1 选题背景 .......................................................... 2 1.1 指导思想 ...................................................... 2 1.2 设计任务 ...................................................... 2 1.2.1 基本部分 .................................................. 2 1.2.2 发挥部分 .................................................. 2 1.3 设计目的 ...................................................... 2 1.4 方案论证 ...................................................... 2 1.4.1 用PIC16F84 单片机制作的方案 .............................. 3 1.4.2 数字逻辑电路控制方案 ...................................... 3 1.5 总体方框图 ................................................... 3 2 分析各部件工作原理，绘制电路图 .................................... 4 2.1 电子锁工作原理 ................................................ 4 2.2 各部件工作原理 ................................................ 7 2.2.1 555时基电路 ............................................. 7 2.2.2 移位寄存器CC4015简要说明 ................................ 8 2.2.3 或非门CC4001 ............................................ 9 3 元器件清单 ....................................................... 10 4 电路调试 ......................................................... 10 4.1 或非门CC4001的调试 .......................................... 11 4.2 NE555的调试 ................................................. 11 4.3 非门74LS04的调试 ............................................ 11 4.4 移位寄存器CC4015的调试 ...................................... 11 4.5 与非门74LS30的调试 .......................................... 12 4.6 二极管和三极管的调试 ......................................... 12 4.6.1 小功率二极管的调试 ....................................... 12 4.6.2 发光二极管的调试 ......................................... 12 4.6.3 三极管的测量 ............................................. 12 4.7 调试中遇到的问题 ............................................. 12 5 结果分析 ......................................................... 13 5.1 电路特点 ..................................................... 13 5.2 电路分析 ..................................................... 13 5.3 存在问题 ..................................................... 13 5.4 功能扩展 ..................................................... 13 6 总结 ............................................................. 13 6.1 电路总结 ..................................................... 13 6.2 心得体会 ..................................................... 14 参考文献 ........................................................... 15
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1选题背景
当代是一个科技快速发展的时代，人们对自己的生活有了越来越高的要求，生活质量的提高，也是我们对自身财产的安全有了更加浓重的保护欲，而传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，使我们的财产以及人身安全有了很大的隐患，这致使我们寻求更好的安全措施。电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的喜爱。而且密码锁的形式多样，有声控密码锁，电子密码锁等，社会上大多使用电子按键密码锁。本设计另辟新路，通过控制一个开关的按下时间长短即可输入密码。 1.1 指导思想
由或非门控制信号，通过两个555单稳态触发器输入脉冲信号，再通过移位寄存器及反相器将脉冲输入，如输入的脉冲信号与密码相同则电路中的相关发光二极管发光，且电子锁打开，如若输错，则灯不亮且锁无法打开。 1.2 设计任务 1.2.1 基本部分
1）密码锁中用反相器和单刀双掷开关组成密码，用NE555组成单稳态电路控制开锁时间，用移位寄存器控制输出密码，启动开锁控制电路，并且用绿灯亮、红灯灭表示开锁状态。
2）从第一个按钮触动后的30秒内若未能将锁打开，则电路自动复位，同时用绿灯灭、红灯亮表示关锁状态。
3）要求性能可靠、操作简便。 1.2.2 发挥部分
1）密码锁控制器中存储的8位密码可以修改 2）开锁信号可以推动机械执行构件 3）其他 1.3设计目的
要求电子器件设计制作密码锁的控制电路，使之在输入正确的代码时，输出信号以启动执行机构动作，并且用红、绿LED指示关锁、开锁状态。 1.4 方案论证
设计本课题时构思了两种方案：一种是用以为PIC16F84核心的单片机控制方案；另一种是用以NE555、双移位寄存器以及反相器构成的数字逻辑电路控
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制方案。
1.4.1 用PIC16F84 单片机制作的方案
该密码锁中的所有元件均为：SMD 表贴封装,采用60mm ×60mm 双面PCB 板,顶层是一体化输入键盘,底层是元件层。该产品体积小巧,可方便地嵌入防盗铁门、保险箱柜中。
PIC 单片机采用RISC 指令集和哈佛总线结构,硬件资源丰富,集成有EEPROM、DAC、PWM 及看门狗电路等,硬件电路设计简单,设计成本低,整机性能高。
PIC16F84 单片机共18 个引脚,13 个可用I/ O 口,1k ×14 的Flash 程序存储器,36×8 的静态RAM 通用寄存器,64 ×8 的EEPROM 的数据存储器,8 级堆栈等。8 位数据线接4 ×4 键盘矩阵电路,A、B、C、D 为备用功能键,RA0 、RA1 输出4 组编码数据,经74LS139 译码后输出逐行扫描信号,送RB4～RB7 列信号输入端。RB2 通过三极管驱动继电器。该密码锁的有效密码长度为4位,根据实际情况,可通过修改源程序增加密码位数。产品初始密码为3345 ,按3号键可修改密码,按# 号键结束。输入密码并按# 号键确认之后,RB2 输出高电平,继电器闭合,执行一次开锁动作。若用户输入的密码正确,扬声器发出一声稍长的“滴”提示声;若输入的密码与上次修改的不符,则发出短促的“滴”声。若连续3 次输入密码错误,程序锁死,扬声器报警,直到CPU 被复位或重新上电。 1.4.2 数字逻辑电路控制方案
密码锁的开锁信号有一系列宽脉冲和窄脉冲组成。IC1a、IC1b组成双稳态除法器；IC2、IC3为NE555双时基集成电路，组成两组单稳态电路；IC4为CC4015双四位串入一并处移位寄存器，在电路中将两组寄存器串接扩展成8位移位寄存。CC4015的输出端Q1A~Q4A，Q1B~Q4B分别经反相器F3~F10、发光二极管、单刀双掷开关K1~K8及与非门74LS30控制三极管的基极。当输入是高电平时，经反相器为低电平，与反相器连接的发光二极管发光，以此判断信号是否输入正确。只有与非门输入为高电平时，LED二极管绿灯亮，且三极管才能导通，使得继电器J吸合，电磁铁D通电，把锁打开；反之，只要与非门输出为低电位，经过反相器LED二极管红灯亮，但三极管为低电平，三极管截止，J不能吸合。开关K1~K8可将IC3输出端信号直接或反相送到三极管基极，以此来设定电子锁的开锁密码。 1.5 总体方框图
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按键输入 显示15s复位
信号传输电路 密码校验电路 自动复位 开锁电路 执行电路 开锁
图1-5 总体方框图
2分析各部件工作原理，绘制电路图
2.1 电子锁工作原理
密码锁的开锁信号有一系列宽脉冲和窄脉冲组成。IC1a、IC1b组成双稳态触发器；IC2、IC3为NE555双时基集成电路，组成两组单稳态电路；IC4为CC4015双四位串入一并处移位寄存器，在电路中将两组寄存器串接扩展成8位移位寄存。CC4015的输出端Q1A~Q4A，Q1B~Q4B分别经反相器F3~F10、单刀双掷开关K1~K8及与非门74LS30控制三极管的基极，只有与非门输入为低电平时，LED二极管绿灯亮，经过反相器变成高电平，三极管导通，使得继电器J吸合，电磁铁D通电，把锁打开；反之，只要与非门输出为高电平，经过反相器LED二极管红灯亮，但三极管为低电平，三极管截止，J不能吸合。开关K1~K8与反相器的输入输出端相接，可将IC3输出端信号直接或反相后将高电平送到与非门，与非门输出为低电平，经反相器为高电平到三极管基极，所以可以改变开关与反相器的连接方式的不同来改变密码。
当按下复合按钮SB时，其常断接点接通，常闭接点断开，IC1a输入端变成高电平，输出低电平，使IC2的2脚和IC3的2脚得到低电平触发，单稳电路IC2、IC3输出端3、3变成高电位，反相器F1输出低电平，使CC4015的复位端RA、RB变为低电平，允许输入并寄存数据。IC3输出端3的高电平时间由R5、C4决定，按图中数据其单稳时间为1.0秒，松开按钮SB。IC1b输入端变成高电平，输出变成低电平，使反相器F2输出上升沿作用在CC4015的触发端9、1脚上，CC4015读入数据，若在1.0秒之内松开SB，IC3的3脚输出的高电平输入到IC4的DA端，使IC4读入“1”，且LED绿灯亮；如在1.0秒之后松开SB，由于单稳已复位，3脚低电平输入到IC4的DA端，使IC4读入“0”，
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并且LED红灯亮。这样，通过控制SB按下的时间长短即可实现密码输入（在1.0秒之内松开SB，密码为1，绿灯亮，红灯灭；在1.0秒之后松开SB，密码为0，红灯亮，绿灯灭），全部8个密码的输入完成后，这8个密码即出现在IC4的8个输出端。IC2单稳时间为30秒，30秒后，IC2输出端3变为低电平。F1输出高电平，使CC4015复位端RA、RB变为高电平，IC4复位，不再接收输入，输出端全部变成低电平。密码全部输入需要按8次SB，并且要保证输入正确，绿灯才能亮，三极管才能导通。本电路中，如果在30秒之内正确输入密码，则绿灯亮，红灯灭，三极管导通，J通电吸合，其常开触点接通电磁铁D的电源，使得门锁打开。该电子锁靠按下SB时间长短来输入密码，并要在1.0秒内完成各位的正确输入，具有很大的难度，因此该电子锁具有很高的保密性。
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74LS04CR120kR220kR3R4300kR5470k16D6LEDR11510K1F3 74LS04F4100kD7LED74LS04VDDCR12510K2R13D8J5VD254310F551084847DACPARARB115CPBVssRVCCVCCR96Q143IC4SB7DISIC2IC3NE555GND7DISTHRCVolt5V6C1TRIGTRIGGNDTHRQNE5552CVolt3674LS04CC4015Q1bQ2bQ3bQ4bDB1312112F6D9LEDR14510K4123474LS04F78IC1-a0.1uCC40015151274LS30R15D10LED510K5D45611128R9电磁铁74LS04IC1-bCC4001BR7200kR8200kC247*2uC30.01uC41*2uC50.01uF1GREEN74LS0474LS04F274LS04F9D12LED74LS04F10R17510K7F8R16D11LED510K6DF1174LS04D5R10SBRED510R615kD13LEDR18510K89018HD1IN4148AATitleSizeNumberRevision 6
510图2-1 电子设计原理图
IN4148Q1aQ2aQ3aQ4aLEDK3IN4148D3
2.2各部件工作原理 2.2.1 555时基电路
延时电路靠的是NE555。555时基集成电路是一种既能产生周期性时钟信号，又能产生具有一定规律时序信号的时基电路。由于他将模拟技术和数字技术巧妙地结合在一起，且具有非常灵活的引出端，故应用十分广泛，是国际上通
用的模拟定时器。
555时基电路的内部包括两个比较器、一个双稳态触发器、一个有三只电阻器构成的分压器、一个放电晶体管和一个功率输出级。555时基电路的型号大致为NE555、LM555、RM555等，这里用的时NE555。
NE555为8脚时基集成电路 各脚主要功能（集成块图在下面） 1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值） 7放电 8电源电压Vcc
下图是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入。左端电路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；右端电路则带有一个RC微分电路。而我们的电路中应用的是1.2.2图中稳态电路形式。
图 2-2-1 NE555时基电路
在本设计中NE555是起延时作用的，延时时间由6、7脚连接的电阻和电容控制的，公式是t=1.1RC。IC2a的延时时间为t=1.1*300K*(47u+47u)=30s，而IC2b的延时时间是t=1.1*470K*(1u+1u)=1s。当无法在30秒之内输入正确的密
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码，电路就会自动复位，而在一秒之内按下按钮，则为密码1，一秒之外则为密码0。
555时基电路损坏后，必然反应在个引脚间电阻值发生变化上，所以用万用表电阻挡将各个引脚间电阻值测出，并对照正常值加以比较，很容易判断其是否良好。测试时应注意，因555电路体积较小，并用手捏住其封装壳体是，不能碰到引脚，负责将对测量阻值产生影响。555电路损坏时，多数表现为输出击穿，所以用万用表电阻挡测量一脚和三脚间的电阻值是否正常，从而做出正确的判断。
2.2.2 移位寄存器CC4015简要说明
CC4015 是由两个相同的、相互独立的4 位并行输出/串行输入寄存器组成，每个寄存器分别有时钟和复位输入及一单串行输入，且有各自的“Q”输出。所有寄存器位均为D 型主从触发器。加在数据输入端的逻辑电平传送至第一寄存器位，在每一分钟上升沿传送到下一位。复位线上的高电平完成所有位的复位。用一片CC4015 封装可将寄存器扩展至8 位，或使用多片CC4015 可获得8 位以上的寄存器。CC4015 提供了16 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。
引出端符号
CPA－CPB 时钟输入端 CRA－CRB 清除端 DA－DB 串行数据输入端 Q1a－Q4a ， Q1b－Q4b 数据输出端 VDD 正电源 Vss 地
推荐工作条件： 电源电压范围 3V～15V 输入电压范围 0V～VDD 工作温度范围 M 类 －55℃～125℃ E 类 －40℃～85℃ 极限值：
电源电压 －0.5V～18V 输入电压 －0.5V~VDD+0.5V 输入电流 ±10mA
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储存稳定 －65℃～150℃ 79614115DACPARARBCPBDBVss16VDDQ1aQ2aQ3aQ4aQ1bQ2bQ3bQ4b543101312112CC4015图 2-2-1 CC4015的引脚 功能表： 图2-2-2 CC4015功能图 CC4015为双四位串入一并输出移位寄存器，在本电路中将两组寄存器串接扩展成8位移位寄存器。输入脉冲作用在CC4015的触发端9、1脚上，CC4015读入数据，待8个密码输完后，8个密码出现在CC4015的8个输出端。IC2单稳态时间为30秒，30秒后CC4015复位端RA、RB变为高电平，CC4015复位不再接收输入输出端全部变为低电平。 2.2.3 或非门CC4001 CC4001 是2输入正向或非门。它有四组相同的或非门电路，为系统使用提供了直接的或非门，所有输入和输出经过缓冲，改善了输入输出传输特性，使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化维持到最小。电源电压、输2入电压和输入电流与CC4001相同。
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图2-2-3 CC4001 2输入四或非门
3 元器件清单
表3-1 元器件列表
电解电容
圆片电容 集成芯片 三极管 二极管 发光二极管 按钮开关 单刀双掷开关 继电器 5V 电阻 元件名称 参数或型号 510 15k 20k 100k 200k 300k 470k 1u 47u 0.01u 0.1u NE555 CC4015 74LS30 74LS04 9018 IN4148 LED 数量 10个 1个 2个 2个 1个 1个 1个 2个 2个 2个 1个 2个 1个 1个 2个 1个 3个 10个 1个 8个 1个
4电路调试
调试中应用的仪器有：万用表、直流电压源
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4.1 或非门CC4001的调试
开关与或非门一起调节。现将万用表打到测量二极管的一端，再用万用表的红黑表笔去接连接两端，若万用表发出滴滴的响声，则线路连接完好，没有断路，也用来测量电路中是否短路。
开关的常闭端与或非门的6脚相连，常开端与或非门的12脚相连。当输入5伏直流电压时，开关打在常闭端时，用万用表的直流电压档测量或非门的6脚和4脚，如若6脚是高电平，4脚是低电平，且11脚也是高电平，则或非门与开关连接正确。开关打到常开端的测法用同一个方法。若结果与预测的不一样，先再次检查电路是否连接正确，是否有断路和短路，若电路没有问题则有可能是器件已坏。 4.2 NE555的调试
先按照电路图将两个NE555安装到电路中，断开与C1的连接，先用万用表检查电路是否连接正确，在通上5V电压，而将万用表打到直流电压量程，黑表笔接地，红表笔接3脚输出端，给NE555的触发端一个触发，因为IC2的延时时间为30秒，让它在触发时间电压发生变化。若NE555电路有问题，则3端的电压始终保持在高电平或低电平，此时就要再检查电路是否连接正确，若电路连接正确，则可能是NE555器件已坏。而IC3的检查方法与IC2一样。如无问题将其与前面的CC4001和电容C1按图连接起来。
再通过按开关和测量两个NE555的输出端电压是否在延迟时间内变化，来检测NE555与前面的电路连接的正确性。 4.3 非门74LS04的调试
本电路中用了两片74LS04非门。先将非门单独连接到电路中，将其7脚接电路低电平，14脚接高电平。再通入电压，给其输入端一个高电平或低电平，用万用表的直流电压档测试其输出端，看电压输出是否与其输入端的电压相反，如果相反则正确，否则此脚已坏。 4.4 移位寄存器CC4015的调试
先将其按照电路电路图连接到电路中，现用万用表测量电路是否连接正确，保证电路中没有短路和断路，检查完毕后，通上正5V直流电压，通过按开关，给移位寄存器输入脉冲，用万用表的直流电压档，黑表笔接地，红表笔接移位寄存器的各个输出端，检查是否有输出电压。若无则先将电路从前往后检查，看是否有短路或断路出现，如果电路没有问题，则将红表笔接到IC2NE555的输出端，按压开关看是否有电压变化，如果没有，则要将前面的调试再由后
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往前调试一遍。如果有电压变化，则前面的电路完好，CC4015器件可能已经损坏。
4.5 与非门74LS30的调试
先将其单独连接到接到电路中，其7脚接低电平，14脚接高电平。使其输入端全部是高电平，用万用表的红表笔测量其输出端应为低电平，而其输入端不接高电平时，其输出端应为高电平。若检测结果与预测的不一样，检查电路没问题，则能使器件已坏。 4.6二极管和三极管的调试 4.6.1 小功率二极管的调试
用红、黑表笔任意测量二极管两引脚间的电阻值，然后交换表笔再测量一次。如果为二极管是好的，两次测量结果必定是一大一小，以组织较小的一次测量为准，黑表笔所接的端为正极，红表笔所接的端为负极。当其接到电路中时，通上电源，再用万用表直流电压档测其两端的电压差，看是否是0.7V，若是则器件完好。 4.6.2 发光二极管的调试
在万用表外部附接一节1.5V干电池，将万用表置R*10或R*100挡。然后用万用表两表笔轮换接触单色发光二极管的两引脚。若二极管性能良好，必定有一次能正常发光，此时，黑表笔所接的为正极，红表笔所接的为负极。若被测发光二极管是坏的，无论怎样交换表笔测量，都不会发光。 4.6.3 三极管的测量
本电路中采用的是NPN型的三极管，将其连接到电路中，正常工作时，发射结E、B间的反向电压为0.7V左右，集电结B、C间的正向电压为一般在2V左右，用万用表的直流电压档进行测量。 4.7 调试中遇到的问题
（1） 无论开关是一秒之内输入还是一秒之外输出，NE555输出始终是高电
平，输出端没有变化，经检测是NE555输入端未连接到C1，而与或非门直接相连了。
（2） 改变开关的置端，密码输入对错对电路没有影响，经检查电路，开关的一端没有连接到非门上。并且有的器件没有连接到电路中，其接高电平的一端开路了。
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（3）在连接电源时，应接电源负极，却接到了地，看电路图不仔细造成的。
5 结果分析
5.1电路特点
从第一个按钮触动后的30秒内若未能将锁打开，则电路自动复位，同时用绿灯灭、红灯亮表示关锁状态。该电子锁靠按下SB时间长短来输入密码，并要在1.0秒内完成各位的正确输入，具有很大的难度，因此该电子锁具有很高的保密性 5.2 电路分析
本电路中，密码电子锁电路只有一只普通按钮进行密码输入开锁，且具有限时功能，如果在30秒之内正确输入密码，则绿灯亮，红灯灭，三极管导通，J通电吸合，其常开触点接通电磁铁D的电源，使得门锁打开。该电子锁靠按下SB时间长短来输入密码，如果在一秒之内按下开关，则通过或非门和NE555对移位寄存器输入高电平，则通过对应的反相器与开关的连接，使与非门输入端为高电平，而在一秒之外按下开关，则给移位寄存器一个低电平，但通过开关与反相器的连接方式的改变，仍使与非门的输入为高电平，而其对应的发光二极管发光，则说明密码输入。但要在1.0秒内完成各位的正确输入具有很大的难度，因此该电子锁具有很高的保密性。通过公式T=1.1*RC来算的复位时间。T1=1.1*300K*(47u+47u)=30s，T2=1.1*470K*（1u+1u）=1s。 5.3 存在问题
（1）本电路中通过开关与反相器来控制密码的设置，可是开关数目繁多，与反相器连接复杂，电路连接不容易，要小心连接。 （2）电路中没有报警电路，无法防止别人恶意开锁。 5.4 功能扩展
可以在电路中添加报警电路。其工作原理是当用户开始输入密码时，电路开
始1分钟的计时，如果输入密码的时间超过30秒，电路开始20秒的报警。蜂鸣器发出报警声音，以示提醒。
6 总结
6.1 电路总结
以上就是我为课程设计所做的电子密码锁电路的设计方案、原理图以及调试部分，它经过多次修改和整理，是一个比较不错的设计，可以满足人们的基
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本要求，但因为水平有限，此电路中也存在一定的问题。其中的密码设置和密码输入电路部分就有好几种设计方法，经过再三考虑，我认为本设计是符合要求的最简设计，也是根据自身的能力有限定出来的方案，只需几个开关就可以，而使用触发器就要比本设计麻烦。延时部分也可以采用其他的设计如CC7556，但是555是我们学过的，比较熟悉，我们就选用了555时基电路中类似的NE555芯片。开锁电路的芯片也是选用的我们数电课程所学过的由或非门CC4001，组成的SR触发器，集成芯片有移位寄存器CC4015，也用到了或非门芯片以及我们熟悉的非门74LS04，与非门 74LS30。本次设计中我们用的或非门是作为触发使用的，与复合按钮连接，通过开关的按动来控制电路中输入的电平高低。而两个NE555是作为单稳态触发器使用的，第一个NE555的延时时间是30秒，用作复位。而第二个NE555的延时时间是1秒，用作控制开关的按键时间，即密码的输入，本课设中的1秒之内按下开关为密码1，1秒之外则为密码0。而用反相器与开关的组合，可以使我们通过拨动开关来改变密码。而且运用发光二极管来显示信号的输入以及密码的正确输入，一目了然，便于观察。 6.2 心得体会
在此次课程设计的过程中，我觉得既锻炼了我们的实际动手能力，也再一次复习了上学期学习的数电知识，对逻辑门逻辑电路，各种基本集成芯片都有了进一步的理解。由简单的抽象理解到实际认知。特别的是使用Protell软件的画原理图使我对它们的功能有了新的认识，也使我们进一步学会了使用该软件，为以后的画图和制造PCB版奠定了良好的基础。而使用Proteus仿真软件使我们更加了解他们的功能，也使我们更加懂得一个设计完成的不易。。通过这次课程设计，我觉得学习像数电这样实用的知识，不仅要掌握书本上的基本内容，还要灵活思考，善于变换，这样才能找到最优设计，达到事半功倍的效果。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
这次设计使我更加懂得了自己所学知识是多么的有限，自己的各个方面都需要再加强。而我们要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践；才能使自己不被社会淘汰。在这次设计中，也要感谢同组的同学的帮助，相互讨论中也使我学习了他们不同的思考方式，训练了我的团队合作能力，使我明白了团体合作是很重要的。
总之，在这次课程设计过程中，我既学习到了数电知识，又学到了许多书本之外宝贵的分析动手能力。与其临渊羡鱼，不如退而结网。这次数电课程设计给我的最大的印象就是如果自己有了兴趣，就动手去做，困难在你的勇气和毅力下是抬不了头的。
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参考文献
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【3】何杜成、袁跃进.电机-光电显示-改进应用电路.山东科学技术出版社.2003
【4】韩东法、张玲.电路实验指导书.陕西科技大学教务处.2007 【5】杨刚、周群.电子系统设计与实践.电子工业出版社.2004
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