电子电路课程设计--正弦波发生及频率显示电路设计

1、 本科生课程设计报告题目：正弦波发生及频率显示电路设计学院：物联网工程学院专业：通信工程学生姓名： 郑丽丽 学号： 0702090202 同实验者姓名： 吴昊 评分： 日2012年6月22号目录1、 设计课题 32、 设计任务和技术要求 33、 设计方案 34、 电路的工作原理分析与仿真 44.1 局部电路的设计与分析44.2 总电路图 124.3 仿真电路 135、 电路的调试与测量 135.1 调试内容及步骤 135.2 调试成功后的实物图展示135.3 调试中存在的问题及其解决方法146、 课程设计的收获与体会 14七、 附录 157.1 所需器件清单157.2 面包板157.3 有关器

2、件的引脚图示 167.4 总电路的设计图纸171、 设计课题：正弦波发生及频率显示电路的设计2、 设计任务及技术要求： 1、正弦波能变换成方波，波形失真较小；5v电源电路能提供5v左右电压； 2、测量范围为1999nf； 3、数码管能正确显示测量结果；具有超量程指示； 4、能自动地进行连续测量，测量周期为4s，测量结果保持2s左右。三、设计方案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图1 总电路的组成框图图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

3、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

4、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=4k，调节电位器rf使之略大于4k；rc桥式电路中应调节电位器r2，使r2=r=10k。 图4 正弦波发生及波形变化电路的仿真结果(2) 5v电源电路 图5 5v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。(

5、3) 单稳态定时电路 图6 1s定时电路 用555定时器构成单稳态定时电路，有tw=1.1rc=1.1*0.47*2=1.0341s，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=91k。(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7 mc14553引脚图表1 mc14553功能表输入输出rclinhle000不变000计数01不变010 计数010计数00 不变0锁存01锁存00qaqd=0(b) mc1

6、4553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8 mc14553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和之间的外接电容c1的大小，若需外部时钟，也可以从引出端处引入。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。 图9 扫描时钟信号与位选择在复位端“r”上施加“1”电

7、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ds1ds3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“

8、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10 cd4511引脚图表2 cd4511功能表输入显示le(s)bi

9、ltdcba0消隐108011000000110001101100102011001130110100401101015011011060110111701110008011100190111010消隐0111011消隐0111100消隐0111101消隐0111110消隐0111111消隐111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

10、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

11、取得太大，不然数码管的显示会出现闪烁。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 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,=15*7/1.380，在这里，选用的三极管的值要大于80，icm要大于105ma。图12 译码电路元器件参数计算示意图(6)

12、 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。 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t1.8rc，即有1.8rc=4s,取c=0.

13、1uf，则r取22m。 由于mc14552在高电平清零时，位选择输出端ds1ds3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。5、 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

14、测量rc桥式正弦波正当电路的输出端，调节50k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；(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： 图16 正弦波的发生图17 成功显示的方波 图 18 成功显示的面包板接线图3、调试中存

15、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。6、 课程设计的收获与体会通过这次课程设计，我收获了更多的知识和经验，使得我对抽象的理论有了具体的认识，掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；加深了对电路的分析能力，学会了面包板上熟练的连接电子电路及安装与调试；同时让我懂得了无论做任何工作都要具有良好的心理素质与专业素质。作为工科学生理论与实践相结合是必不可少的能力，这次亲身体验使我意识到一个元器件甚

16、至一根导线的接错，都会影响整个实验的成败与否，为以后的继续学习积累了一笔宝贵的财富。此次实验暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，只知其一不知其二。实验中我们遇到很多问题，比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。这时团结合作的重要性便体现出来，往往自己的错误自己是检查不出来的。两个人相互配合，错误才得以被找出解决。还有一点意外的收获就是在完成报告的时候，大量的公式使我彻底地掌握了word当中公式编辑器的使用。虽然这对于理工科学生是必要的基本功，但之前很少在报告中引用公式，这回算是完全掌握了。总之这次的课题设计让我收获颇多。七、附录1、 所用的相关器件清单：电阻2008个ne 5551个1k1个741运算放大器3个2k2个cd40011个2.7k4个mc145531个10k3个cd45111个91k2个npn三极管80501个2m1个pnp三极管85504个22m2个共阴七段 数码管3个电位器50k2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