课程设计--正弦波发生、频率显示电路设计

('电子技术课程设计实验报告实验名称：正弦波发生、频率显示电路设计专业班级：实验时间学生姓名学号同实验者：实验成绩：目录一、课题名……………………………………………1二、设计任务和要求…………………………………1三、设计方案…………………………………………1四、电路的工作原理分析与仿真……………………24.1局部电路的设计与分析…………………………24.2总电路图……………………………………104.3仿真电路……………………………………11五、电路的调试与测量……………………………115.1调试内容及步骤………………………………115.2调试成功后的实物图展示………………………115.3调试中存在的问题及其解决方法………………12六、课程设计的收获与体会………………………12七、附录……………………………………………127.1所需器件清单…………………………………127.2面包板…………………………………………131一、设计课题：正弦波发生及频率显示电路的设计二、设计任务和要求：1、振荡频率100~1000Hz，输出信号幅度5±5%V；2、用3位数码管显示振荡频率；3、用中规模集成电路实现；4、能自动地进行连续测量，显示频率，测量周期为4s。三、设计方案图1总电路的组成框图波形变换单稳态定时计数器显示译码超量程指示正弦波振荡器控制电路2图2总电路图的设计正弦波发生及频率显示电路的框图如图1所示，它由正弦波振荡器及波形变换电路、5V电源电路、单稳态定时电路、计数器、译码显示电路、超量程指示电路和控制电路七部分组成。1、正弦波发生及波形变换电路是由RC桥式正弦波振荡电路和电压比较器组合而成的。2、5V电源电路是主要利用三极管特性与运算放大器组合制作的。3、1s定时电路是利用555定时器构成单稳态触发器来定时。4、计数器设计为三位十进制计数器，采用MC14553三位BCD加法计数器。5、显示译码电路选用CD4511显示译码器，利用三极管驱动数码管，把计数器3计到的脉冲数用十进制数字显示出来。6、超量程指示电路是由或非门构成的一个基本RS触发器。7、控制电路实际上是一低频信号发生器，根据数字式电容计的工作原理来设计，采用CD4001芯片。四、电路的工作原理分析与仿真1、局部电路的设计与分析(1)正弦波发生及波形变换电路图3正弦波发生及波形变换仿真电路RC桥式正弦波振荡电路以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈电路为放大环节，具有振荡频率稳定、带负载能力强、输出电压失真小等优点。波形变换电路用电压比较器来实现正弦波到方波的变换。电路要产生正弦波需满足起振条件和幅值条件Au=(1+Rf/R1)>=3，即Rf>=2R1=4kΩ，调节电位器Rf使之略大于4kΩ；RC桥式电路中应调节电位器R2，使R2=R=10kΩ。4图4正弦波发生及波形变化电路的仿真结果5(2)5V电源电路图55V电源电路的仿真结果5V电源电路主要有运算放大器、晶体管组成，为后续各部分电路提供5V电源。(3)单稳态定时电路6图61s定时电路用555定时器构成单稳态定时电路，有Tw=1.1RC=1.10.472=1.034≈1s，式中R和C为定式电阻和电容。在电路中加入由Cr和R1组成的微分电路，这样单稳态电路只要靠输入的下降沿触发。考虑到定时精度和测量速度，取R1=91kΩ。(4)计数电路(a)计数器的选用计数器采用MC14553，它是三位BCD加法计数器，集成电路的引脚排列图和功能表如图7和表1所示。图7MC14553引脚图表1MC14553功能表输入输出RCLINHLE0\uf0ad00不变70\uf0af00计数0\uf0b41\uf0b4不变01↑0计数01↓0计数00\uf0b4\uf0b4不变0\uf0b4\uf0b4\uf0ad锁存0\uf0b4\uf0b41锁存0\uf0b4\uf0b40QA~QD=0(b)MC14553功能说明MC14553逻辑结构示意图如图7所示，MC14553集成电路由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器、三个锁存器以及分配锁存器的多路传输器组成。此外，还有时钟输入端的整形电路，分配多路传输器的时序扫描电路和振荡电路，以及用于显示控制的数据选择输出DS1、DS2、DS3组成。图8MC14553逻辑结构示意图图8中，振荡器提供多路数据选择器的低频扫描时钟脉冲，振荡器的振荡频率取决于连接在引出端③和④之间的外接电容C1的大小，若需外部时钟，也可以从引出端④处引入。振荡器产出的扫描时钟信号与三个为选择输出信号的时序关系见图9所示。8图9扫描时钟信号与位选择在复位端“R”上施加“1”电平时，复位信号同时作用于BCD计数器、振荡器和多路扫描电路，使得扫描电路处在初始状态，扫描振荡器禁止振荡，同时置所有的三个位选择输出DS1~DS3为“1”电平，从而不允许显示。当时钟禁止端“1NH”为“1”时，禁止时钟脉冲“CL"输入BCD计数器，计数器保存禁止前的最后计数状态。输入端得脉冲整形电路允许输入上升时间或下降时间很缓慢的信号输入计数器并可靠的工作。当锁存器的锁存允许端“LE”为“1”时，锁存器呈锁存状态，保持原有锁存器内的信息。这时BCD计数器即使施加复位信号，锁存器仍然保持原有信息。若需将锁存器内的信息清除锁存器“LE”端加“0”电平。MC14533电路还提供了一个溢出输出端“OF”，计数器每逢输入第1000个时钟脉冲的上升沿时，一处端“OF”输出一个完整的脉冲。该脉冲结束于上述条件下输入时钟的下降沿。(c)计数器电路的连接根据C-T转换电路在转换期间的输出时高电平，以及要用来控制计数器计数。可从表1有灰色的三行中看出，将C-T转换电路的输出加到“CL”端，即使脉冲从“INH”端引入。计数器其他电路的连接电路如图11所示。(5)显示译码电路的设计(a)显示译码器的选用显示译码器选用CD4511,CD4511是BCD七段锁存/译码器/驱动器，其引脚排列图和功能表分别如图10和表2所示。图10CD4511引脚图表2CD4511功能表输入显示LE(S)BILTDCBA9\uf0b40\uf0b4\uf0b4\uf0b4\uf0b4\uf0b4消隐\uf0b410\uf0b4\uf0b4\uf0b4\uf0b48011000000110001101100102011001130110100401101015011011060110111701110008011100190111010消隐0111011消隐0111100消隐0111101消隐0111110消隐0111111消隐111\uf0b4\uf0b4\uf0b4\uf0b4锁存CD4511具有内部抑制非BCD码输入的电路，当输入为非BCD码时，译码器的七个输出端全为“0”电平，显示器暗（又称为消隐）。在MC14511的输入端有四位锁存器，LE为选通端，当LE为“0”电平时允许BCD码输入端；当LE为“1”电平时锁存。MC14511每段的输出驱动电流可达25mA，因此在驱动LED做管时要加限流电阻。(b)显示译码电路计数和译码显示电路如图11所示，其中显示译码电路为扫描显示电路（也称为动态显示电路）。扫描显示的基本原理是利用人眼的视觉惰性和发光二极管的余辉效应。在图10中，在MC14553输出个位的BCD码时，DS1=0，个位的数码管在V1的驱动下，显示个位的数字，在这期间DS2与DS3均为1，V2,V3截止，十位和百位的数码管上没有显示。接着，输出十位的BCD时，DS2=0，只显示十位的数字。然后当DS3=0时显示百位的数字。再显示个位的数字……,就这样有周期性地扫描。当扫描频率较高时，我们看到的是三位稳定的显示数字。在该电路中，由C1决定扫描，故C1不能取得太大，不然数码管的显示会出现闪烁。1011图11计数和显示译码电路(c)限流电阻的选取显示译码电路中的限流电阻、三极管的基极电阻和三级管的计算与选择可按图11所示的方法进行。设图中的三极管V工作在放大区，VCE=2V,则\uf057\uf03d\uf02d\uf03d\uf057\uf03d\uf02d\uf02d\uf03d.6k2.50.70220010226BRR205.010\uf03d\uf03d\uf062三极管的实际的显示译码电路中，一个三极管要驱动一只数码管，即要驱动七只发光二极管，而且在扫描显示中，数码管的每段电流要大一些。设每段电流为15mV，基极电流由MC14553的输出驱动电流限制，设为1.3mV。这样，可算得R=133，取130，Rb=1k,β=157/1.3≈80，在这里，选用的三极管的β值要大于80，ICM要大于105mA。图12译码电路元器件参数计算示意图(6)超量程指示电路的设计超量程指示电路如图12所示。图中由或非门构成的是一个基本的RS触发器当MC14553在计数到1000个脉冲时，“OF”端会输出一个正脉冲，RS触发器Q置1，LED亮，表示被测电容已超过999nF，这时的显示器读数已不再是被测电容的容量。在复位信号的作用下，Q端置0，等待下一次测量。12图13超量程指示电路图14控制电路(7)控制电路的设计根据数字式电容计的工作原理，控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4秒，它的精度和稳定度要求不高。因此，可用图13所示的电路来构成。振荡电路中在Rs=R的条件下，振荡周期的估计式为T≈1.8RC，即有1.8RC=4s,取C=0.1uF，则R取22MΩ。由于MC14552在高电平清零时，位选择输出端DS1~DS3都是1，将便显示器消隐如果清零信号的高电平持续时间较长，会看到消隐现象。为避免出现这种现象，控制电路中通过Cr和Rr组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。这13样，计数器只是靠清零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，就不会觉察到有消隐现象。2.总电路图图15总电路的仿真结果3、各个电路及总电路的仿真结果已包含在以上分析的结果中，分别见图3、图4、图5、图6、图12、图15。五、电路的调试与测量1、调试内容及步骤：(1)测正弦波发生及波形变换电路，用示波器观察正弦波与方波的产生：先测量RC桥式正弦波正当电路的输出端，调节50kΩ电位器直至观察到正弦波；再测量Uoa，调试使之产生方波；(2)测5V电源电路：用万用表测三极管发射极与GND之间的电压，5V左右即为正常；14(3)测555构成的定时电路：测输出电平Uob，T=4s，1s高电平，3s低电平周期循环；(4)检查MC14553、CD4511、CD4001M、MC14511等有无接错的地方；(5)最后接通电源，各部分电路运作正常，成功地完成了实验；(6)实验结束后，拆面包板，整理回收为损坏的器件。2、以下为调试成功后的实物图：15图16正弦波的发生图17成功显示的方波161718图18成功显示的面包板接线图3、调试中存在的问题及其解决方法：(1)电路不产生正弦波，741芯片发热：电路中存在管脚短接现象，电位器坏了，不能调节；用万用表逐个查找短路的地方；(2)正弦波失真严重，调试；(3)5V电源电路输出电压有2V多，经检查发现，电阻的选用不当。六、课程设计的收获与体会通过这次课程设计，是我懂得了虽然谁小小的实验，但是还是出现了好多问题，使我认识到理论和实践的差距是多么的大，比如ＣＭＯＳ和TTL门电路使能端电压的不同，电路设计之前一定要进行基本排版的构想。线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。七、附录1、所用的相关器件清单：电阻200Ω8个NE5551个1KΩ1个741运算放大器3个2KΩ2个CD40011个2.7KΩ4个MC145531个10KΩ3个CD45111个91KΩ2个NPN三极管80501个2MΩ1个PNP三极管85504个22MΩ2个共阴七段数码管3个电位器50KΩ2个稳压管二极管2个电容103(0.01uf)4个104(0.1uf）3个104(0.1uf）3个474(0.47uf)1个2、面包板面包板（集成电路实验板）是电路实验中一种常用的具有多孔插座的插件板，可以根据电路连接要求，在相应孔内插入电子元器件的引脚以及导线等，使其与孔内弹性接触簧片接触，由此连接成所需的实验电路。图19为SYB—118型19面包板示意图，为4行59列，每条金属簧片上有5个插孔，因此插入这5个孔内的导线就被金属簧片连接在一起。簧片之间在电气上彼此绝缘。图19',)