正弦波發(fā)生、頻率顯示電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：正弦波發(fā)生、頻率顯示電路設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化1205實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2014.6.20-2014.6.25學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：同實(shí)驗(yàn)者：實(shí)驗(yàn)成績(jī)：TOC\t"樣式1,1,樣式2,2,樣式3,3,樣式4,4"\h一、課題名：正弦波發(fā)生、頻率測(cè)量顯示電路2二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求2三、設(shè)計(jì)方案及參考電路21、系統(tǒng)框圖22、管腳圖23、單元電路設(shè)計(jì)與元器件的選擇3(1)+5V電源電路3(2)正弦波發(fā)生及波形變換電路3(3)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路4(4)頻率計(jì)數(shù)顯示電路5(5)超量程指示電路10(6)控制電路104、總電路圖11四、電路的調(diào)試與測(cè)量121、調(diào)試內(nèi)容及步驟：122、調(diào)試成功后的實(shí)物圖：123、調(diào)試中存在的問(wèn)題及其解決方法：14五、課程設(shè)計(jì)的收獲與體會(huì)15六、所用的相關(guān)器件清單：15一、課題名：正弦波發(fā)生、頻率測(cè)量顯示電路二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求正弦波振蕩頻率100～1000Hz，輸出信號(hào)幅度5±5％V；（1）用3位數(shù)碼管顯示振蕩頻率；（2）能自動(dòng)連續(xù)測(cè)量、顯示頻率，測(cè)量周期為4S；（3）用中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)三、設(shè)計(jì)方案及參考電路1、系統(tǒng)框圖圖1正弦波發(fā)生電路組成框圖正弦波發(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。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。2、5V電源電路是主要利用三極管特性與運(yùn)算放大器組合制作的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)。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。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)。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。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。2、管腳圖圖2總電路圖草稿設(shè)計(jì)單元電路設(shè)計(jì)與元器件的選擇(1)+5V電源電路參考電路中所用芯片有±12和+5V幾種，+5V電源可由+12V電源降壓獲取，電路如圖3所示。圖3+5V電源電路(2)正弦波發(fā)生及波形變換電路因振蕩頻率要求不高，故采用RC文氏振蕩器?？紤]到要數(shù)字顯示振蕩頻率，需對(duì)正弦波進(jìn)行波形變換以便計(jì)數(shù)。正弦波發(fā)生及波形變換電路如圖4所示。圖4正弦波發(fā)生及波形變換電路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。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)≥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。(3)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路為了便于測(cè)量換算，設(shè)計(jì)一個(gè)1S定時(shí)電路，在該定時(shí)范圍內(nèi)所測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)即為振蕩頻率。定時(shí)電路及單穩(wěn)態(tài)輸出波形如圖5所示。圖51s定時(shí)電路用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路，Tw=1.1RC=1.1*0.47*2=1.034≈1s，式中R和C為定式電阻和電容。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]到定時(shí)精度和測(cè)量速度，取R1=91kΩ。(4)頻率計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)器選用MC14553芯片，這是一片3位BCD加法計(jì)數(shù)器芯片，由選擇端、、控制每一時(shí)刻只輸出一位BCD碼。顯示譯碼器選用CD4511芯片，該芯片具有BCD七段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)功能。計(jì)數(shù)及譯碼顯示電路如圖6所示。（a）計(jì)數(shù)器的選用圖6計(jì)數(shù)及譯碼顯示電路計(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。圖7MC14553引腳圖輸入輸出RCLINHLE000不變000計(jì)數(shù)01不變01↑0計(jì)數(shù)01↓0計(jì)數(shù)00不變0鎖存01鎖存00QA~QD=0表1MC14553功能表MC14553功能說(shuō)明MC14553邏輯結(jié)構(gòu)示意圖如圖8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。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。圖8MC14553邏輯結(jié)構(gòu)示意圖圖9掃描時(shí)鐘信號(hào)與位選擇在復(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。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。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。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。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6所示。(b)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。圖10CD4511引腳圖輸入顯示LE(S)BILTDCBA0消隱108011000000110001101100102011001130110100401101015011011060110111701110008011100190111010消隱0111011消隱0111100消隱0111101消隱0111110消隱0111111消隱111鎖存表2CD4511功能表CD4511具有內(nèi)部抑制非BCD碼輸入的電路，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(chēng)為消隱）。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。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。圖11譯碼電路元器件參數(shù)計(jì)算示意圖(5)超量程指示電路當(dāng)計(jì)數(shù)器MC14553計(jì)到1000個(gè)脈沖時(shí)，“OF”端會(huì)輸出一個(gè)正脈沖，該信號(hào)連到超量程指示電路，驅(qū)動(dòng)發(fā)光管發(fā)光，表示信號(hào)頻率超范圍需調(diào)整。超量程指示電路如圖12所示。圖12超量程指示電路(6)控制電路控制電路實(shí)際上是一低頻信號(hào)發(fā)生器，振蕩周期為4S，精度要求不高，用其產(chǎn)生方波和尖脈沖信號(hào)，分別用來(lái)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路、超量程指示電路復(fù)位和計(jì)數(shù)器清零。電路如圖13所示。圖13控制電路4、總電路圖圖14總電路四、電路的調(diào)試與測(cè)量1、調(diào)試內(nèi)容及步驟：(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；(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；(3)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)；(4)檢查MC14553、CD4511、CD4001M、MC14511等有無(wú)接錯(cuò)的地方；(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)；(6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，拆面包板，整理回收為損壞的器件。2、調(diào)試成功后的實(shí)物圖：圖15正弦波的發(fā)生圖16成功顯示的方波圖17UiB的波形圖18UOB的波形圖19成功顯示的面包板3、調(diào)試中存在的問(wèn)題及其解決方法：（1）電路不產(chǎn)生正弦波，未分清電源地和模擬地的差別，用萬(wàn)用表逐個(gè)查找斷路的地方；（2）正弦波失真嚴(yán)重，調(diào)電位器；（3）數(shù)碼管亮度不夠，增大輸入電壓；數(shù)碼管顯示錯(cuò)亂，仔細(xì)檢查電路電線連接；五、課程設(shè)計(jì)的收獲與體會(huì)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)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(zhuān)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。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