電子課程設計 ——多功能數(shù)字頻率計的設計

1、<p><b>　　任務書</b></p><p><b>　　Ⅰ 設計題目</b></p><p>　　中文：多功能數(shù)字頻率計的設計</p><p>　　英文：Design of Multi-function Digital Frequency Meter</p><p><b&

2、gt;　?、?設計功能要求</b></p><p>　　1、能正確顯示輸入信號頻率；</p><p>　　2、測量頻率范圍為1Hz ~ 999999Hz；</p><p>　　3、測量結果以十進制數(shù)字顯示；</p><p>　　4、能測量幅值較小的信號頻率；</p><p>　　5、有自動刷新輸出數(shù)據(jù)的功

3、能（如5s刷新一次）；</p><p>　　6、有自檢模塊（如產(chǎn)生100Hz的校準方波）；</p><p>　　7、增加其他拓展模塊（如增加脈搏傳感器使之具有脈搏計數(shù)功能）。</p><p><b>　　Ⅲ 設計任務內(nèi)容</b></p><p>　　1、學習與研究相關的《電子技術》理論知識，查閱資料，拿出可行的設計方案

4、；</p><p>　　2、根據(jù)設計方案進行電路設計，完成電路參數(shù)計算、元器件選型、繪制電路原理圖；</p><p>　　3、進行電路軟件仿真（如：Multisim10、Protues7.5、Protel99SE等），或制作實物進行調試實驗，獲得實驗數(shù)據(jù)，驗證設計有效性。</p><p>　　4、撰寫課程設計報告。</p><p>　　簽名

5、 </p><p>　　多功能數(shù)字頻率計的設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　為了提高運用電子技術基本知識進行理論設計、實踐創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)獨立工作、團隊合作的意識，學會閱讀相關科技文獻，查找器件手冊與相關參數(shù)，整理總結設計報告，并學習計算機輔助設計EDA軟件Prote

6、l99 SE和Multisim 10的使用，通過設計一個數(shù)字頻率計，學會合理的利用電子器件完成基于模擬電路和數(shù)字電路的課程設計與制作。本次設計的多功能數(shù)字頻率計是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號、方波信號、三角波信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量的頻率。</p><p>　　本設計中使用的是直接測頻法，即利用計數(shù)器直接測量1S內(nèi)輸入信號周期的個數(shù)并通過延時電路使其在數(shù)

7、碼管上顯示一定的時間。本設計共分八個單元模塊：被測信號通過放大模塊和整形模塊整形為幅值較大的方波信號并送入計數(shù)模塊，同時秒信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生高精度的秒信號送入閘門控制模塊以控制計數(shù)器的計數(shù)和復位時間，最終通過譯碼顯示模塊顯示出結果。另外還有校準頻率計的校準信號模塊和給系統(tǒng)提供能量的電源模塊。</p><p>　　電路設計完成后，將各單元電路分別送入Multisim10中仿真，得出結果和理論分析完全吻合，最終驗證設計

8、方案有效。</p><p>　　關鍵詞：數(shù)字頻率計；測頻法；數(shù)字顯示；仿真</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p><p>　　第1章 總體方案設計2</p><p>　　1.1 系統(tǒng)原理框圖2&l

9、t;/p><p>　　1.2 各單元電路介紹2</p><p>　　第2章 單元模塊電路的設計4</p><p>　　2.1 放大電路4</p><p>　　2.2 整形電路5</p><p>　　2.3 秒信號產(chǎn)生電路6</p><p>　　2.4 閘門控制電路8</

10、p><p>　　2.5 計數(shù)電路10</p><p>　　2.6 譯碼顯示電路12</p><p>　　2.7 校準信號電路15</p><p>　　2.8 直流穩(wěn)壓電源電路16</p><p>　　第3章 電路的仿真18</p><p>　　3.1 放大電路18</p

11、><p>　　3.2 整形電路18</p><p>　　3.3 秒信號產(chǎn)生電路19</p><p>　　3.4 閘門控制電路20</p><p>　　3.5 計數(shù)譯碼顯示電路20</p><p>　　3.6 校準信號電路21</p><p>　　3.7 直流穩(wěn)壓電路22<

12、;/p><p>　　3.8 總電路23</p><p><b>　　結 論25</b></p><p><b>　　致 謝26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p>　　附錄A 電路原理總圖28<

13、;/p><p>　　附錄B 元器件列表29</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　在電子測量技術中，頻率是一個最基本的參量，對適應晶體振蕩器、各種信號發(fā)生器、倍頻和分頻電路的輸出信號的頻率測量，廣播、電視、電訊、微電子技術等現(xiàn)代科學領域。因此，數(shù)字頻率計是一種應用很廣泛的儀器。</p><p&g

14、t;　　數(shù)字頻率計(DFM)是電子測量與儀表技術最基礎的電子儀表類別之一, 數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領域不可缺少的測量儀器，而且它是數(shù)字電壓表(DVM)必不可少的部件。當今數(shù)字頻率計不僅是作為電壓表、計算機、天線電廣播通訊設備、工藝過程自動化裝置。多種儀表儀器與家庭電器等許多電子產(chǎn)品中的數(shù)據(jù)信息輸出顯示器映入人們眼簾。集成數(shù)字頻率計由于所用元件少、投資少,體積小,功耗低,且可靠性高,功能強,易于設計和研發(fā),使得它

15、具有技術上的實用性和應用的廣泛性。不論從我們用的彩色電視機、電冰箱，DVD，還有我們現(xiàn)在家庭常用到的數(shù)字電壓表數(shù)字萬用表等等都包含有頻率計。現(xiàn)在頻率計已是向數(shù)字智能方向發(fā)展，即可以很精確的讀數(shù)也精巧易于控制。數(shù)字頻率計已是現(xiàn)在頻率計發(fā)展的方向,它不僅可以很方便的讀數(shù),而且還可以使頻率的測量范圍和測量準確度上都比模擬先進.而且頻率計的使用已是很多的方面,數(shù)字衛(wèi)星、數(shù)字通訊等高科技的領域都有應用。</p><p>　

16、　數(shù)字式頻率計的測量原理有兩類：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法即測周期法，如周期測頻法。根據(jù)本設計要求的性能與技術指標，首先需要確定能滿足這些指標的頻率測量方法。由上述頻率測量原理與方法的討論可知，計時法適合于對低頻信號的測量，而計數(shù)法則適合于對較高頻信號的測量。但由于用計時法所獲得的信號周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運算才能得到信號頻率，而求倒數(shù)運算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路較難實現(xiàn)，因此，計時法不適合本

17、設計要求。測頻法的測量誤差與信號頻率成反比，信號頻率越低，測量誤差就越大，信號頻率越高，其誤差就越小。并且用測頻法所獲得的測量數(shù)據(jù)，在閘門時間為一秒時，不需要進行任何換算，計數(shù)器所計數(shù)據(jù)就是信號頻率。綜上所述，本實驗所用的頻率測量方法是測頻法。</p><p>　　第1章 總體方案設計</p><p>　　1.1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　根據(jù)設計要求，

18、畫出電路整體框圖如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 數(shù)字頻率計原理框圖</p><p>　　1.2 各單元電路介紹</p><p>　　1.2.1 放大電路</p><p>　　由于頻率計要求能測量各種各樣的輸入信號，因此加入放大電路，用于將幅值較小的信號放大到能被計數(shù)器識別的幅值較大的同頻率信號以便被計數(shù)器識別。</p

19、><p>　　1.2.2 整形電路</p><p>　　整形電路用于將放大電路的放大信號變形為邊沿陡直的計數(shù)器易于識別的同頻率脈沖方波。</p><p>　　1.2.3 秒信號產(chǎn)生電路</p><p>　　秒信號產(chǎn)生電路可以產(chǎn)生精確的秒脈沖，此信號周期為1s，用于輸出到閘門控制電路中，負責計數(shù)、保持數(shù)碼管中的顯示結果、自動復位和循環(huán)。<

20、/p><p>　　1.2.4 閘門控制電路</p><p>　　閘門控制電路是電路的控制部分，從秒信號產(chǎn)生電路中獲取秒脈沖，從而控制計數(shù)器中的計數(shù)端和清零端，時系統(tǒng)能夠正確顯示出輸入信號的頻率，并以一定時間間隔循環(huán)運行。</p><p>　　1.2.5 計數(shù)電路</p><p>　　計數(shù)電路從放大整形電路中獲取輸入信號，從閘門控制電路獲取計數(shù)

21、通斷的1s時間間隔和清零信號，使之能夠準確輸出被測信號在1s內(nèi)循環(huán)的次數(shù)即被測信號的頻率，并將其在顯示電路中顯示出來。</p><p>　　1.2.6 譯碼顯示電路</p><p>　　譯碼顯示電路用于將計數(shù)電路的輸出信號譯碼成為數(shù)碼顯示管所需的信號，是數(shù)碼管能正確顯示出所需數(shù)字。</p><p>　　1.2.7 校準信號電路</p><p&

22、gt;　　校準信號電路產(chǎn)生精準的50Hz方波，用于頻率計的測試和秒信號產(chǎn)生電路的校準，使頻率計的顯示結果更準確。</p><p>　　1.2.8 直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源框圖中的電源采用 50Hz 的交流市電。市電被降壓、整流、穩(wěn)壓后為整個系統(tǒng)提供直流電源。系統(tǒng)對電源的要求不高，可以采用串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路來實現(xiàn)。 </p><p>　　第2章

23、 單元模塊電路的設計</p><p><b>　　2.1 放大電路</b></p><p>　　2.1.1 原理圖</p><p>　　圖2-1 放大電路原理圖</p><p>　　2.1.2 主要元器件介紹</p><p>　　LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。

24、與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；

25、Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。其引腳圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 LM324引腳圖</p><p>　　2.1.3 電路原理分析</p><p>　　此電路是將兩個反相比例運算電路串聯(lián)起來達到較高放大倍數(shù)的目的。</p><p>　　由原理圖及反相比例運算電路的特點，有<

26、/p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　從而Uo1= -10Ui，同理Uo=-10Uo1。于是Uo=100Ui，即輸入信號Ui經(jīng)過兩級放大之后幅值增加了100倍。足以將50mV的輸入信號放大到整形電路所需的5V。</p><p>　　另外，電路中補償電阻R6和R3的取值應該滿足</p><p>&l

27、t;b>　　（2.2）</b></p><p>　　從而R6=R3=1000/110=9.1kΩ。</p><p><b>　　2.2 整形電路</b></p><p>　　2.2.1 原理圖</p><p>　　圖2-3 整形電路原理圖</p><p>　　2.2.2 主

28、要元器件介紹</p><p>　　此電路的主要元器件事TTL集成施密特觸發(fā)器74LS14。</p><p>　　圖2-4所示是TTL集成施密特觸發(fā)器74LS14外引線功能圖。 TTL施密特觸發(fā)與非門和緩沖器具有以下特點：</p><p>　?。?）輸入信號邊沿的變化即使非常緩慢，電路也能正常工作。</p><p>　?。?）對于閾值電壓和滯回

29、電壓均有溫度補償。</p><p>　　（3）帶負載能力和抗干擾能力都很強。</p><p>　　表2-1 74LS14主要參數(shù) 圖2-4 74LS14引腳圖 </p><p>　　2.2.3 電路原理分析</p>&l

30、t;p>　　此電路利用施密特觸發(fā)器74LS14，把幅值較大的或者不規(guī)則的輸入信號整形成為矩形脈沖以利于送入計數(shù)器。其工作原理如圖2-4所示</p><p>　　圖2-5 施密特觸發(fā)器整形原理圖</p><p>　　當輸入信號Ui> VT+時，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，當Ui< VT－時，輸出由低電平轉變?yōu)楦唠娖?，最終使輸入信號整形成為同頻率反相位的方波，加入非門CD4009

31、之后，輸出相位最終與輸入相位相同。</p><p>　　2.3 秒信號產(chǎn)生電路</p><p>　　2.3.1 原理圖</p><p>　　圖2-6 秒信號產(chǎn)生電路原理圖</p><p>　　2.3.2 主要元器件介紹</p><p>　　555定時器是一種功能強大的模擬數(shù)字混合集成電路，應用十分廣泛,它由TTL

32、集成定時電路和CMOS集成定時電路,這二者功能完全相同,不同之處是:TTL集成定時電路的驅動能力比CMOS集成定時電路大。555集成定時器內(nèi)部邏輯電路、外引線排列及邏輯功能表如下：</p><p>　　圖2-8 NE555外部引腳圖</p><p>　　圖2-7 555定時器內(nèi)部邏輯圖</p><p>　　表2-2 555集成定時器的功能表</p>

33、<p>　　2.3.3 電路原理分析</p><p>　　當555定時器按照圖2-6所示連接時，可組成多諧振蕩器。</p><p>　　、、為外部電阻和電容元件。由波形圖可見，電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電容在和之間充電和放電。期間，電源通過、向充電，可求得</p><p><b>　　(2.3)</b></p>

34、<p>　　期間通過經(jīng)放電端放電，可求得</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　因此，多諧振蕩器的振蕩周期為</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　圖2-9 555定時器構成多諧振蕩器的工作波形</p><p&

35、gt;　　555電路要求與均應大于或等于，但應小于或等于。因此為產(chǎn)生周期為1s的脈沖，取=， =，C=，由表達關系式(2.5)可知</p><p>　　由此可知本電路可以產(chǎn)生非常精確的秒脈沖信號。</p><p>　　2.4 閘門控制電路</p><p>　　2.4.1 原理圖</p><p>　　圖2-10 閘門控制電路原理圖</

36、p><p>　　2.4.2 主要元器件介紹</p><p>　　74LS160十進制同步計數(shù)器具有異步清零端。當清除端為低電平時，不管時鐘端CP 狀態(tài)如何，即可完成清零功能。74LS160 的預置是同步的。當置入控制器為低電平時，在 CP 上升沿作用下，輸出端 Q0－Q3 與數(shù)據(jù)輸入端 P0－P3 一致。74LS160 的計數(shù)是同步的，靠 CP 同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當 CEP、CE

37、T 均為高電平時，在 CP 上升沿作用下 Q0－Q3 同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。其具有超前進位功能，當計數(shù)溢出時，進位輸出端（TC）輸出一個高電平脈沖，其寬度為 Q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成 N 位同步計數(shù)器。對于74LS160，在 CP 出現(xiàn)前，即使 CEP、CET、發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。74LS160引腳圖和功能表如下所示。</p><p>　　圖2-1

38、174LS160外部引腳圖 </p><p>　　表2-3 74LS160功能表</p><p>　　2.4.3 電路原理分析</p><p>　　由圖2-10可知，74LS160被用異步清零的方法接成了8進制計數(shù)器。</p><p>　　作出此電路的狀態(tài)轉換表如下所示。</p><p>　　表2-4 閘門

39、控制電路狀態(tài)轉換表</p><p>　　由上表可知，電路從初始狀態(tài)QDQCQBQA=0000時開始計數(shù)，此時Q1=0，Q2=1；當?shù)谝粋€脈沖下降沿到達時，QDQCQBQA=0001，此時Q1變?yōu)?，且Q2也仍為1；當?shù)诙€脈沖下降沿到達時，QDQCQBQA=0010，此時Q1變?yōu)?，且Q2仍為1，并且Q1和Q2均能夠保持到第八個脈沖到達之前；當?shù)诎藗€脈沖下降沿到達時，Q1仍保持為0，而Q2由1變?yōu)?，這時候因為Q

40、2=0使74LS160異步清零端~CLR有效，因此第八個狀態(tài)并不穩(wěn)定，電路瞬間清零使QDQCQBQA重新回到0000的初始狀態(tài)。</p><p>　　因此，可以利用Q1僅存的一個脈沖時間的高電平實現(xiàn)計數(shù)器中的計數(shù)和保持的功能，利用Q2瞬間低電平實現(xiàn)閘門控制電路和計數(shù)電路的異步清零的功能，同時實現(xiàn)了頻率計的自動刷新功能。</p><p><b>　　2.5 計數(shù)電路</b&

41、gt;</p><p>　　2.5.1 原理圖</p><p>　　圖2-12 計數(shù)電路原理圖</p><p>　　2.5.2 主要元器件介紹</p><p>　　計數(shù)電路主要元器件仍為10進制同步計數(shù)器74LS160。其功能已在閘門控制帶電路模塊中介紹，在此不再贅述。但與閘門控制電路不同的是，此電路用到了74LS160的計數(shù)控制端EPT

42、，使計數(shù)電路計數(shù)后的輸出信號能夠保持一段時間，便于數(shù)碼管顯示。</p><p>　　2.5.3 電路原理分析</p><p>　　如圖2-12所示，兩塊74LS160用串行進位的方式連接。</p><p>　　其中每個74LS160的狀態(tài)轉換表如下所示。</p><p>　　由表可知，當閘門計數(shù)脈沖EP=1、閘門復位脈沖RD’=1時，電路工

43、作在計數(shù)狀態(tài)。第（1）片每計到9（1001）時，RCO端輸出變?yōu)楦唠娖?。下一個計數(shù)輸入脈沖到達后，第（1）片計成0（0000）狀態(tài)，RCO端跳回低電平，使第（2）片的輸入端產(chǎn)生一個負跳變，于是第（2）片計入1。電路便如此工作下去，當閘門計數(shù)脈沖EP變回0后，計數(shù)器就不再接受輸入信號CP，此時輸出Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1保持在EP由1變?yōu)?的瞬間的值不變，直到閘門復位脈沖RD’變?yōu)?。</p><p>　　

44、表2-5 計數(shù)電路狀態(tài)轉換表</p><p>　　2.6 譯碼顯示電路</p><p>　　2.6.1 原理圖</p><p>　　圖2-13 譯碼顯示電路</p><p>　　2.6.2 主要元器件介紹</p><p>　　CD4511是一個用于驅動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器

45、，特點：具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗覮ED顯示器。</p><p>　　CD4511 是一片 CMOS BCD—鎖存/7 段譯碼/驅動器，其引腳排列如圖2-14所示，其中A4、A3、A2、A1為BCD碼輸入，A1為最低位。其真值表如表2-6所示。</p><p>　　圖2-14 CD4511引腳圖</p>&

46、lt;p><b>　　其功能介紹如下：</b></p><p>　　BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。</p><p>　　LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。</

47、p><p>　　LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。</p><p>　　A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。</p><p>　　a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。</p><p>　　表2-6 CD4511真值表<

48、/p><p>　　七段數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管構成七段字形，它是將電信號轉換為光信號的固體顯示器件，通常由磷砷化鎵（GaAsP）半導體材料制成。故又稱為GaAsP七段數(shù)碼管，其最大工作電流為10mA或15mA分共陰和共陽兩類品種。常用共陰型號有BS201，BS202 ，BS207，LCS011-11等。共陽型號有BS204，BS206， LA5011-11等。</p><p>　　LED數(shù)碼管中

49、各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有1～2 mA，最大極限電流也只有10～30 mA，所以它的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。</p><p>　　本電路采用七段共陰數(shù)碼管作為信號輸出顯示器，其使用條件如下：</p>&l

50、t;p>　　使用電壓：+5V—+6V</p><p>　　使用電流：靜態(tài)總電流80mA（每段 10mA）</p><p>　　動態(tài)：平均電流 4-5mA  峰值電流 100mA</p><p>　　其外部引腳及內(nèi)部結構如下。</p><p>　　圖2-15 七段共陰數(shù)碼管引腳圖 圖2-16 七段共陰

51、數(shù)碼管內(nèi)部結構圖</p><p>　　2.6.3 電路原理分析</p><p>　　譯碼顯示電路的工作原理非常簡單，當輸入端A3、A2、A1、A0從計數(shù)電路獲取不同的值時，經(jīng)過CD4511譯碼后傳到輸出端a、b、c、d、e、f、g，將其接到數(shù)碼管的相應輸入端時，只要數(shù)碼管串接的限流電阻合適，其就可以顯示出如表2-6所示的不同的阿拉伯數(shù)字。</p><p>　　關于

52、限流電阻R的選擇，由于數(shù)碼管靜態(tài)總電流Imin=80mA，而CD4511輸出高電平最大為Umax=5V，從而</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　即限流電阻最大不能超過62.5，但為了防止損壞數(shù)碼管也不能過小，因此此電路選用50的限流電阻以使電路正常工作。</p><p>　　2.7 校準信號電路</p&

53、gt;<p>　　2.7.1 原理圖</p><p>　　圖2-17 校準信號電路原理圖</p><p>　　2.7.2 主要元器件介紹</p><p>　　校準信號電路主要由555定時器及電阻和電容構成，其主要部件NE555在第2.3.2節(jié)中已詳細介紹過，在此不再贅述。</p><p>　　2.7.3 電路原理分析&l

54、t;/p><p>　　此電路與秒信號產(chǎn)生電路相似，也采用NE555定時器接成的多諧振蕩器產(chǎn)生所需的脈沖信號。不同的是校準信號電路產(chǎn)生50Hz的幅值較大的方波，用于頻率計使用前的檢查和校準。</p><p>　　由2.3.2節(jié)的NE555工作原理和表達關系式（2.5）可知，此電路輸出頻率</p><p><b>　　（2.7）</b></p&g

55、t;<p>　　可見此電路可以產(chǎn)生精確地50Hz脈沖方波，但由于校準信號對輸出頻率精確度要求很高，因此電路中電阻和電容所取的值還應在仿真部分進行微調，以提高輸出頻率精確度，確保校準信號的準確無誤。</p><p>　　2.8 直流穩(wěn)壓電源電路</p><p>　　2.8.1 原理圖</p><p>　　圖2-18 直流穩(wěn)壓電源原理圖</p&g

56、t;<p>　　2.8.2 主要元器件介紹</p><p>　　電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 ×× 系列和負電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子普通的三極管相似，TO- 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92封裝其常見外觀如圖2-19所示

57、。</p><p>　　用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如本電路所用到的7805表示輸出電壓為+5V，7905表示輸出電壓為-5V。 圖2-19 三端穩(wěn)壓管78xx系列外觀圖</p><p>　

58、　2.8.3 電路原理分析</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。</p><p>　　直流集成穩(wěn)壓電源工作時，交流電源電壓經(jīng)電源變壓器變換成整流電路所需的交流電壓值后，通過整流電路變成單向脈沖電壓，再由濾波電路濾去其中的交流分量，得到較平滑的直流電壓，最后經(jīng)穩(wěn)壓電路獲得穩(wěn)定的直流電壓。</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源的

59、基本組成框圖如圖2-20所示：</p><p>　　圖2-20 直流穩(wěn)壓電源的基本組成框圖</p><p>　　根據(jù)圖2-18的電路連接方法，其各元件參數(shù)的選擇如下：</p><p>　　設電源負載輸出電流的平均值，由于7805輸出電壓為5V，因此橋式整流后的輸出電壓平均值，從而</p><p><b>　?。?.8）</b&

60、gt;</p><p>　　又因為濾波電容C應滿足條件</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　　從而電容容量為</b></p><p><b>　　又當時，</b></p><p><b>　?。?.10）&

61、lt;/b></p><p>　　從而變壓器副邊電壓有效值為</p><p>　　將電網(wǎng)電壓波動范圍的10%考慮進去，所取電容的耐壓值為</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　　從而計算電容耐壓值</b></p><p>　　為達到

62、較好的效果，圖2-18中C1、C2實際選取容量為300uF、耐壓為25V的電容作為本電路的濾波電容。</p><p><b>　　變壓器匝數(shù)</b></p><p>　　因此本電路實際可選取25:1的變壓器。</p><p>　　圖中的C3、C4用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，可取小于1uF的電容，也可取幾微法甚至幾十微法的電容，以便輸出較大的脈

63、沖電流。對于本電路，使用0.1uF的電容即可達到要求。</p><p>　　第3章 電路的仿真</p><p><b>　　3.1 放大電路</b></p><p>　　在Multisim10中，將信號源XFG1接入放大電路輸入端，并用示波器XSC1監(jiān)視輸入和輸出的信號變化情況，如圖3-1所示。</p><p>　　

64、圖3-1 放大電路仿真圖</p><p>　　由上圖可知，放大電路將頻率為50Hz，幅值為50mV的的輸入信號放大到了4.805V，電路放大倍數(shù)近1000，與理論值非常接近。因此，此電路完全滿足設計需要，可以作為電路的輸入信號放大部分。</p><p><b>　　3.2 整形電路</b></p><p>　　將信號源XFG1接入整形電路輸入

65、端，并用示波器XSC1監(jiān)視輸入和輸出的信號變化情況，如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 整形電路仿真圖</p><p>　　由上圖可知，整形電路將頻率為50Hz，幅值為10V的的輸入信號整形成為幅值為5V的同頻率方波信號，電路滿足設計需要，可以用作電路的輸入信號放大后的整形。</p><p>　　3.3 秒信號產(chǎn)生電路</p><p

66、>　　用示波器監(jiān)視555組成的多諧振蕩器的輸出的信號變化情況，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 秒信號產(chǎn)生電路仿真</p><p>　　由示波器中的讀數(shù)可看出，此電路可以產(chǎn)生幅值為5V，周期為999.799ms的方波信號，此種精度的秒信號可使頻率計測量5000Hz以內(nèi)的信號無誤差，測量1000000Hz以內(nèi)的信號誤差不到萬分之一，因此完全滿足設計需要。</p>

67、;<p>　　3.4 閘門控制電路</p><p>　　用字發(fā)生器SWG1模擬脈沖輸入信號CP，用四蹤示波器XSC1監(jiān)視輸入和輸出的信號變化情況，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 閘門控制電路仿真圖</p><p>　　從示波器XSC1中可以看出，此閘門控制電路完全按照表2-4所示的電路狀態(tài)轉換圖運作，計數(shù)輸出端和異步復位端每7個CP脈

68、沖循環(huán)一次，可以完成計數(shù)、保持和復位清零的功能。</p><p>　　3.5 計數(shù)譯碼顯示電路</p><p>　　將信號發(fā)生器調至方波狀態(tài)，接入計數(shù)電路的CP端，并用示波器監(jiān)視信號發(fā)生器的輸出信號狀態(tài)。如圖3-5（1）（2）所示。</p><p>　　由圖中容易看出當計數(shù)器74LS160輸入8個脈沖方波后，七段數(shù)碼顯示管中正確顯示出數(shù)字08，當計數(shù)器輸入19個脈

69、沖方波后，數(shù)碼管正確顯示出數(shù)字19，經(jīng)過多次重復試驗，此電路中的數(shù)碼管可以完美顯示出輸入脈沖方波的個數(shù)。因此，計數(shù)譯碼顯示電路可以在頻率計中工作。</p><p>　　圖3-5（1） 計數(shù)譯碼顯示電路仿真圖（1）</p><p>　　圖3-5（2） 計數(shù)譯碼顯示電路仿真圖（2）</p><p>　　3.6 校準信號電路</p><p>　　

70、和秒脈沖輸出電路類似，將示波器接入校準信號電路輸出端，如圖3-6所示，可以讀出輸出方波信號周期為19.631ms，頻率為50.9Hz，與標準的50Hz略有偏差，因此在實際電路中，可以不斷修改電容C的值以獲取更精確的輸出頻率。</p><p>　　圖3-6 校準信號電路仿真</p><p>　　3.7 直流穩(wěn)壓電路</p><p>　　分別在直流穩(wěn)壓電路的變壓器副邊

71、處、濾波電容處和輸出端各放置一個萬用表，如圖3-7所示。從圖中可見穩(wěn)壓電路中各部分的電壓有效值與分析值基本符合，只有輸出負電源電壓VEE達到了-5.66V，偏差較大。網(wǎng)上查資料知，這種現(xiàn)象普遍存在于Multisim軟件的各個版本中，可能是由于軟件中的7905本身參數(shù)有誤造成的。</p><p>　　圖3-7 直流穩(wěn)壓電路各部分電壓比較圖</p><p>　　穩(wěn)壓電路輸出波形如圖3-8所示。

72、</p><p>　　圖3-8 直流穩(wěn)壓電源輸出電壓波形圖</p><p>　　從上圖可以看出220V市電經(jīng)過一系列整流、濾波、穩(wěn)壓的過程后，已經(jīng)變?yōu)槊}動非常小、波形非常平穩(wěn)的5V的直流電壓了。</p><p><b>　　3.8 總電路</b></p><p>　　各單元電路均仿真無誤后，將各部分的輸入輸出連接起來，

73、組成一個完整的數(shù)字頻率計。將信號發(fā)生器接入被測信號輸入端，分別取不同類型、不同幅值和不同頻率的輸入波形，觀察數(shù)碼顯示管的示數(shù)如圖3-9（1）（2）（3）所示。</p><p>　　圖3-9（1） 數(shù)字頻率計總體仿真圖（1）</p><p>　　圖3-9（2） 數(shù)字頻率計總體仿真圖（2）</p><p>　　圖3-9（3） 數(shù)字頻率計總體仿真圖（3）</p>

74、;<p>　　從圖3-9中可以看出，本次設計的數(shù)字頻率計在測試的條件下完全正常工作，在輸入信號頻率較低的情況下誤差為零。但由于Multisim10對高頻率輸入信號的仿真速度太慢，因此暫時沒有其在高頻率下的工作情況的仿真資料。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本次設計的多功能數(shù)字頻率計，完成了設計任務書中的基本要求。本設

75、計在對電路基本參數(shù)進行合理計算的基礎上，用Multisim10對所做設計的虛擬仿真和驗證，最終達到了較好的設計效果。</p><p>　　由于數(shù)字頻率計是數(shù)字電路中的一個典型應用，本設計用到的器件較多，電路連接比較復雜，可能會產(chǎn)生比較大的延時，造成較大的測量誤差，使可靠性差變差。因此電路中還有許多需要完善的地方，比如說本設計中的基準秒脈沖信號的設計，用的是555定時器構成的多諧振蕩器，因此在電容C和電阻R的選擇上

76、會有一些誤差。而如果在其中加入振蕩頻率非常穩(wěn)定的晶振的話，秒脈沖電路會更加精準。再比如直流穩(wěn)壓電源的設計中，由于不好確定負載的等效內(nèi)阻，因此我就假定了一個平均輸出電流，以此來計算電源所需的濾波電容C的大小，雖然最終成功獲取的比較穩(wěn)定且可用的電壓，但此部分的設計仍然不夠嚴謹，需要進一步完善。</p><p>　　本設計雖然是數(shù)字頻率計的設計，但是完全可以在此基礎上將其拓展為數(shù)字脈搏計數(shù)器等以計算頻率為基礎的功能實用

77、的電路，不過本次設計過程中并未對其功能進行擴充，這也是有待完善的地方。</p><p>　　在這次的數(shù)字頻率計的課程設計當中，開始的時候遇到了很多的問題和麻煩，比如上面所說的直流穩(wěn)壓電源中的電容選擇的問題開始就困擾了我很長時間。再比如說電路設計好之后，各個參數(shù)都計算的準確無誤，但最后仿真的時候卻得不到想要的結果，最后還要在Multisim中仔細調試，最終才得以解決，由此可見理論與實踐還是有很大的差別的。</

78、p><p>　　電路設計過程是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，馬虎，對電路的仿真調試更要一步一步來，不能急躁，因為Multisim軟件的調試速度比較慢，又要求有一個比較正確的調試方法，像把頻率調準等，因此要學會靈活處理，在不影響仿真效果的前提下加快進度，合理的分配時間。這次的課程設計不僅使我獲取了很多平常學習生活當中所接觸不到的知識和經(jīng)驗，也使我認識到課堂所學的知識不僅要掌握熟練，會做題目，更要將其應用在實際

79、電路的設計當中。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　經(jīng)過兩個星期的努力，在指導老師和周圍同學的細心指導和熱情幫助下，我的課程設計終于得以順利完成。雖然我最終未能將此設計做成實物，但我在這兩個星期內(nèi)已經(jīng)盡了最大的努力去設計和研究這個電路。從收集大量的有關本設計的文獻資料到電路中每個模塊的設計和參數(shù)計算，再到用Multisim仿真模擬，我

80、接觸到了設計一個電子產(chǎn)品的基本過程并從中積累了很多課堂上學不到的知識和經(jīng)驗。</p><p>　　衷心感謝指導我此次電子設計的高文根老師和在我周圍幫助我的同學們，正是你們的熱情的支持給了我前進的動力，使我能順利完成本次的課程設計，再次感謝你們！</p><p><b>　　作者： </b></p><p>　　年 月 日</p

81、><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 閻石主編；清華大學電子學教研組編. 數(shù)字電子技術基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2006.5</p><p>　　[2] 童詩白，華成英主編；清華大學電子學教研組編. 模擬電子技術基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2006.5</p><p>　　[3

82、] 李光宇. 電子創(chuàng)意制作-----設計·制作·調試[M]. 北京：科學出版社，2007</p><p>　　[4] 姚彬. 電子元器件與電子實習實訓教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.3</p><p>　　[5] 嚴飛，姜源，楊碧石等編著. 妙用電子模塊222例[M]. 北京：中國電力出版社，2006</p><p>　　[6] 門

83、宏. 怎樣做電子小制作[M]. 北京：人民郵電出版社，2007.9</p><p>　　[7] 張曉東. 動手制作日常用電子裝置[M]. 北京：中國電力出版社，2007</p><p>　　[8] 町田秀和著；彭軍譯. 電子制作基礎與實戰(zhàn)[M]. 北京：科學出版社，2006</p><p>　　[9] 畢滿清. 電子技術實驗與課程設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，