電子電路課程設計

1、 本科生課程設計報告題目：正弦波發(fā)生及頻率顯示電路設計學院：物聯(lián)網(wǎng)工程學院專業(yè)：通信工程學生姓名： 鄭麗麗 學號： 0702090202 同實驗者姓名： 吳昊 評分： 日2012年6月22號目錄1、 設計課題 32、 設計任務和技術要求 33、 設計方案 34、 電路的工作原理分析與仿真 44.1 局部電路的設計與分析44.2 總電路圖 124.3 仿真電路 135、 電路的調試與測量 135.1 調試內容及步驟 135.2 調試成功后的實物圖展示135.3 調試中存在的問題及其解決方法146、 課程設計的收獲與體會 14七、 附錄 157.1 所需器件清單157.2 面包板157.3 有關器

2、件的引腳圖示 167.4 總電路的設計圖紙171、 設計課題：正弦波發(fā)生及頻率顯示電路的設計2、 設計任務及技術要求： 1、正弦波能變換成方波，波形失真較??；5V電源電路能提供5V左右電壓； 2、測量范圍為1999nF； 3、數(shù)碼管能正確顯示測量結果；具有超量程指示； 4、能自動地進行連續(xù)測量，測量周期為4s，測量結果保持2s左右。三、設計方案波形變換單穩(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電路圖1 總電路的組成框圖圖2 總電路圖的設計正弦波發(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

3、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。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。四、電路的工作原理分析與仿真1、局部電路的設計與分析(1) 正

4、弦波發(fā)生及波形變換電路圖3 正弦波發(fā)生及波形變換仿真電路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)正弦波到方波的變換。電路要產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，調節(jié)電位器Rf使之略大于4k；RC橋式電路中應調節(jié)電位器R2，使R2=R=10k。 圖4 正弦波發(fā)生及波形變化電路的仿真結果(2) 5V電源電路 圖5 5V電源電路的仿真結果5V電源電路主要有運算放大器、晶體管組成，為后續(xù)各部分電路

5、提供5V電源。(3) 單穩(wěn)態(tài)定時電路 圖6 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) 計數(shù)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=

6、0(b) MC14553功能說明 MC14553邏輯結構示意圖如圖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

7、”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。若需將鎖存器內的信息清除鎖存器“LE”端加“0”電平。 MC14533

8、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轉換電路在轉換期間的輸出時高電平，以及要用來控制計數(shù)器計數(shù)。可從表1有灰色的三行中看出，將C-T轉換電路的輸出加到“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

9、功能表輸入顯示LE(S)BILTDCBA0消隱108011000000110001101100102011001130110100401101015011011060110111701110008011100190111010消隱0111011消隱0111100消隱0111101消隱0111110消隱0111111消隱111鎖存CD4511具有內部抑制非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

10、驅動電流可達25mA，因此在驅動LED做管時要加限流電阻。(b) 顯示譯碼電路 計數(shù)和譯碼顯示電路如圖11所示，其中顯示譯碼電路為掃描顯示電路（也稱為動態(tài)顯示電路）。掃描顯示的基本原理是利用人眼的視覺惰性和發(fā)光二極管的余輝效應。在圖10中，在MC14553輸出個位的BCD碼時，DS1=0，個位的數(shù)碼管在V1的驅動下，顯示個位的數(shù)字，在這期間DS2與DS3均為1，V2,V3截止，十位和百位的數(shù)碼管上沒有顯示。接著，輸出十位的BCD時，DS2=0，只顯示十位的數(shù)字。然后當DS3=0時顯示百位的數(shù)字。再顯示個位的數(shù)字,就這樣有周期性地掃描。當掃描頻率較高時，我們看到的是三位穩(wěn)定的顯示數(shù)字。在該電路中

11、，由C1決定掃描，故C1不能取得太大，不然數(shù)碼管的顯示會出現(xiàn)閃爍。圖11 計數(shù)和顯示譯碼電路(c) 限流電阻的選取 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，一個三極管要驅動一只數(shù)碼管，即要驅動七只發(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12 譯碼電

12、路元器件參數(shù)計算示意圖(6) 超量程指示電路的設計超量程指示電路如圖12所示。圖中由或非門構成的是一個基本的RS觸發(fā)器，當MC14553在計數(shù)到1000個脈沖時，“OF”端會輸出一個正脈沖，RS觸發(fā)器Q置1，LED亮，表示被測電容已超過999nF，這時的顯示器讀數(shù)已不再是被測電容的容量。在復位信號的作用下，Q端置0，等待下一次測量。 圖13 超量程指示電路圖14 控制電路(7) 控制電路的設計根據(jù)數(shù)字式電容計的工作原理，控制電路實際上是一低頻信號發(fā)生器，振蕩周期為4秒，它的精度和穩(wěn)定度要求不高。因此，可用圖13所示的電路來構成。振蕩電路中在Rs=R的條件下，振蕩周期的估計式為T1.8RC，即有

13、1.8RC=4s,取C=0.1uF，則R取22M。 由于MC14552在高電平清零時，位選擇輸出端DS1DS3都是1，將便顯示器消隱如果清零信號的高電平持續(xù)時間較長，會看到消隱現(xiàn)象。為避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，控制電路中通過Cr和Rr組成的微分電路把清零信號加到計數(shù)器清零端。這樣，計數(shù)器只是靠清零信號的上升沿清零，即使清零的高電平持續(xù)很短，靠人眼的視覺惰性，就不會覺察到有消隱現(xiàn)象。2. 總電路圖圖15 總電路的仿真結果3、各個電路及總電路的仿真結果已包含在以上分析的結果中，分別見圖3、圖4、圖5、圖6、圖12、圖15。5、 電路的調試與測量1、調試內容及步驟：(1) 測正弦波發(fā)生及波形變換電路，用示波

14、器觀察正弦波與方波的產生：先測量RC橋式正弦波正當電路的輸出端，調節(jié)50k電位器直至觀察到正弦波；再測量Uoa，調試使之產生方波；(2) 測5V電源電路：用萬用表測三極管發(fā)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、以下為調試成功后的實物圖： 圖16 正弦波的發(fā)生圖17 成功顯示的方波 圖 18 成功顯

15、示的面包板接線圖3、調試中存在的問題及其解決方法：(1) 電路不產生正弦波，741芯片發(fā)熱：電路中存在管腳短接現(xiàn)象，電位器壞了，不能調節(jié)；用萬用表逐個查找短路的地方；(2) 正弦波失真嚴重，調試；(3) 5V電源電路輸出電壓有2V多，經檢查發(fā)現(xiàn)，電阻的選用不當。6、 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與專業(yè)素質。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

16、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。總之這次的課題設計讓我收獲頗多。七、附錄1、 所用的相關器件清單：電阻2008個NE 5551個1K1個741運算放大器3個2K2個CD40011個2.7K4個MC145531個10K3個CD45111個91K2個NPN三極管80501個2M1個PNP三極管85504個22M2個共陰七段 數(shù)碼管3個電位器50K2個穩(wěn)壓管二極管2個電容103 (0.01uf)4個104 (0.1uf）3個104 (0.1uf）3個474 (0.47uf)1個2、面包板   面包板（集成電路實驗板）是電路實驗中一種常用