（基础实验2）

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实验内容

8.1 基于并行比较原理的模数转换

本实验的整体关系图

实验八-整体关系图.png

需要先知道的那些事儿

8.1.1 模数转换（ADC）的意思是：你先输入一个模拟量，然后AD转换器将你给的模拟量转变成一个数字量并输出;

数电实验箱通过旋转一个电位器产生变化的模拟电压量，需要你们用导线把这个模拟电压量传入到并行转换ADC的模拟量接收端，见下图所示：

图片16.png

8.1.2 并行比较型的ADC的工作原理是：用一把电压刻度尺去测量你输入的模拟电压量。

相当于用带刻度的尺子测量你的身高

8.1.3 理论上，一个完整的并行比较型ADC电路，其连接方式应该是这样的：

图片2.png

8.1.4 然而，数电开发箱上只实现了其中的一部分电路，如下所示：

图片1.png

注意：分压电路的参考电压“F_AD_CS”可能还没有电，需要适当控制，把5V电源电压传给给“F_AD_CS”，为电路供电。相关电路后面说明。

8.1.5 比较8.1.3 和8.1.4，可以知道现有电路缺了哪部分，把缺失的电路连接完整即可;

你要完成的第一件事

8.1.6 经过8.1.5的比较和分析，我们要补充的分为两部分。第一部分是加7个D触发器对应接收存储7个比较器的输出，第二部分是在7个D触发器输出的基础上加一个编码电路（进而用编码电路的输出控制数码管显示）；

8.1.7 要做的第一件事就是先加7个D触发器，然后给7个D触发器的输出先分别接上LED灯，通过7个LED的变化验证D触发器的输出是正确的（进而证明7个比较器的输出是正确的）；

8.1.8 7个D触发器的参考电路如下图所示：

图片3-new.png

注意：分压电路的参考电压 F_AD_CS 可能还没有电，需要适当控制，把5V电源电压传给给 F_AD_CS ，相关电路如下：

图片4.png

图片5.png

需要实现的电路非常简单：

图片6.png

这个接法你能看懂吗？
分析过程如下：

• 如果希望F_AD_CS有电，它需要和+5V电压导通；
• 如果希望F_AD_CS和+5V电压导通，需要场效应管Q12的栅极F_AD_CS得到低电平；
• 如果希望F_AD_CS得到低电平，根据电路连接关系，需要U9（它是74138,3-8译码器哦）的/Y3引脚输出低电平；
• 如果希望U9的/Y3引脚输出低电平，U9的译码输入端ADDR_SEL2，ADDR_SEL1,，ADDR_SEL0 需要获得电平状态为低高高，即：011

(实验八的“基础实验1”到此完）

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你要完成的第二件事

8.1.9 在验证7个D触发器输出都正确的情况下，下一步就是加编码电路。
8.1.10 编码电路的输入和输出应该满足下面真值表的对应关系：

图片7.png

8.1.11 根据真值表写出表达式如下：

图片8-更正v2.png

你能自己写出这个表达式吗？

8.1.12 根据表达式画出编码电路的电路图：

图片9-更正v2.png

8.1.13 用编码电路的输出接7447的输入，控制数码管显示0，1，.... ，7

图片10.png

(实验八的“提高实验1”到此完）

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8.2 555定时器

本实验的整体关系图

实验八-整体关系图2.png

需要先知道的那些事儿

8.2.1 555定时器的有三种主要用法（请问是哪三种？），本次实验要求大家实现其中的一种。即，单稳态触发器
8.2.2 理论上，555定时器完整的电路图是这样的：

图片11.png

8.2.3 实际上，在我们的数电开发箱上已经实现的电路是这样的：

图片12.png

注意：

1. 该555定时器的外部电路已经按照单稳态电路的连接方式事先连接好了，缺失的是555定时器内部的部分电路；
2. 这个图有两个引脚的标号标反了，你发现了吗？

8.2.4 比较8.2.2和8.2.3，分析哪些部分是缺失的，出现缺失的部分就是需要你用FPGA帮助补全的。

你要做的第一件事儿

8.2.5 经过分析8.2.4的分析，可知：缺少的部分主要包括一个SR触发器（主要由两个与非门组成），一个两输入与非门（实际做实验时，如果不需要加复位引脚，那这个与非门可以用非门代替），一个非门（实际做实验时，这个非门可以不接，只是逻辑上差个反变量而已）。缺失的电路如下：

图片13.png

8.2.6 经过8.2.5的分析，并作适当简化（见8.2.5的相关描述），我们需要通过FPGA为8.2.3的电路补充如下电路：

图片14.png

8.2.7 在8.2.6的VGA_G引脚接LED灯（按照555定时器完整的结构，应该先接一个非门，再接LED灯），然后用手触摸金属触盘（即，给555定时器的2号引脚输入一个下降沿），会观察到如下现象：
LED灯从稳态跳跃到暂稳态，过一段时间自动再返回稳态。

金属触盘的位置如下图所示：

图片15.png

(实验八的“基础实验2”到此完）

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（全文完）