電子電路課程設(shè)計--正弦波發(fā)生及頻率顯示電路設(shè)計

1、<p><b>　　本科生課程設(shè)計報告</b></p><p>　　題目：正弦波發(fā)生及頻率顯示電路設(shè)計</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計課題………………………………………… 3</p><p>　　設(shè)計任務(wù)和技術(shù)要求 ……………………………3</p&

2、gt;<p>　　設(shè)計方案 …………………………………………3</p><p>　　電路的工作原理分析與仿真 ……………………4</p><p>　　4.1 局部電路的設(shè)計與分析………………………………4</p><p>　　4.2 總電路圖 …………………………………………12</p><p>　　4.3 仿真電路 ………

3、…………………………………13</p><p>　　電路的調(diào)試與測量 ……………………………13</p><p>　　5.1 調(diào)試內(nèi)容及步驟 ……………………………………13</p><p>　　5.2 調(diào)試成功后的實(shí)物圖展示………………………………13</p><p>　　5.3 調(diào)試中存在的問題及其解決方法……………………14</

4、p><p>　　課程設(shè)計的收獲與體會 ………………………14</p><p>　　附錄 ……………………………………………15</p><p>　　7.1 所需器件清單………………………………………15</p><p>　　7.2 面包板………………………………………………15</p><p>　　7.3 有關(guān)器件的引

5、腳圖示 ………………………………16</p><p>　　7.4 總電路的設(shè)計圖紙………………………………………17</p><p>　　設(shè)計課題：正弦波發(fā)生及頻率顯示電路的設(shè)計</p><p>　　設(shè)計任務(wù)及技術(shù)要求：</p><p>　　1、正弦波能變換成方波，波形失真較小；5V電源電路能提供5V左右電壓；</p><

6、p>　　2、測量范圍為1~999nF；</p><p>　　3、數(shù)碼管能正確顯示測量結(jié)果；具有超量程指示；</p><p>　　4、能自動地進(jìn)行連續(xù)測量，測量周期為4s，測量結(jié)果保持2s左右。</p><p><b>　　三、設(shè)計方案</b></p><p>　　圖1 總電路的組成框圖</p>&

7、lt;p>　　圖2 總電路圖的設(shè)計</p><p>　　正弦波發(fā)生及頻率顯示電路的框圖如圖1所示，它由正弦波振蕩器及波形變換電路、5V電源電路、單穩(wěn)態(tài)定時電路、計數(shù)器、譯碼顯示電路、超量程指示電路和控制電路七部分組成。</p><p>　　1、正弦波發(fā)生及波形變換電路是由RC橋式正弦波振蕩電路和電壓比較器組合而成的。</p><p>　　2、5V電源電路是

8、主要利用三極管特性與運(yùn)算放大器組合制作的。</p><p>　　3、1s定時電路是利用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來定時。</p><p>　　4、計數(shù)器設(shè)計為三位十進(jìn)制計數(shù)器，采用MC14553三位BCD加法計數(shù)器。</p><p>　　5、顯示譯碼電路選用CD4511顯示譯碼器，利用三極管驅(qū)動數(shù)碼管，把計數(shù)器計到的脈沖數(shù)用十進(jìn)制數(shù)字顯示出來。</p>

9、<p>　　6、超量程指示電路是由或非門構(gòu)成的一個基本RS觸發(fā)器。</p><p>　　7、控制電路實(shí)際上是一低頻信號發(fā)生器，根據(jù)數(shù)字式電容計的工作原理來設(shè)計，采用CD4001芯片。</p><p>　　四、電路的工作原理分析與仿真</p><p>　　1、局部電路的設(shè)計與分析</p><p>　　(1) 正弦波發(fā)生及波形變換電

10、路</p><p>　　圖3 正弦波發(fā)生及波形變換仿真電路</p><p>　　RC橋式正弦波振蕩電路以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻率穩(wěn)定、帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電壓失真小等優(yōu)點(diǎn)。波形變換電路用電壓比較器來實(shí)現(xiàn)正弦波到方波的變換。</p><p>　　電路要產(chǎn)生正弦波需滿足起振條件和幅值條件Au=(1+Rf/R1)

11、 >=3，即Rf >= 2R1=4kΩ，調(diào)節(jié)電位器Rf使之略大于4kΩ；RC橋式電路中應(yīng)調(diào)節(jié)電位器R2，使R2=R=10kΩ。</p><p>　　圖4 正弦波發(fā)生及波形變化電路的仿真結(jié)果</p><p>　　(2) 5V電源電路</p><p>　　圖5 5V電源電路的仿真結(jié)果</p><p>　　5V電源電路主要有運(yùn)算放大

12、器、晶體管組成，為后續(xù)各部分電路提供5V電源。(3) 單穩(wěn)態(tài)定時電路</p><p>　　圖6 1s定時電路</p><p>　　用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)定時電路，有Tw=1.1RC=1.1*0.47*2=1.034≈1s，式中R和C為定式電阻和電容。</p><p>　　在電路中加入由Cr和R1組成的微分電路，這樣單穩(wěn)態(tài)電路只要靠輸入的下降沿觸發(fā)?？紤]到定

13、時精度和測量速度，取R1=91kΩ。</p><p><b>　　(4) 計數(shù)電路</b></p><p>　　(a) 計數(shù)器的選用 計數(shù)器采用MC14553，它是三位BCD加法計數(shù)器，集成電路的引腳排列圖和功能表如圖7和表1所示。</p><p>　　圖7 MC14553引腳圖</p><p>　　表1 M

14、C14553功能表</p><p>　　(b) MC14553功能說明 MC14553邏輯結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，MC14553集成電路由三個同步級聯(lián)的下降沿觸發(fā)的BCD計數(shù)器、三個鎖存器以及分配鎖存器的多路傳輸器組成。此外，還有時鐘輸入端的整形電路，分配多路傳輸器的時序掃描電路和振蕩電路，以及用于顯示控制的數(shù)據(jù)選擇輸出DS1、DS2、DS3組成。</p><p>　　圖8 MC1

15、4553邏輯結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖8中，振蕩器提供多路數(shù)據(jù)選擇器的低頻掃描時鐘脈沖，振蕩器的振蕩頻率取決于連接在引出端③和④之間的外接電容C1的大小，若需外部時鐘，也可以從引出端④處引入。振蕩器產(chǎn)出的掃描時鐘信號與三個為選擇輸出信號的時序關(guān)系見圖9所示。 </p><p>　　

16、圖9 掃描時鐘信號與位選擇</p><p>　　在復(fù)位端“R”上施加“1”電平時，復(fù)位信號同時作用于BCD計數(shù)器、振蕩器和多路掃描電路，使得掃描電路處在初始狀態(tài)，掃描振蕩器禁止振蕩，同時置所有的三個位選擇輸出DS1~DS3為“1”電平，從而不允許顯示。</p><p>　　當(dāng)時鐘禁止端“1NH”為“1”時，禁止時鐘脈沖“CL"輸入BCD計數(shù)器，計數(shù)器保存禁止前的最后計數(shù)狀態(tài)。輸

17、入端得脈沖整形電路允許輸入上升時間或下降時間很緩慢的信號輸入計數(shù)器并可靠的工作。</p><p>　　當(dāng)鎖存器的鎖存允許端“LE”為“1”時，鎖存器呈鎖存狀態(tài)，保持原有鎖存器內(nèi)的信息。這時BCD計數(shù)器即使施加復(fù)位信號，鎖存器仍然保持原有信息。若需將鎖存器內(nèi)的信息清除鎖存器“LE”端加“0”電平。</p><p>　　MC14533電路還提供了一個溢出輸出端“OF”，計數(shù)器每逢輸入第1000

18、個時鐘脈沖的上升沿時，一處端“OF”輸出一個完整的脈沖。該脈沖結(jié)束于上述條件下輸入時鐘的下降沿。</p><p>　　(c) 計數(shù)器電路的連接 根據(jù)C-T轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換期間的輸出時高電平，以及要用來控制計數(shù)器計數(shù)?？蓮谋?有灰色的三行中看出，將C-T轉(zhuǎn)換電路的輸出加到“CL”端，即使脈沖從“INH”端引入。計數(shù)器其他電路的連接電路如圖11所示。</p><p>　　(5) 顯示譯碼電

19、路的設(shè)計</p><p>　　(a) 顯示譯碼器的選用 顯示譯碼器選用CD4511,CD4511是BCD七段鎖存/譯碼器/驅(qū)動器，其引腳排列圖和功能表分別如圖10和表2所示。</p><p>　　圖10 CD4511引腳圖</p><p>　　表2 CD4511功能表</p><p>　　CD4511具有內(nèi)部抑制非BCD碼輸入的電

20、路，當(dāng)輸入為非BCD碼時，譯碼器的七個輸出端全為“0”電平，顯示器暗（又稱為消隱）。</p><p>　　在MC14511的輸入端有四位鎖存器，LE為選通端，當(dāng)LE為“0”電平時允許BCD碼輸入端；當(dāng)LE為“1”電平時鎖存。MC14511每段的輸出驅(qū)動電流可達(dá)25mA，因此在驅(qū)動LED做管時要加限流電阻。</p><p>　　(b) 顯示譯碼電路 計數(shù)和譯碼顯示電路如圖11所示，其中顯

21、示譯碼電路為掃描顯示電路（也稱為動態(tài)顯示電路）。掃描顯示的基本原理是利用人眼的視覺惰性和發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)。在圖10中，在MC14553輸出個位的BCD碼時，DS1=0，個位的數(shù)碼管在V1的驅(qū)動下，顯示個位的數(shù)字，在這期間DS2與DS3均為1，V2,V3截止，十位和百位的數(shù)碼管上沒有顯示。接著，輸出十位的BCD時，DS2=0，只顯示十位的數(shù)字。然后當(dāng)DS3=0時顯示百位的數(shù)字。再顯示個位的數(shù)字……,就這樣有周期性地掃描。當(dāng)掃描頻率較高

22、時，我們看到的是三位穩(wěn)定的顯示數(shù)字。在該電路中，由C1決定掃描，故C1不能取得太大，不然數(shù)碼管的顯示會出現(xiàn)閃爍。</p><p>　　圖11 計數(shù)和顯示譯碼電路</p><p>　　(c) 限流電阻的選取 顯示譯碼電路中的限流電阻、三極管的基極電阻和三級管的計算與選擇可按圖11所示的方法進(jìn)行。設(shè)圖中的三極管V工作在放大區(qū)，|VCE|=2V,則</p><p>

23、　　實(shí)際的顯示譯碼電路中，一個三極管要驅(qū)動一只數(shù)碼管，即要驅(qū)動七只發(fā)光二極管，而且在掃描顯示中，數(shù)碼管的每段電流要大一些。設(shè)每段電流為15mV，基極電流由MC14553的輸出驅(qū)動電流限制，設(shè)為1.3mV。這樣，可算得R=133，取130，Rb=1k,β=15*7/1.3≈80，在這里，選用的三極管的β值要大于80，ICM要大于105mA。</p><p>　　圖12 譯碼電路元器件參數(shù)計算示意圖</p&g

24、t;<p>　　(6) 超量程指示電路的設(shè)計</p><p>　　超量程指示電路如圖12所示。圖中由或非門構(gòu)成的是一個基本的RS觸發(fā)器，當(dāng)MC14553在計數(shù)到1000個脈沖時，“OF”端會輸出一個正脈沖，RS觸發(fā)器Q置1，LED亮，表示被測電容已超過999nF，這時的顯示器讀數(shù)已不再是被測電容的容量。在復(fù)位信號的作用下，Q端置0，等待下一次測量。</p><p>　　圖13

25、 超量程指示電路</p><p>　　圖14 控制電路</p><p>　　(7) 控制電路的設(shè)計</p><p>　　根據(jù)數(shù)字式電容計的工作原理，控制電路實(shí)際上是一低頻信號發(fā)生器，振蕩周期為4秒，它的精度和穩(wěn)定度要求不高。因此，可用圖13所示的電路來構(gòu)成。</p><p>　　振蕩電路中在Rs=R的條件下，振蕩周期的估計式為T≈1.

26、8RC，即有1.8RC=4s,取C=0.1uF，則R取22MΩ。</p><p>　　由于MC14552在高電平清零時，位選擇輸出端DS1~DS3都是1，將便顯示器消隱如果清零信號的高電平持續(xù)時間較長，會看到消隱現(xiàn)象。為避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，控制電路中通過Cr和Rr組成的微分電路把清零信號加到計數(shù)器清零端。這樣，計數(shù)器只是靠清零信號的上升沿清零，即使清零的高電平持續(xù)很短，靠人眼的視覺惰性，就不會覺察到有消隱現(xiàn)象。&l

27、t;/p><p><b>　　2. 總電路圖</b></p><p>　　圖15 總電路的仿真結(jié)果</p><p>　　3、各個電路及總電路的仿真結(jié)果已包含在以上分析的結(jié)果中，分別見圖3、圖4、圖5、圖6、圖12、圖15。</p><p><b>　　電路的調(diào)試與測量</b></p>&

28、lt;p>　　1、調(diào)試內(nèi)容及步驟：</p><p>　　(1) 測正弦波發(fā)生及波形變換電路，用示波器觀察正弦波與方波的產(chǎn)生：先測量RC橋式正弦波正當(dāng)電路的輸出端，調(diào)節(jié)50kΩ電位器直至觀察到正弦波；再測量Uoa，調(diào)試使之產(chǎn)生方波；</p><p>　　(2) 測5V電源電路：用萬用表測三極管發(fā)射極與GND之間的電壓，5V左右即為正常；</p><p>　　(3

29、) 測555構(gòu)成的定時電路：測輸出電平Uob，T=4s，1s高電平，3s低電平周期循環(huán)；</p><p>　　(4) 檢查MC14553、CD4511、CD4001M、MC14511等有無接錯的地方；</p><p>　　(5) 最后接通電源，各部分電路運(yùn)作正常，成功地完成了實(shí)驗(yàn)；</p><p>　　(6) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，拆面包板，整理回收為損壞的器件。</p

30、><p>　　2、以下為調(diào)試成功后的實(shí)物圖：</p><p>　　圖16 正弦波的發(fā)生圖17 成功顯示的方波</p><p>　　圖 18 成功顯示的面包板接線圖</p><p>　　3、調(diào)試中存在的問題及其解決方法：</p><p>　　(1) 電路不產(chǎn)生正弦波，741芯片發(fā)熱：電路中存在管腳短接現(xiàn)象，電位器

31、壞了，不能調(diào)節(jié)；用萬用表逐個查找短路的地方；</p><p>　　(2) 正弦波失真嚴(yán)重，調(diào)試；</p><p>　　(3) 5V電源電路輸出電壓有2V多，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，電阻的選用不當(dāng)。</p><p>　　課程設(shè)計的收獲與體會</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，我收獲了更多的知識和經(jīng)驗(yàn)，使得我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識，掌握了常用元件的識

32、別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；加深了對電路的分析能力，學(xué)會了面包板上熟練的連接電子電路及安裝與調(diào)試；同時讓我懂得了無論做任何工作都要具有良好的心理素質(zhì)與專業(yè)素質(zhì)。作為工科學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合是必不可少的能力，這次親身體驗(yàn)使我意識到一個元器件甚至一根導(dǎo)線的接錯，都會影響整個實(shí)驗(yàn)的成敗與否，為以后的繼續(xù)學(xué)習(xí)積累了一筆寶貴的財富。</p><p>　　此次實(shí)驗(yàn)暴露出我們在理論學(xué)習(xí)中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂

33、狀態(tài)，只知其一不知其二。實(shí)驗(yàn)中我們遇到很多問題，比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。這時團(tuán)結(jié)合作的重要性便體現(xiàn)出來，往往自己的錯誤自己是檢查不出來的。兩個人相互配合，錯誤才得以被找出解決。還有一點(diǎn)意外的收獲就是在完成報告的時候，大量的公式使我徹底地掌握了word當(dāng)中公式編輯器的使用。雖然這對于理工科學(xué)生是必要的基本功，但之前很少在報告中引用公式，這回算是完全掌握了?？傊@次的課題設(shè)計讓我收獲頗多。</p><p&

34、gt;<b>　　七、附錄</b></p><p>　　所用的相關(guān)器件清單：</p><p><b>　　2、面包板</b></p><p>　　面包板（集成電路實(shí)驗(yàn)板）是電路實(shí)驗(yàn)中一種常用的具有多孔插座的插件板，可以根據(jù)電路連接要求，在相應(yīng)孔內(nèi)插入電子元器件的引腳以及導(dǎo)線等，使其與孔內(nèi)彈性接觸簧片接觸，由此連接成所需的實(shí)