正弦波發(fā)生、頻率顯示電路設(shè)計(jì)

1、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： 正弦波發(fā)生、頻率顯示電路設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)：_物聯(lián)網(wǎng)工程1101_實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2013.6.18-2013.6.20 學(xué)生姓名： 張威 學(xué)號(hào)： 0306110119同實(shí)驗(yàn)者： 張杰 實(shí)驗(yàn)成績(jī)： 一、 設(shè)計(jì)課題：正弦波發(fā)生及頻率顯示電路的設(shè)計(jì)二、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求：1、振蕩頻率1001000Hz，輸出信號(hào)幅度5±5%V；2、用三位數(shù)碼管顯示振蕩頻率；3、能自動(dòng)連續(xù)測(cè)量、顯示頻率，測(cè)量周期為4S；4、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)框圖波形變換單穩(wěn)態(tài)定時(shí)計(jì)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(shè)計(jì)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)。

3、6. 超量程指示電路是由或非門構(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）單元電路設(shè)計(jì)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(duì)正弦波進(jìn)行變換以便計(jì)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(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

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(yīng)調(diào)節(jié)電位器R2，使R2=R=10k。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)的脈沖個(gè)數(shù)即為振蕩頻率。定時(shí)電路如圖5。 圖5 1s定時(shí)電路 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=1.0341s，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)?？紤]到定時(shí)精度和測(cè)量速度，取R1=91k。4、頻率

5、計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)電器選用MC14553芯片，這是一片3位BCD加法計(jì)數(shù)器芯片，由選擇端DS1,DS2，DS3控制每時(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/驅(qū)動(dòng)的功能。計(jì)數(shù)顯示電路如圖6所示圖6 計(jì)數(shù)及顯示譯碼電路(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。圖7 MC14553引腳圖表1 MC14553功能表輸入輸出RCLINHLE000不變000計(jì)數(shù)01不變010計(jì)數(shù)010計(jì)數(shù)00不變0鎖存01鎖存00QAQD=0(b) MC14553功能說(shuō)明 MC14553邏輯結(jié)構(gòu)示意圖如圖

6、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。圖8 MC14553邏輯結(jié)構(gòu)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(shí)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(shí)鐘，也可以從引出端處引入。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)系見圖9所示。 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

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(shí)置所有的三個(gè)位選擇輸出DS1DS3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

8、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。(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。(5) 顯示譯碼電路的設(shè)計(jì)(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。 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(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）。 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

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(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,=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(jì)算示意圖5、超量程指示電路當(dāng)計(jì)數(shù)器MC14553到1000個(gè)脈沖時(shí)，“OF”端會(huì)輸出一個(gè)正脈沖

11、，該信號(hào)連接到超量程指示電路，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，其精度要求不高，用其生產(chǎn)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2. 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)50k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)

12、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、以下為調(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(wàn)用表逐個(gè)查找短路的地方；(2) 正弦波失

13、真嚴(yán)重，調(diào)試；(3) 555定時(shí)電路輸出信號(hào)失真，調(diào)試；調(diào)試失敗，一直未能解決；六、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)中我們遇到很多問題，比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。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?/p>