正弦波發(fā)生、頻率顯示電路設計

1、江 南 大 學 物 聯(lián) 網(wǎng) 工 程 學 院電子技術課程設計實驗報告 實驗名稱： 正弦波發(fā)生、頻率顯示電路設計 專業(yè)班級：_物聯(lián)網(wǎng)工程1101_實驗時間：2013.6.18-2013.6.20 學生姓名： 張威 學號： 0306110119同實驗者： 張杰 實驗成績： 一、 設計課題：正弦波發(fā)生及頻率顯示電路的設計二、 設計任務和要求：1、振蕩頻率1001000Hz，輸出信號幅度5±5%V；2、用三位數(shù)碼管顯示振蕩頻率；3、能自動連續(xù)測量、顯示頻率，測量周期為4S；4、用中規(guī)模集成電路實現(xiàn)。三、 設計方案及參考電路（1）系統(tǒng)框圖波形變換單穩(wěn)態(tài)定時計數(shù)器顯示譯碼超量程指示正弦波振蕩器控制

2、電路圖1 波形發(fā)生電路的組成圖2 總電路圖草稿設計正弦波發(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。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算放大器組合制作的3. 。1s定時電路是利用555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來定時。4. 計數(shù)器設計為三位十進制計數(shù)器，采用MC14553三位BCD加法計數(shù)器。5. 顯示譯碼電路選用CD4511顯示譯碼器，利用三極管驅(qū)動數(shù)碼管，把計數(shù)器計到的脈沖數(shù)用十進制數(shù)字顯示出來。

3、6. 超量程指示電路是由或非門構成的一個基本RS觸發(fā)器。7. 控制電路實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計，采用CD4001芯片。（2）單元電路設計與元器件的選擇 1、+5V電源電路圖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，需對正弦波進行變換以便計數(shù)。正弦波發(fā)生以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)絡為選頻網(wǎng)絡和正反饋網(wǎng)絡，以電壓串聯(lián)負反饋電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻率穩(wěn)定、帶負載能力強、輸出電壓失真小等優(yōu)點。波形變換電路用電壓比較器來實現(xiàn)正弦

4、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=4k，調(diào)節(jié)電位器Rf使之略大于4k；RC橋式電路中應調(diào)節(jié)電位器R2，使R2=R=10k。3、單穩(wěn)態(tài)定時電路為了便于測量換算，設計一個1S定時電路，在該定時范圍內(nèi)所測的脈沖個數(shù)即為振蕩頻率。定時電路如圖5。 圖5 1s定時電路 用555定時器構成單穩(wěn)態(tài)定時電路，有Tw=1.1RC=1.1*0.47*2=1.0341s，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)。考慮到定時精度和測量速度，取R1=91k。4、頻率

5、計數(shù)顯示電路計數(shù)電器選用MC14553芯片，這是一片3位BCD加法計數(shù)器芯片，由選擇端DS1,DS2，DS3控制每時刻只輸出一位BCD碼。顯示譯碼器選用CD4511芯片，該芯片具有BCD七段鎖存/驅(qū)動的功能。計數(shù)顯示電路如圖6所示圖6 計數(shù)及顯示譯碼電路(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。圖7 MC14553引腳圖表1 MC14553功能表輸入輸出RCLINHLE000不變000計數(shù)01不變010計數(shù)010計數(shù)00不變0鎖存01鎖存00QAQD=0(b) MC14553功能說明 MC14553邏輯結構示意圖如圖

6、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。圖8 MC14553邏輯結構示意圖圖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和之間的外接電容C1的大小，若需外部時鐘，也可以從引出端處引入。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系見圖9所示。 圖9 掃描時鐘信號與位選擇在復位端“R”上施加“1”電平時，復位信號同時作用于BCD計數(shù)器、振蕩器和多路

7、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DS1DS3為“1”電平，從而不允許顯示。 當時鐘禁止端“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。 當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。 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個時鐘

8、脈沖的上升沿時，一處端“OF”輸出一個完整的脈沖。該脈沖結束于上述條件下輸入時鐘的下降沿。(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。(5) 顯示譯碼電路的設計(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。 圖10 CD4511引腳圖表2 CD4511功能表輸入顯示LE(S)BILTDCBA0消隱1080110000

9、00110001101100102011001130110100401101015011011060110111701110008011100190111010消隱0111011消隱0111100消隱0111101消隱0111110消隱0111111消隱111鎖存CD4511具有內(nèi)部抑制非BCD碼輸入的電路，當輸入為非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）。 在MC14511的輸入端有四位鎖存器，LE為選通端，當LE為“0”電平時允許BCD碼輸入端；當LE為“1”電平時鎖存。MC14511每段的輸出驅(qū)動電流可達25mA，因此在驅(qū)動LED做管時要加限流電阻。限流電阻

10、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所示的方法進行。設圖中的三極管V工作在放大區(qū)，|VCE|=2V,則 實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。設每段電流為15mV，基極電流由MC14553的輸出驅(qū)動電流限制，設為1.3mV。這樣，可算得R=133，取130，Rb=1k,=15*7/1.380，在這里，選用的三極管的值要大于80，ICM要大于105mA。圖11 譯碼電路元器件參數(shù)計算示意圖5、超量程指示電路當計數(shù)器MC14553到1000個脈沖時，“OF”端會輸出一個正脈沖

11、，該信號連接到超量程指示電路，驅(qū)動發(fā)光管發(fā)光，表示信號頻率超范圍需調(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際上是一低頻信號發(fā)生器，振蕩周期為4S，其精度要求不高，用其生產(chǎn)方波和尖脈沖信號，分別用來觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路、超量程指示電路復位和計數(shù)器清零。電路如圖13所示。圖13 控制電路2. 總電路圖圖14 總電路四、電路的調(diào)試與測量1、調(diào)試內(nèi)容及步驟：(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橋式正弦波正當電路的輸出端，調(diào)節(jié)50k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；(2) 測5V電源電路：用萬用表測三極管發(fā)

12、射極與GND之間的電壓，5V左右即為正常；(3) 測555構成的定時電路：測輸出電平Uob，T=4s，1s高電平，3s低電平周期循環(huán)；(4) 檢查MC14553、CD4511、CD4001M、MC14511等有無接錯的地方；(5) 最后接通電源，各部分電路運作正常，成功地完成了實驗；(6) 實驗結束后，拆面包板，整理回收為損壞的器件。2、以下為調(diào)試成功后的實物圖： 圖15 正弦波的發(fā)生圖16 成功顯示的方波圖17 成功顯示的面包板3、調(diào)試中存在的問題及其解決方法：(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，電位器壞了，不能調(diào)節(jié)；用萬用表逐個查找短路的地方；(2) 正弦波失

13、真嚴重，調(diào)試；(3) 555定時電路輸出信號失真，調(diào)試；調(diào)試失敗，一直未能解決；六、課程設計的收獲與體會通過這次課程設計，我收獲了更多的知識和經(jīng)驗，使得我對抽象的理論有了具體的認識，掌握了常用元件的識別和測試；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)。作為工科學生理論與實踐相結合是必不可少的能力，這次親身體驗使我意識到一個元器件甚至一根導線的接錯，都會影響整個實驗的成敗與否，為以后的繼續(xù)學習積累了一筆寶貴的財富。此次實驗暴露出我們在理論學習中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀態(tài)，只知其一不知其二。實驗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。這時團結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當中公式編輯器的使用。雖然這對于理工科學生是必要的基本功，但之前很少在報告中引用公式，這回算是完全掌握了。總之