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

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

2、gt;<p>　　設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)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(wèn)題及其解決方法……………………14</

4、p><p>　　課程設(shè)計(jì)的收獲與體會(huì) ………………………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(jì)圖紙………………………………………17</p><p>　　設(shè)計(jì)課題：正弦波發(fā)生及頻率顯示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)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(cè)量范圍為1~999nF；</p><p>　　3、數(shù)碼管能正確顯示測(cè)量結(jié)果；具有超量程指示；</p><p>　　4、能自動(dòng)地進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，測(cè)量周期為4s，測(cè)量結(jié)果保持2s左右。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)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(jì)</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(shí)電路、計(jì)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(shí)電路是利用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)定時(shí)。</p><p>　　4、計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)為三位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，采用MC14553三位BCD加法計(jì)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(dòng)數(shù)碼管，把計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)用十進(jìn)制數(shù)字顯示出來(lái)。</p>

9、<p>　　6、超量程指示電路是由或非門(mén)構(gòu)成的一個(gè)基本RS觸發(fā)器。</p><p>　　7、控制電路實(shí)際上是一低頻信號(hào)發(fā)生器，根據(jù)數(shù)字式電容計(jì)的工作原理來(lái)設(shè)計(jì)，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(jì)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(lái)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(shí)電路</p><p>　　圖6 1s定時(shí)電路</p><p>　　用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)定時(shí)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(shí)精度和測(cè)量速度，取R1=91kΩ。</p><p><b>　　(4) 計(jì)數(shù)電路</b></p><p>　　(a) 計(jì)數(shù)器的選用 計(jì)數(shù)器采用MC14553，它是三位BCD加法計(jì)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(shuō)明 MC14553邏輯結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，MC14553集成電路由三個(gè)同步級(jí)聯(lián)的下降沿觸發(fā)的BCD計(jì)數(shù)器、三個(gè)鎖存器以及分配鎖存器的多路傳輸器組成。此外，還有時(shí)鐘輸入端的整形電路，分配多路傳輸器的時(shí)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(shí)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(shí)鐘，也可以從引出端④處引入。振蕩器產(chǎn)出的掃描時(shí)鐘信號(hào)與三個(gè)為選擇輸出信號(hào)的時(shí)序關(guān)系見(jiàn)圖9所示。 </p><p>　　

16、圖9 掃描時(shí)鐘信號(hào)與位選擇</p><p>　　在復(fù)位端“R”上施加“1”電平時(shí)，復(fù)位信號(hào)同時(shí)作用于BCD計(jì)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(shí)置所有的三個(gè)位選擇輸出DS1~DS3為“1”電平，從而不允許顯示。</p><p>　　當(dāng)時(shí)鐘禁止端“1NH”為“1”時(shí)，禁止時(shí)鐘脈沖“CL"輸入BCD計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器保存禁止前的最后計(jì)數(shù)狀態(tài)。輸

17、入端得脈沖整形電路允許輸入上升時(shí)間或下降時(shí)間很緩慢的信號(hào)輸入計(jì)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(shí)，鎖存器呈鎖存狀態(tài)，保持原有鎖存器內(nèi)的信息。這時(shí)BCD計(jì)數(shù)器即使施加復(fù)位信號(hào)，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(gè)溢出輸出端“OF”，計(jì)數(shù)器每逢輸入第1000

18、個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿時(shí)，一處端“OF”輸出一個(gè)完整的脈沖。該脈沖結(jié)束于上述條件下輸入時(shí)鐘的下降沿。</p><p>　　(c) 計(jì)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(shí)高電平，以及要用來(lái)控制計(jì)數(shù)器計(jì)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(jì)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(jì)</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(dòng)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(shí)，譯碼器的七個(gè)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(shí)允許BCD碼輸入端；當(dāng)LE為“1”電平時(shí)鎖存。MC14511每段的輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)25mA，因此在驅(qū)動(dòng)LED做管時(shí)要加限流電阻。</p><p>　　(b) 顯示譯碼電路 計(jì)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(dòng)態(tài)顯示電路）。掃描顯示的基本原理是利用人眼的視覺(jué)惰性和發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)。在圖10中，在MC14553輸出個(gè)位的BCD碼時(shí)，DS1=0，個(gè)位的數(shù)碼管在V1的驅(qū)動(dòng)下，顯示個(gè)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(méi)有顯示。接著，輸出十位的BCD時(shí)，DS2=0，只顯示十位的數(shù)字。然后當(dāng)DS3=0時(shí)顯示百位的數(shù)字。再顯示個(gè)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(shí)，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(huì)出現(xiàn)閃爍。</p><p>　　圖11 計(jì)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(jí)管的計(jì)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(gè)三極管要驅(qū)動(dòng)一只數(shù)碼管，即要驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)算示意圖</p&g

24、t;<p>　　(6) 超量程指示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　超量程指示電路如圖12所示。圖中由或非門(mén)構(gòu)成的是一個(gè)基本的RS觸發(fā)器，當(dāng)MC14553在計(jì)數(shù)到1000個(gè)脈沖時(shí)，“OF”端會(huì)輸出一個(gè)正脈沖，RS觸發(fā)器Q置1，LED亮，表示被測(cè)電容已超過(guò)999nF，這時(shí)的顯示器讀數(shù)已不再是被測(cè)電容的容量。在復(fù)位信號(hào)的作用下，Q端置0，等待下一次測(cè)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(jì)</p><p>　　根據(jù)數(shù)字式電容計(jì)的工作原理，控制電路實(shí)際上是一低頻信號(hào)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(lái)構(gòu)成。</p><p>　　振蕩電路中在Rs=R的條件下，振蕩周期的估計(jì)式為T(mén)≈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(shí)，位選擇輸出端DS1~DS3都是1，將便顯示器消隱如果清零信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)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(guò)Cr和Rr組成的微分電路把清零信號(hào)加到計(jì)數(shù)器清零端。這樣，計(jì)數(shù)器只是靠清零信號(hào)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(jué)惰性，就不會(huì)覺(jué)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(gè)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(jiàn)圖3、圖4、圖5、圖6、圖12、圖15。</p><p><b>　　電路的調(diào)試與測(cè)量</b></p>&

28、lt;p>　　1、調(diào)試內(nèi)容及步驟：</p><p>　　(1) 測(cè)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(cè)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(cè)量Uoa，調(diào)試使之產(chǎn)生方波；</p><p>　　(2) 測(cè)5V電源電路：用萬(wàn)用表測(cè)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(cè)555構(gòu)成的定時(shí)電路：測(cè)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(wú)接錯(cuò)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(wèn)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(wàn)用表逐個(gè)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(jì)的收獲與體會(huì)</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我收獲了更多的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，使得我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)，掌握了常用元件的識(shí)

32、別和測(cè)試；熟悉了常用的儀器儀表；加深了對(duì)電路的分析能力，學(xué)會(huì)了面包板上熟練的連接電子電路及安裝與調(diào)試；同時(shí)讓我懂得了無(wú)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(shí)到一個(gè)元器件甚至一根導(dǎo)線的接錯(cuò)，都會(huì)影響整個(gè)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(cái)富。</p><p>　　此次實(shí)驗(yàn)暴露出我們?cè)诶碚搶W(xué)習(xí)中所存在的問(wèn)題，有些理論知識(shí)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(wèn)題，比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問(wèn)題。這時(shí)團(tuán)結(jié)合作的重要性便體現(xiàn)出來(lái)，往往自己的錯(cuò)誤自己是檢查不出來(lái)的。兩個(gè)人相互配合，錯(cuò)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(bào)告的時(shí)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(duì)于理工科學(xué)生是必要的基本功，但之前很少在報(bào)告中引用公式，這回算是完全掌握了?？傊@次的課題設(shè)計(jì)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)