畢業(yè)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

畢業(yè)設(shè)計(jì)論文2007屆畢業(yè)生<<電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測儀>>系別：班級(jí):設(shè)計(jì)人:學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師:目錄前言...................................................3一、設(shè)計(jì)的任務(wù)..........................................5二、總體方案設(shè)計(jì)........................................51．設(shè)計(jì)思路..............................................52．原理框圖..............................................6三、設(shè)計(jì)原理分析.......................................71．信號(hào)拾取與整形.......................................82．計(jì)數(shù)電路............................................103．鎖存電路...........................................124．CD4543譯碼顯示電路.................................145．時(shí)鐘電路及波形設(shè)計(jì)...................................16四、制作和調(diào)試........................................25五、電路設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析..............................27六、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)..........................................28七、結(jié)束語..............................................30八、參考文獻(xiàn)...........................................31前言畢業(yè)設(shè)計(jì)是工科院校學(xué)生十分重要的一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，是教學(xué)聯(lián)系實(shí)踐、理論聯(lián)系實(shí)際的重要過程，是綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、解決實(shí)際應(yīng)用技術(shù)問題、進(jìn)行工程訓(xùn)練的重要手段。在老師的指導(dǎo)下，就某一課題，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，爭取用最正確方式予以實(shí)現(xiàn)的思維過程及書面表述。對(duì)我來說這既是學(xué)習(xí)過程也是實(shí)踐過程，其成果那么具體表達(dá)了我的綜合能力、掌握所學(xué)知識(shí)的深度、知道的知識(shí)面、工作能力以及文字表達(dá)能力。隨著電子技術(shù)的不斷開展，數(shù)子電子，模擬電子等技術(shù)越來越多的運(yùn)用到社會(huì)生活中。在計(jì)數(shù)器的開展過程中，傳統(tǒng)計(jì)時(shí)器精確度低，測量誤差大，已不適應(yīng)現(xiàn)在開展需求。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，特別是單片機(jī)的誕生，讓計(jì)數(shù)器的開展更邁進(jìn)了一大步，單片機(jī)功能強(qiáng)大，與數(shù)字電路及接口技術(shù)的完美結(jié)合，使計(jì)數(shù)器的精確度大大提高了。單片機(jī)已滲透到了各個(gè)領(lǐng)域，在計(jì)數(shù)器方面也起著舉足輕重的作用。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支，其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和思想與一般的微型計(jì)算應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)在許多方面是一致的。由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通常作為系統(tǒng)的最前端，設(shè)計(jì)數(shù)應(yīng)注意實(shí)際問題，使設(shè)計(jì)的可靠性能夠滿足更多的需求。我們在設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測儀的設(shè)計(jì)，就充分運(yùn)用了單片機(jī)的這種性能與數(shù)字電路、A/D轉(zhuǎn)換接口等相結(jié)合，大大提高了轉(zhuǎn)速檢測儀的精確度。我們此次電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測儀的設(shè)計(jì)，牽扯知識(shí)面較廣，需要查閱大量的相關(guān)資料，我們相信在不久的將來，我們會(huì)做得更好。在設(shè)計(jì)中缺乏之處，還望各位老師和同學(xué)能夠給予幫助和鼓勵(lì)！—：設(shè)計(jì)的任務(wù)設(shè)計(jì)的根本任務(wù)，是著重提高學(xué)生在電子線路應(yīng)用方面的實(shí)踐技能，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生通過電路設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、整理資料等環(huán)節(jié)，初步掌握工程設(shè)計(jì)方法和組織實(shí)踐的根本技能，逐步熟悉開展科學(xué)實(shí)踐的程序和方法各種電機(jī)在工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，為了能方便的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制、監(jiān)視、調(diào)速，有必要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，從而提高自動(dòng)化程度。同時(shí)電路能擴(kuò)展其應(yīng)用功能，具有測量頻率的功能，因此對(duì)電路提出以下功能：1．對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并數(shù)字顯示，采樣單位為每秒幾轉(zhuǎn)。2．電機(jī)轉(zhuǎn)速一般每秒不超過100轉(zhuǎn)，采用2位十進(jìn)制已經(jīng)足夠〔既2個(gè)數(shù)碼管〕，但是考慮到此電路有其他用途，所以仍采用四位數(shù)碼管，最大可以計(jì)數(shù)4位十進(jìn)制，同時(shí)可以升級(jí)為頻率計(jì)使用。3．轉(zhuǎn)速測量誤差每秒不超過一圈，內(nèi)部時(shí)鐘穩(wěn)定度每天不超一秒。4．電路原理要求簡單，便于制作調(diào)試，元件本錢低廉易購。二：總體方案設(shè)計(jì)1．設(shè)計(jì)思路〔1〕利用光電開關(guān)管做電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)拾取元件，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝1圓盤，在圓盤上挖一小洞，小洞上下應(yīng)分別對(duì)應(yīng)有光發(fā)射和光接收開關(guān)，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈既光電管導(dǎo)通一次，利用此信號(hào)作為脈沖計(jì)數(shù)所需。〔2〕計(jì)數(shù)脈沖通過計(jì)數(shù)電路進(jìn)行有效的計(jì)數(shù)，按照設(shè)計(jì)要求每一秒種都必須對(duì)計(jì)數(shù)器清零-次，因?yàn)殡娐穼?shí)行的是秒更新，所以計(jì)數(shù)器到譯碼電路之間有鎖存電路，在計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)的過程中對(duì)上一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存顯示，這樣做不僅解決了數(shù)碼顯示的邏輯混亂，而且防止了數(shù)碼顯示的閃爍問題?！?〕對(duì)于脈沖記數(shù)，有測周期和測頻率的方式。測周期電路的測量精度主要受電路系統(tǒng)的脈沖產(chǎn)生電路的影響，對(duì)于低頻率信號(hào)，其精度較高。測頻電路其對(duì)于正負(fù)1的信號(hào)差非常敏感，對(duì)于低頻率信號(hào)的測量誤差較大，但是本電路仍然采用測頻方式，原因是本電路對(duì)于馬達(dá)電機(jī)轉(zhuǎn)速精度要求較低，本電路還有升級(jí)為頻率計(jì)使用，而測頻方式對(duì)高頻的精度還是很高的?！?〕顯示電路采用靜態(tài)顯示方法，由于靜態(tài)顯示易于制作和調(diào)試，原理也較簡單，所需元易于購置。①用七段LED數(shù)碼顯示管來顯示讀數(shù)，在每次測量結(jié)束并穩(wěn)定后才顯示，測量期間輸出結(jié)果是跳變的，要求消隱；②為了便于讀數(shù)，要求數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間在O．5s～5s連續(xù)可調(diào)，如果被測信號(hào)的頻率所顯示的時(shí)間為2S，那么數(shù)據(jù)顯示2s后顯示數(shù)據(jù)自行消失。隨后自動(dòng)顯示下一次被測信號(hào)的頻率；〔5〕電路時(shí)鐘是整個(gè)電路的關(guān)鍵，他是整個(gè)電路有效工作的核心，負(fù)責(zé)電路的鎖存和清零。其根本思路是：產(chǎn)生頻率一秒是時(shí)鐘，當(dāng)秒時(shí)鐘到來時(shí)，即當(dāng)上升沿到來時(shí)，對(duì)鎖存電路進(jìn)行鎖存，鎖存以后才能對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，鎖存和清零間隔要充分小，否那么就影響電路的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度。鑒于此，對(duì)鎖存集成必須采用邊沿觸發(fā)形式的集成，并且計(jì)數(shù)器應(yīng)該與鎖存同步工作，既都在秒時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)工作。另外大多的譯碼器都帶有鎖存功能，但是他的鎖存方式根本上都是電平觸發(fā)，假設(shè)把它設(shè)計(jì)成電平觸發(fā)的話，勢必會(huì)增加電路的復(fù)雜度，還不如直接采用邊沿鎖存的單集成，所以不使用譯碼器中的鎖存電路。時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法很多，本電路采用一般晶體振蕩器電路，基準(zhǔn)時(shí)間的穩(wěn)定度決定著測頻的精度，因此應(yīng)當(dāng)采用頻率穩(wěn)定度非常好的晶體振蕩器。一般晶體的串聯(lián)諧振頻率都在兆赫茲以上，故需分頻處理。已求得高精度的時(shí)鐘需求。2．原理框圖：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，可初步將系統(tǒng)分為信號(hào)拾取電路，整形電路，計(jì)數(shù)器，鎖存器，譯碼器，顯示電路，時(shí)鐘電路，單穩(wěn)態(tài)。進(jìn)一步細(xì)分，計(jì)數(shù)器由四個(gè)同步計(jì)數(shù)器串行工作，顯示電路由四個(gè)LED數(shù)碼管，四個(gè)驅(qū)動(dòng)集成器〔4個(gè)BCD—7段譯碼器〕，時(shí)鐘電路由COS集成加晶振，CD4046〔14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)〕分頻和JK觸發(fā)器。這樣把總體方案劃分為假設(shè)干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元。參考原理圖如下：圖1三：設(shè)計(jì)原理分析原理：由sch原理圖由光電二極管拾取光信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖式電信號(hào)經(jīng)一施密特40106觸發(fā)器1端輸入2端輸出對(duì)波形處理成計(jì)數(shù)器所需矩形波，矩形波傳送到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后再將其傳送至鎖存電路儲(chǔ)存后單穩(wěn)態(tài)電路對(duì)計(jì)數(shù)器清零，等待下一次數(shù)據(jù)信息到來，矩形脈沖由第一個(gè)計(jì)數(shù)器的CLOCK〈1〉端〔上升沿觸發(fā)〕輸入經(jīng)計(jì)數(shù)器將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制由Q1b~Q4b輸出4路BCD碼由于計(jì)數(shù)器沒有進(jìn)位功能腳但可利用計(jì)數(shù)器EN端的下降沿觸發(fā)特性即可實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)位的功能所以上一個(gè)計(jì)數(shù)器的Q4b輸出端地輸出脈沖下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)〔計(jì)數(shù)器2，3，4除脈沖信號(hào)由EN端2端輸入外其余與第一個(gè)計(jì)數(shù)器接法相同15端接電源VDD，8端VSS接地，7端RESET由單穩(wěn)態(tài)輸出端Q輸出清零脈沖對(duì)計(jì)數(shù)器清零，等待下一次數(shù)據(jù)信息到來〕計(jì)數(shù)器的輸出端11，12，13，14輸出端和計(jì)數(shù)器4的3，4，5，6輸出端接雙D鎖存器2的1-8D輸入端。鎖存電路在時(shí)鐘電路產(chǎn)生的秒脈沖控制下對(duì)其計(jì)數(shù)器所傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和傳送后清零，等待下一次數(shù)據(jù)信息到來，雙D鎖存器74LS324內(nèi)部有8個(gè)D鎖存器，采用兩個(gè)這樣的集成使可以實(shí)現(xiàn)4位十進(jìn)制的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)雙D鎖存器11端CP端有效觸發(fā)時(shí)將8個(gè)D輸入同時(shí)打到輸出Q端由Q1—8輸出〔雙D鎖存器輸出端由三態(tài)門驅(qū)動(dòng)所以一端加低電平，11端CP端由時(shí)鐘電路提供上升沿脈沖，20端VCC接電源，10端GND端接地〕雙D鎖存器1的輸出端Q1—4接譯碼器1的ABCD4個(gè)輸入端Q5—8接譯碼器2的ABCD4個(gè)輸入端，雙D鎖存器2的輸出端Q1—8端接譯碼器3，4的ABCD輸入端。當(dāng)譯碼器ABCD輸入端BCD碼時(shí)經(jīng)9腳—15腳輸出，4個(gè)譯碼器分別驅(qū)動(dòng)4個(gè)數(shù)碼管，譯碼器將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成LED數(shù)碼管所需二進(jìn)制電壓輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)點(diǎn)燃數(shù)碼管，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率。根據(jù)以上各電路功能模塊需求，時(shí)鐘電路共需要產(chǎn)生兩路輸出信號(hào)：一路是頻率為1秒的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖，利用上升沿對(duì)鎖存器鎖存。另一路是計(jì)數(shù)的清零脈沖，但因電路工作需要，矩形脈沖經(jīng)一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路以后才產(chǎn)生清零脈沖。電源：220V交流電經(jīng)二極管橋式整流和三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電容濾波后供應(yīng)工作電路，提供5V穩(wěn)定電壓。1．信號(hào)拾取與整形電路核心由一個(gè)光電開關(guān)管組成，平時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)輪靜止，發(fā)光二極管所發(fā)出的光被輪子擋住，所以接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，1端為高電平。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，會(huì)使接收管導(dǎo)通一次，1端輸出一個(gè)低電平，1端波形為：(略)信號(hào)拾取根本原理圖如下：電機(jī)工作狀態(tài)中要求被測信號(hào)為矩形波，但在實(shí)際電機(jī)工作狀態(tài)中，會(huì)受到各方面的干擾，波形會(huì)存在許多雜波成分，需要對(duì)波形進(jìn)行處理，處理成符合記計(jì)數(shù)器所需要的矩形波。且不要求設(shè)計(jì)放大器，可利用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，將不規(guī)那么信號(hào)或正弦波整形為矩形波。具體實(shí)現(xiàn)的方法有很多，可用555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器、門電路組成的施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。更簡單地，可選用集成施密特觸發(fā)器74LSl32實(shí)現(xiàn)。波形處理電路有一個(gè)施密特觸發(fā)器組成，如上圖。當(dāng)輸入電壓逐步升高時(shí)，致使VI>施密特上VT+，內(nèi)部觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)VI逐步下降時(shí)，致使VI<VT-，電路再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，通常VT+>VT-。所以只要VI<VT-電路就能穩(wěn)定在低電平，VI>VT+電路就穩(wěn)定在高電平，這樣就有效的防止了雜波的干擾，并使輸出得到矩形脈沖，符合了下級(jí)計(jì)數(shù)的需求。典型的施密特其工作波形如下：本施密特觸發(fā)器選用40106，管腳如下，可以看出內(nèi)部含有六路同樣的施密特觸發(fā)器，我們只使用其中一組，輸入端IN1IN2IN3IN4IN5IN6輸出端OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6接地端VSS電源端VDD輸入電壓5V計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)器的位數(shù)直接影響頻率測試的準(zhǔn)確性，可知位數(shù)越多測試越準(zhǔn)確。但在電機(jī)轉(zhuǎn)速一般不超過100轉(zhuǎn)，采用2位使進(jìn)制已經(jīng)足夠〔即2個(gè)數(shù)碼管〕，但考慮此電路有其他用途故仍采用四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。有許多中規(guī)模器件可供選擇，該計(jì)數(shù)器需具有異步置O功能，因?yàn)楫?dāng)重新開始測量之前需將上次測量結(jié)果去除，從O開始對(duì)時(shí)鐘CP計(jì)數(shù)，得到N。本電路采用四個(gè)同步計(jì)數(shù)器接成串行工作方式，查數(shù)字電路產(chǎn)品資料后，準(zhǔn)備采用CD4518，管腳如下列圖，該IC是一種同步加數(shù)器，在一個(gè)封裝中含有兩個(gè)可互換二/十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其功能引腳分別是⑴~⑺和⑼~⒂。該計(jì)數(shù)器是單路系列，脈沖輸入〔1或2腳；9或10腳〕，4路BCD碼輸出〔3~6腳；11~14腳〕。(CD4518)CLOCKA---異步去除輸入端〔低電平有效〕，CLOCKB—同步并行置入控制端。ENABLEA---時(shí)鐘脈沖輸入端〔上升沿有效〕，ENBLE---計(jì)數(shù)控制端。Q1A---Q4A并行數(shù)據(jù)輸入端，Q1B---Q4B輸出端。RESETA---計(jì)數(shù)控制端，RESETB---進(jìn)位輸出端。VSS---接地端，VDD---電源輸入端〔輸入電壓為5—7V〕。其工作波形如下：從4518應(yīng)用手冊給出的真值表看出，CD4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CP和EN〔ENABLEA或B〕，假設(shè)用時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，信號(hào)從CP端輸入，此時(shí)EN端接高電平“1”，假設(shè)用時(shí)鐘下降沿觸發(fā)，信號(hào)從EN端輸入，此時(shí)CP端應(yīng)接低電平“0”，不僅如此，清零端〔RESET〕也應(yīng)該保持低電平“0”，只有滿足了這些條件，電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。我們還從真值表里可以得出，利用EN端為下降沿觸發(fā)的特點(diǎn)組成N位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。從波形分析，當(dāng)輸入端的計(jì)數(shù)脈沖到第10個(gè)時(shí)，電路自動(dòng)復(fù)位0000狀態(tài)，因?yàn)?518沒有進(jìn)位功能的引腳，所以應(yīng)該充分利用第6或14腳輸出脈沖的下降沿，利用該脈沖和EN端相連，就可以實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)位的功能，根據(jù)分析結(jié)果，電路設(shè)計(jì)如下：另外從4518波形參數(shù)表可查其RESET端所需的清零電平寬度在VDD=5V時(shí)應(yīng)該大于250ns，既清零信號(hào)寬度應(yīng)至少大于250ns才能有效的將計(jì)數(shù)器清零，從測量的準(zhǔn)確度要求來看，250ns周期的頻率f=1/λ=1/250=4M，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們所測量的頻率最高值10KH，所以我們至少可以將其運(yùn)用與小于M級(jí)別頻率的測量?，F(xiàn)在可以得出結(jié)果清零信號(hào)寬度應(yīng)大于250ns，以此作為時(shí)鐘設(shè)計(jì)電路的參考數(shù)據(jù)。3．鎖存電路鎖存集成有電平和邊沿觸發(fā)之分，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮進(jìn)去，內(nèi)部構(gòu)造大都采用D觸發(fā)器形式，使用電平或者脈沖方式來觸發(fā)。而從前面的分析看，本次設(shè)計(jì)的鎖存電路必須采用邊沿觸發(fā)方式的集成電路來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榧僭O(shè)采用電平方式的話，那么在秒脈沖的正半周〔既高電平〕會(huì)使鎖存器一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，不能正常顯示測量值。因此采用邊沿觸發(fā)就可以在極短的時(shí)間內(nèi)將所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，而在其它時(shí)間內(nèi)處于封閉狀態(tài)。查閱數(shù)據(jù)集成資料并，發(fā)現(xiàn)8D鎖存器74LS324正適合要求，這款集成多在計(jì)算機(jī)電路中運(yùn)用，而且容易購置，此集成為20腳封裝，內(nèi)部有8個(gè)D鎖存器，采用兩個(gè)這樣的集成便可以實(shí)現(xiàn)4位10進(jìn)制的數(shù)據(jù)傳輸，它以上升沿來作為CP端〔即CLK〕的有效觸發(fā)，將8個(gè)D輸入同時(shí)打到輸出Q端，在輸出端加有三態(tài)驅(qū)動(dòng)，其內(nèi)部其管腳排列如下右圖，內(nèi)部構(gòu)造〔單個(gè)D觸發(fā)器〕如下右圖各管腳功能如下：OE---復(fù)位端，D0---D7為輸入端，O0---O7為輸出端，VCC—電源端〔接5V電源〕，CP---時(shí)鐘脈沖端，GND---接地端。從此集成參數(shù)和真值表〔如下〕，在其〔1〕腳使能端加上低電平才能有效得使輸出端得到所需的數(shù)據(jù)，其他狀態(tài)不傳送數(shù)據(jù)，也可從上圖分析此〔1〕腳是控制三態(tài)門的，相當(dāng)于電路的通斷開關(guān)，只有當(dāng)它接到低電平時(shí)，電路才能正常工作。〔上圖可知在滿足了OE端低電平的條件下，只有在CP端的上沿到來時(shí)間才能使Q端有效翻轉(zhuǎn)，到達(dá)我們預(yù)期設(shè)計(jì)所需要的邊沿觸發(fā)的要求?！车珡臅r(shí)鐘的角度出發(fā)，對(duì)374的邊沿特性仍然有要求，因?yàn)殡娐芬髮?duì)鎖存器進(jìn)行鎖存以后才能將計(jì)數(shù)器清零，否那么在鎖存未穩(wěn)定前就將計(jì)數(shù)器清零勢必造成顯示的錯(cuò)誤。我們從374應(yīng)用手冊中給出的數(shù)據(jù)中可知，在cp端的上升沿到來時(shí)，從Q端輸出延時(shí)有15~28ns，數(shù)據(jù)和波形分別如下：時(shí)隙極限〔ns)測試環(huán)境MinmaxmaxTplhTphl15192828CL=45pfRL=667Ω因此從CP端的上沿到達(dá)時(shí)即超過1.3V電壓時(shí)，可以使Q端翻轉(zhuǎn)，而且能夠在至少在28ns以內(nèi)成觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的任務(wù)，只要在此時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器不清零就可以使電路正常工作，時(shí)鐘設(shè)計(jì)時(shí)就可以以此為依據(jù)。4。譯碼顯示電路市場上比擬多見數(shù)碼顯示器件是LED數(shù)碼管，它有亮度高、售價(jià)低等特點(diǎn)，非常適合本電路制作。

數(shù)碼管的外形尺寸和內(nèi)部構(gòu)造如下圖，

主要參數(shù)如下：1.6V~4.2V；功耗≤400mW，工作電流≤10mA；分為共陽極和共陰極兩種極性，本電路選用共陰極。其引腳按頂視圖的〔1〕管腳開始，順時(shí)針讀數(shù)，〔3〕腳和〔8〕腳為公共腳，其中〔5〕腳為小數(shù)點(diǎn)，本電路不做連接。

引腳分別如下：數(shù)碼管與配套的驅(qū)動(dòng)集成器件一起工作，通常稱為ＢＣＤ－７段譯碼器。查閱譯碼集成，發(fā)現(xiàn)有很多都能與ＬＥＤ管有很好的協(xié)調(diào)工作，最后確定為CD4543，它是一種中功率器件，在額定5V電壓下輸出4.5V的最大電壓，輸出電流達(dá)1mA左右，本電路總共需要4塊CD4543。管腳排列如下：

LATCHDISABLE---燈測試輸入端〔高電平有效〕，BCDINPUTS〔A—D〕---譯碼地址輸入端，PHASE和BKANKING—均為消隱端〔低電平有效〕，VDD接地，VSS電源端，a—f輸出端。電源電壓7V，輸入電壓5V，工作環(huán)境溫度0--70℃，儲(chǔ)存溫度-65--150℃集成從〔2〕~〔5〕腳依次輸入二進(jìn)制BCD碼的高位到低位，〔9〕腳~15腳輸出點(diǎn)燃數(shù)碼管所需要的二進(jìn)制電壓，(1)端為鎖存控制，〔7〕端為消隱端，〔6〕端為L6CD用。同時(shí)，從原先的設(shè)計(jì)思路出發(fā)，〔1〕腳鎖存端不使用，再結(jié)合其真值表，〔1〕管腳需接高電平，而〔6〕、〔7〕管腳均要接低電平，滿足此要求才能正常工作。

譯碼器和數(shù)碼管工作的方式一般有動(dòng)態(tài)掃描和靜態(tài)驅(qū)動(dòng)兩種，前者電路工作原理較為復(fù)雜，數(shù)碼管處于連續(xù)依次被點(diǎn)燃狀態(tài)，利用人眼視覺惰性產(chǎn)生數(shù)字顯示靜態(tài)的效果，通常只用兩塊集成就可以完成譯碼和顯示的工作。而靜態(tài)工作狀態(tài)中，數(shù)碼管會(huì)持續(xù)點(diǎn)燃，在特定時(shí)間的更新顯示，所以顯示無視覺閃爍，而且電路調(diào)試簡單，本電路考慮到前級(jí)74LS324已經(jīng)鎖定數(shù)據(jù)，因此配合靜態(tài)工作能很好完成顯示的工作，所以本電路選用靜態(tài)連接。

根據(jù)管腳分布和譯碼參數(shù)及管腳分布，電路設(shè)計(jì)如下：

5．時(shí)鐘電路及波形設(shè)計(jì)根據(jù)以上各電路功能模塊的需求，時(shí)鐘電路總共需要產(chǎn)生兩路輸出信號(hào)，一路是頻率為1秒的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖，利用其上沿對(duì)鎖存器進(jìn)行鎖存，另一路是計(jì)數(shù)器的清零脈沖，要求脈沖寬度≥250ns才可以有效得將計(jì)數(shù)器清零，頻率仍然是1秒。而且在鎖存以后才可以對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，考慮到鎖存在25ns之內(nèi)完成工作，所以只要電路調(diào)試得當(dāng)，無須再加延時(shí)電路，而且從上面設(shè)計(jì)的方框圖可知，矩形脈沖經(jīng)過一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路以后才產(chǎn)生清零脈沖，單穩(wěn)態(tài)集成也存在不可人為的延時(shí)存在，所以電路可以正常工作。為了便于讀數(shù)，應(yīng)使計(jì)數(shù)器累計(jì)的數(shù)值保存一段時(shí)問，該時(shí)間在O．5s～5s連續(xù)可調(diào)，因此設(shè)計(jì)一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)間延遲。由于延遲的時(shí)間較長，應(yīng)合理選擇R、C的值。由于要求時(shí)間連續(xù)可調(diào)，R應(yīng)選擇電位器實(shí)現(xiàn)。各局部設(shè)計(jì)如下：

〔1〕：時(shí)鐘產(chǎn)生電路時(shí)鐘產(chǎn)生方式很多，可以由各種門電路，環(huán)諧振電路，也可以由觸發(fā)器、555集成構(gòu)成，諧振可以是電容，晶體。因基準(zhǔn)時(shí)間的穩(wěn)定度決定著測頻的精度，因此應(yīng)當(dāng)采用頻率穩(wěn)定度非常好的晶體振蕩器。一般晶體的串聯(lián)諧振頻率都在兆赫以上，故需分頻處理。為了電路調(diào)試方便，綜合條件，采用CMOS集成加晶振，采用晶振較為多見的時(shí)鐘晶振，諧振頻率為32.786k。查閱數(shù)據(jù)集成資料，發(fā)現(xiàn)CD4046符合各方面的要求，它內(nèi)部含有14級(jí)的二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，可以進(jìn)行214分頻，32.768k諧振頻率經(jīng)過內(nèi)部14級(jí)計(jì)數(shù)器214=16372分頻后可以得到2HZ的精確頻率。現(xiàn)在所需要的1秒的時(shí)鐘，因此2HZ的脈沖需在經(jīng)過一個(gè)二分頻電路就可以輸出準(zhǔn)確1秒脈沖。左圖便是CD4060的應(yīng)用接線圖，

〔11〕和〔10〕管腳內(nèi)部電路和外圍組成典型的石英晶體門振蕩電路，產(chǎn)生32.678KHZ的頻率信號(hào)進(jìn)入14級(jí)計(jì)數(shù)器后，在3腳輸出2HZ的頻率方波。C1和C2做頻率微調(diào)，輸出頻率主要取決于石英晶體。

對(duì)于2HZ的方波仍然無法讓電路正常工作，需要進(jìn)行2分頻才能產(chǎn)生1秒的時(shí)鐘，因此本電路設(shè)計(jì)一個(gè)JK觸發(fā)器進(jìn)行2分頻，分頻后的方波可以直接用來控制鎖存電路的工作。

本電路采用CD4027作為2分頻的器件，其管腳分布為：從左圖可知，內(nèi)部含有兩套相同的JK觸發(fā)器，〔1〕和〔2〕為輸出端，〔3〕腳為前級(jí)時(shí)鐘輸入，〔4〕管腳為直接復(fù)位端，〔7〕管腳是更新即為置位端，本電路要將其接到低電平，〔5〕和〔6〕腳為JK端，即為數(shù)據(jù)輸入端，需接高電平。從〔1〕腳輸出的信號(hào)既是所需要的1HZ方波。

電源電壓為7V，工作環(huán)境溫度為0-70℃，儲(chǔ)存溫度為-65-150℃。同步JK觸發(fā)器工作原理a.電路組成克服同步RS觸發(fā)器在R=S=1時(shí)出現(xiàn)不定狀態(tài)的另一種方法是將觸發(fā)器輸出端Q和輸出的互補(bǔ)狀態(tài)反應(yīng)到輸入端,這樣,G3和G4的輸入不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)0,從而防止了不定狀態(tài)的出現(xiàn),電路如圖,(a)所示,圖(b)為其邏輯符號(hào),J和K為信號(hào)輸入端。b，邏輯功能當(dāng)cp=0時(shí),G3，G4被封鎖，都輸出1，觸發(fā)器保持原狀態(tài)。當(dāng)cp=1時(shí)，G3，G4解除封鎖，輸入J,K端的信號(hào)可控制觸發(fā)器的狀態(tài)。、〔1〕當(dāng)J=K=0，G3和G4都輸入1，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，即〔2〕當(dāng)J=1，K=0時(shí)，如觸發(fā)器為的0狀態(tài)，那么在cp=1時(shí)，G3輸入全1，輸出為0，G1輸出。由于K=0，G4輸出1，這樣G2輸入全一，輸出。觸發(fā)器翻到1狀態(tài)，即如觸發(fā)器為的1狀態(tài)，在CP=1時(shí)，G3和G4的輸入分別為和K=0，這兩個(gè)門都輸入1，觸發(fā)器保持原來的1狀態(tài)不變，即。可見，在J=1，K=0時(shí)，不管觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)，那么在CP由0變?yōu)?后，觸發(fā)器翻到和相同的狀態(tài)?！?〕當(dāng)J=0,K=1時(shí)，用同樣的方法分析可知，在CP由0變?yōu)?后，觸發(fā)器翻到0狀態(tài)，即翻到和J一樣的0狀態(tài)，即如觸以器的狀態(tài)為在CP=1時(shí)，G4輸入全為1，輸出為0，G3輸入有，輸入1。因此G2輸出，G1輸入全1輸出觸發(fā)翻到0狀態(tài)。可見，在J=K=1時(shí)，每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖CP觸發(fā)器的狀態(tài)變化一次，電路處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，這時(shí)，但要求CP寬度小于三個(gè)傳輸延遲時(shí)間之和，由此可列出同步JK觸發(fā)器的特性表，如下圖JK說明00000101輸出狀態(tài)不變00110100輸出狀態(tài)和J相同〔置0〕11000111輸出狀態(tài)和J相同〔置1〕2〕：單穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)

從4027第〔3〕腳輸出的方波仍然無法進(jìn)行正常清零的工作，此管腳需要接一個(gè)單穩(wěn)態(tài)處理后才能進(jìn)行清零。從前面的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，單穩(wěn)態(tài)電路輸出的波形寬度至少要到達(dá)250ns才能正常清零。查詢有關(guān)集成數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)CD4528是一種雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)器件，它的管腳及真值表分別如下：CD4528里同樣有兩組單穩(wěn)態(tài)電路，〔1〕和〔2〕管腳是微分定時(shí)輸入端，〔3〕管腳是使能端，即外接電容端，〔4〕和〔5〕管腳組成與門電路，〔5〕管腳與〔4〕管腳反相，因?yàn)榇穗娐分恍枰?只管腳輸入端，我們使用〔4〕管腳即同相脈沖輸入端，將〔5〕腳接高電平即可。〔6〕和〔7〕是輸出端，其中〔6〕管腳為正脈沖輸出端，〔7〕管腳為負(fù)脈沖輸出端，〔8〕管腳VSS接電源，電源電壓為7V，輸入電壓為5V，工作環(huán)境溫度為0-70℃，儲(chǔ)存溫度為-65-150℃左圖由R3和C3組成微分定時(shí)，單穩(wěn)態(tài)輸出波形寬度為=0.2*R3*C3*(VDD-VSS)，本電路由10K電阻和0.01UF電容組成，輸出TW時(shí)間寬度為25us〔標(biāo)準(zhǔn)值〕,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足計(jì)數(shù)器所需要的250ns的時(shí)間寬度。

頻率為2HZ的信號(hào)從〔4〕管腳輸入，250ns的方波從第〔6〕腳輸出至計(jì)數(shù)器的清零端，微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器a、電路組成電路如下圖，它由兩個(gè)COMS或非門和RS電路組成。G2輸出和G1輸入為直接偶合，而G1輸出和G2輸入用RC微分電路偶合。因此，稱為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。b、工作原理對(duì)于CMOS門電路，可以認(rèn)為輸出的高電平Uoh≈Vdd,輸出的低電平Uol≈0V，兩個(gè)或非門的閾值電壓UTH都為。下面參考圖所示波形分四個(gè)階段討論它的工作原理，1穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)輸入電壓U1為低電平時(shí)，由于G2輸入通過電阻R接VDD，因此G2輸出低電平Uol≈0V，G1輸入全0，輸出Uol為高電平Uoh≈Vdd,，這時(shí)電容C的有電壓Uc≈0V,電路處于U01為高電平,u02為低電平為0的穩(wěn)定狀態(tài)。觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入電壓U1由低電平正躍到大于G1的閾值電壓UTH時(shí),使G1輸入電壓UTH產(chǎn)生負(fù)躍變,通過電容C的耦合,使G2的輸入電壓U12產(chǎn)生負(fù)躍變,這又促使G2輸出電壓U02產(chǎn)生正躍變,它瑞反應(yīng)到G1的輸入端,使輸出U01產(chǎn)生負(fù)躍變,于是,電路產(chǎn)生如下正反應(yīng)過程。正反應(yīng)的結(jié)果使G1開通，輸出U01迅速躍到低電平，由于電容兩端的電壓不能突變，使U12產(chǎn)生同樣有負(fù)躍變，G2輸出U02由低電平迅速躍到高電平于是，電源經(jīng)R，CTG1的輸出電阻開始對(duì)電容C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。由于G1開通時(shí)輸出電阻很小，可忽略不計(jì)。所以電容C充電的時(shí)間常數(shù)T=RC.要求在暫穩(wěn)態(tài)期間輸入電壓U1回到低電平。，自動(dòng)翻轉(zhuǎn)隨著電容C的充電Uc隨之升高，電壓U12也逐漸升高，當(dāng)U12上升到G2的Uth時(shí)，U02下降，使U01上升，又使U12進(jìn)一步增大。電路又產(chǎn)生是別一個(gè)正反應(yīng)過程。正反應(yīng)使G1迅速關(guān)閉。輸出U01躍到高電平，G2迅速開通。輸出U02躍到低電0。電路返回到初始的穩(wěn)定狀態(tài)。4，恢復(fù)過程暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容C通過電阻R，G的輸入保護(hù)回路放電，使C上的電壓恢復(fù)到初始狀態(tài)時(shí)的0V。在使用微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時(shí)，輸入觸發(fā)脈沖U1的寬度應(yīng)小于輸出脈出脈沖的寬度，即〈，否那么電路不能正常工作。如出現(xiàn)〉的情況，可在觸發(fā)信號(hào)源U1和G1輸入端之間接入一個(gè)RdCd微分電路，如下圖。具的輸入微分電路的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)以上分析畫出時(shí)鐘電路總接線圖，如下所示：四：制作和調(diào)試〔1〕：根據(jù)設(shè)計(jì)所需，列主要器件清單：器件名稱：用處及規(guī)格數(shù)量IC

CD40106整形1IC

CD4518計(jì)數(shù)2IC

74LS374鎖存2IC

CD4543譯碼4IC

CD4060時(shí)鐘產(chǎn)生1IC

CD40272分頻1IC

CD4528單穩(wěn)態(tài)1光電開關(guān)管

1晶體振蕩器32.768k1LED數(shù)碼顯示

4除此外還有電容和電組假設(shè)干，供電電源等未列入清單。(1)主電路①譯碼、顯示電路將各數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)位暫時(shí)不接，將各譯碼器的滅燈輸人端先暫時(shí)接至無效狀態(tài)，使電路能夠正常顯示。②四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器用實(shí)驗(yàn)儀上的連續(xù)脈沖(方波)信號(hào)接至計(jì)數(shù)器的CP端，當(dāng)四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器分別調(diào)試正常后，將四位級(jí)連接起來，使之實(shí)現(xiàn)10000進(jìn)制計(jì)數(shù)。這時(shí)需注意觀察是否各位進(jìn)位均正常。再將各計(jì)數(shù)器的異步置0端連在一起，暫時(shí)接地，觀察是否實(shí)現(xiàn)置全O。〔2〕被測信號(hào)放大整形電路為便于調(diào)試，可自行設(shè)計(jì)一個(gè)頻率可調(diào)的正弦波發(fā)生器，作為被測信號(hào)。也可以直接利用實(shí)驗(yàn)儀的連續(xù)脈沖(正弦波)信號(hào)?？衫檬静ㄆ饔^察施密特觸發(fā)器是否實(shí)現(xiàn)了波形的整形?！?〕顯示時(shí)間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、復(fù)原單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器先單獨(dú)調(diào)試該局部電路，可用LED電平指示燈觀察其輸出信號(hào)。正確后與其他電路連接，可觀察到當(dāng)該局部電路完成后，能夠得到設(shè)計(jì)要求的顯示結(jié)果。2〕利用protel制圖并采取手動(dòng)布線，結(jié)果分別見附圖〔1〕附圖〔2〕。嚴(yán)格按所電路設(shè)計(jì)實(shí)施制作，力求一次成功。但在制作調(diào)試過程中仍遇到很大的困難。調(diào)試過程記錄如下：(a)數(shù)碼顯示錯(cuò)誤測量電壓發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示錯(cuò)誤，比方目標(biāo)顯示5，而實(shí)際顯示3，分別測量數(shù)碼管的f端和b端，發(fā)現(xiàn)管腳在制作印刷電路板f腳和b腳換位，以至產(chǎn)生此錯(cuò)誤，互換后正常。(b)數(shù)碼顯示高低位數(shù)錯(cuò)誤這是在設(shè)計(jì)初期沒有想到的問題，protel布線后出來應(yīng)該是反面輔銅板的線路，在制作時(shí)就非常注意這個(gè)問題。但是數(shù)碼管排列成一字形后，沒有考慮到高位在左邊，低位在右邊的問題，所以造成觀察數(shù)據(jù)要倒著看。假設(shè)直接改變譯碼器到數(shù)碼管之間的引線，勢必會(huì)造成大面積改線，于是從計(jì)數(shù)器如手，將計(jì)數(shù)器的引線重新更改，信號(hào)計(jì)數(shù)脈沖從原先的高位引入，其它依次向后推。改后顯示正常。(c)無法更新顯示也就是在脈沖的上沿到來時(shí)，鎖存器沒有被觸發(fā)，無法傳遞數(shù)據(jù)。檢查CD4027〔1〕腳電壓，發(fā)現(xiàn)沒有秒脈沖，也就是說就沒有高電平的上沿，當(dāng)然鎖存器也就無法得到觸發(fā)脈沖。再測量CD4060〔3〕腳電壓，發(fā)現(xiàn)電壓在0.5V到4.6V之間來回抖動(dòng)，頻率在0.5秒左右，說明時(shí)鐘產(chǎn)生電路完全正常，問題出在CD4027上，仔細(xì)檢查其電路接線，發(fā)現(xiàn)第6腳的輔銅在腐蝕時(shí)被截短，將其重接上后恢復(fù)正常。(d)時(shí)鐘電路的調(diào)試因頻率很高，是否正常起振不好，檢驗(yàn)，可通過觀測后級(jí)電路是否有輸出來進(jìn)行檢驗(yàn)。借助于頻率計(jì)對(duì)CD4060進(jìn)行測量，為不影響振蕩工作，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)囊_進(jìn)行測量，最后選擇在7端或者5端進(jìn)行測量〔7端標(biāo)準(zhǔn)頻率為2048HZ，5端為1024HZ〕。微調(diào)可變電容C2，使7腳〔或5腳〕輸出接近2048HZ〔或1024HZ〕。五．電路設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析本電路具有測量精度高，調(diào)試制作簡單等特點(diǎn)，但還存在許多缺乏之處有待改良：1．本電路總共使用12塊集成，所以存在很大的亢余度，局部集成內(nèi)部只用了1/6，造成浪費(fèi)。如顯示電路可以采用動(dòng)態(tài)顯示的方法，采用一體化的集成既譯碼鎖存計(jì)數(shù)為一體的集成。2．對(duì)轉(zhuǎn)速的測量單位為秒，因此就提供轉(zhuǎn)速測量的功能來講并不是最正確結(jié)果，應(yīng)該是以分為單位。3現(xiàn)在測量方法實(shí)現(xiàn)的原理是以計(jì)數(shù)測頻率，假設(shè)以測周期的方法〔既測量一轉(zhuǎn)的周期〕，然后再進(jìn)行數(shù)位轉(zhuǎn)換便可以提供測量每分鐘轉(zhuǎn)速的功能。4精度理論計(jì)算：當(dāng)LT＝1，RBI＝0且輸入代碼DCBA＝0000時(shí)，各段輸出a～g均為低電平，與BCD碼相應(yīng)的字形熄滅，故稱“滅零”。利用LT=1與RBI=0可以實(shí)現(xiàn)某一位的“消隱”。此時(shí)BI/RBO是輸出端，且RBO=0。BI/RBO作為輸出使用時(shí)，受控于LT和RBI。當(dāng)LT＝1且RBI＝0，輸入代碼DCBA=0000時(shí)，RBO=0；假設(shè)LT=0或者LT＝1且RBI＝1，那么RBO=1。該端主要用于顯示多位數(shù)字時(shí)，多個(gè)譯碼器之間的連接。從功能表還可以看出，對(duì)輸入代碼0000，譯碼條件是：LT和RBI同時(shí)等于1，而對(duì)其它輸入代碼那么僅要求LT＝1，這時(shí)候，譯碼器各段a～g輸出的電平是由輸入BCD碼決定的，并且滿足顯示字形的要求輸出脈沖寬度的計(jì)算單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度實(shí)際上是暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間，用表示，它為電容C上的電壓由低電平0V充到G2的 所需的時(shí)間。電路過渡達(dá)程公式為由式可得將時(shí)間t=t1作為計(jì)算起點(diǎn)，由前面的討論可知：電容C充電的初始電壓，充電電源電壓為，即當(dāng)時(shí)間t=時(shí)，充電時(shí)間常數(shù)T≈RC，將上述參數(shù)代入公式計(jì)算六．經(jīng)驗(yàn)總結(jié)從總體上來看，電路設(shè)計(jì)制作還是比擬成功的，跟以往的制作相比，本次電路完全是在自己個(gè)人的思路下創(chuàng)作出來的，因此獲得了很多的經(jīng)驗(yàn)，綜合如下：

1．設(shè)計(jì)思路是實(shí)施操作的扎實(shí)基石一個(gè)良好的設(shè)計(jì)思路，是電路的生命。寧愿在思路設(shè)計(jì)上多花上50%的時(shí)