紫金學(xué)院電子線路課程設(shè)計(jì)

1、電子線路課程設(shè)計(jì)第 18 頁 共 18 頁電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)南京理工大學(xué)紫金學(xué)院電光系目 錄1 引言12 方案論證12.1 測(cè)頻原理12.2 原理框圖23 電路設(shè)計(jì)23.1 電原理圖23.2 工作原理24 電路仿真34.1 模電部分34.1.1 放大器單元34.1.2 帶通濾波器單元44.1.3 電壓比較器單元54.1.4 模電部分總原理圖64.2 數(shù)電部分74.2.1 多諧震蕩器單元74.2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單元74.2.3 計(jì)數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示單元84.2.4 數(shù)電部分總原理圖95 電路安裝105.1 元器件清單105.2 電路布局115.3 面包板使用方法115.4

2、電路芯片排列115.5 連接線116 電路調(diào)試126.1 實(shí)驗(yàn)儀器126.2 注意事項(xiàng)126.3 系統(tǒng)調(diào)試127 使用說明書137.1 技術(shù)參數(shù)137.2 測(cè)量方法13結(jié) 論14附錄A 仿真總電路圖15附錄B 實(shí)際總電路圖16附錄C 實(shí)物照片17參考資料181 引言數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字，顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)以及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精度高，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計(jì)。本設(shè)計(jì)采用兩

3、位數(shù)碼管顯示的簡(jiǎn)易的數(shù)字頻率計(jì)。2 方案論證2.1 測(cè)頻原理周期性信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)，稱為電流/電壓的頻率。頻率計(jì)又稱為頻率計(jì)數(shù)器，是一種專門對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器，不論頻率計(jì)技術(shù)指標(biāo)如何定義，其基本工作原理都類似，頻率測(cè)量原理如圖2.1。圖2.1 頻率測(cè)量基本原理圖若在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)的計(jì)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)次數(shù)為No時(shí)，則被測(cè)信號(hào)的頻率F為：F = No/T式中：F為頻率，單位為Hz。No為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)定時(shí)時(shí)間為T。一般的數(shù)字式頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成：輸入電路、閘門電路，計(jì)數(shù)顯示電路和控制電路，頻率和周期測(cè)量原理框圖如圖2.2。圖2.2 頻率和周期測(cè)

4、量原理方框圖在一個(gè)頻率測(cè)量的周期過程中，被測(cè)頻率信號(hào)在輸入電路中經(jīng)過放大、濾波和整形、形成特定的被測(cè)脈沖，送到主門的一個(gè)輸入端。主門的另外一個(gè)輸入端為時(shí)基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖（定時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào)）。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定的被測(cè)脈沖才能通過主門，從而進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測(cè)信號(hào)的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來完成各種測(cè)量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)置。2.2 原理框圖簡(jiǎn)易數(shù)字式頻率計(jì)主要由輸入信號(hào)調(diào)理器、閘門電路，計(jì)數(shù)、譯碼、顯示、清0、時(shí)基和邏輯控制電路等組成，原理框圖如圖2.3。LED顯示被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)、譯碼信號(hào)調(diào)理器時(shí)基信號(hào)發(fā)生器清零電路閘門信號(hào)產(chǎn)生圖2.3 簡(jiǎn)易

5、數(shù)字式頻率計(jì)方框圖3 電路設(shè)計(jì)3.1 電原理圖基于模電、數(shù)電的數(shù)字頻率計(jì)電原理圖如圖3.1。圖3.1 簡(jiǎn)易頻率計(jì)電原理圖3.2 工作原理如圖3.1，本設(shè)計(jì)主要包括電壓放大器、有源帶通濾波器、比較器、單穩(wěn)電路、閘門信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)、顯示、時(shí)基和邏輯控制電路等。（1）輸入信號(hào)通過放大器放大，有源帶通濾波器選頻，電壓比較器整形后，頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)頻。（2）由NE555產(chǎn)生周期約2s的時(shí)基信號(hào)，是頻率計(jì)的主要工作時(shí)序，在該信號(hào)的一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)，頻率計(jì)可以完成清零，計(jì)數(shù)、顯示和計(jì)數(shù)結(jié)果保持，在下一周期時(shí)重復(fù)上述過程。簡(jiǎn)易頻率計(jì)工作波形示意圖如圖3.2。圖3.2 簡(jiǎn)易頻率計(jì)工作波形示意圖（3）用N

6、E555時(shí)基信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的周期信號(hào)的上升沿，觸發(fā)由74LS123電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)發(fā)生器1，產(chǎn)生對(duì)計(jì)數(shù)器清零的脈沖信號(hào)，使計(jì)數(shù)器在工作前歸零，該脈沖信號(hào)的寬度一般約1ms左右，由該單穩(wěn)態(tài)電路的RC參數(shù)值決定。（4）計(jì)數(shù)器清零后，需要一個(gè)閘門信號(hào)控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，用清零脈沖信號(hào)的下降沿，觸發(fā)另一個(gè)單穩(wěn)電路2，從而產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的1s閘門信號(hào)。在該閘門信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器可以計(jì)數(shù)，頻率計(jì)完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的測(cè)頻。閘門信號(hào)的寬度為1s左右，由單穩(wěn)態(tài)電路2的RC參數(shù)值決定。（5）二級(jí)十進(jìn)計(jì)數(shù)器電路由兩個(gè)74LS160組成，譯碼驅(qū)動(dòng)與顯示電路由74LS47和七段共陽級(jí)數(shù)碼管組成。4 電路仿真4.1 模電部分

7、4.1.1 放大器單元該放大器可以把技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的輸入信號(hào)放大到足夠的電平，以驅(qū)動(dòng)后面的電壓比較器，放大器可采用OP07集成運(yùn)放，如圖4.1所示。圖4.1放大器電路參數(shù)計(jì)算：電壓放大倍數(shù)uo=（1+ ）ui波形如圖4.2。圖4.2放大器電路波形圖4.1.2 帶通濾波器單元帶通濾波電路的設(shè)計(jì)中心頻率為1KHz左右，通帶寬度BW=100Hz左右。巴特沃斯濾波器：特點(diǎn)是帶內(nèi)帶外最佳平穩(wěn)，但低階的過度帶比較寬。切比雪夫?yàn)V波器：特點(diǎn)是過度帶可以很窄，但帶內(nèi)帶外幅頻震蕩比較嚴(yán)重。帶通濾波器電路如圖4.3。帶通濾波器中心頻率和帶寬的調(diào)整：帶通濾波器的中心頻率和帶寬主要是由濾波器中RC元件參數(shù)確定，通?？上冗x

8、定電容器C值，再調(diào)節(jié)電阻阻值，一般可采用電位器調(diào)節(jié)。帶通濾波器采用集成運(yùn)放OP07。圖4.3帶通濾波器電路參數(shù)計(jì)算：通頻帶低頻fH= 高頻fL= 波形如圖4.4。圖4.4帶通濾波器電路波形圖4.1.3 電壓比較器單元電壓比較器電路如圖4.5，電壓比較器的主要作用是把輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，使計(jì)數(shù)器可以對(duì)輸入信號(hào)正確計(jì)數(shù)，電壓比較器參考端的基準(zhǔn)電壓調(diào)整為1.0V左右，當(dāng)輸入端電壓大于參考端電壓時(shí)，該比較器電路實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，完成對(duì)輸入信號(hào)的整形。電壓比較器可采用LM339，該芯片中含四個(gè)獨(dú)立的比較器電路，由于其輸出端為集電極開路，必須外接4K7上拉電阻才可正常工作。圖4.5 電壓比較器電路參數(shù)計(jì)算

9、：參考電壓u= VCC波形如圖4.6圖4.6電壓比較器電路波形圖4.1.4 模電部分總原理圖模電部分總原理圖如圖4.7。圖4.7 模電部分總原理圖波形如圖4.8。圖4.8模電部分總原理圖波形圖4.2 數(shù)電部分4.2.1 多諧震蕩器單元時(shí)基信號(hào)電路主要采用NE555集成電路構(gòu)成的多謝振蕩器實(shí)現(xiàn)，時(shí)基信號(hào)周期不小于2秒左右，時(shí)基信號(hào)電路及工作波形圖如圖4.9。圖4.9多謝振蕩器電路參數(shù)計(jì)算：振蕩周期T=0.7(R1+2R2)C1波形如圖4.10。4.10多謝振蕩器電路波形圖4.2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單元清零和1s定時(shí)器均由74LS123構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，74LS123內(nèi)部含兩個(gè)獨(dú)立的單穩(wěn)態(tài)電路

10、，圖4.11為由74LS123單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成的計(jì)數(shù)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器清零電路。圖4.11 單穩(wěn)態(tài)電路參數(shù)計(jì)算：暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間清零T1=0.7R1C1計(jì)數(shù)T2=0.7R2C2波形如圖4.12。圖4.12 單穩(wěn)態(tài)電路波形圖4.2.3 計(jì)數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示單元計(jì)數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示電路可分別采用74LS160、74LS47和LED七段共陽級(jí)數(shù)碼管。74LS47譯碼驅(qū)動(dòng)的輸出是低電平有效，由74LS160組成的十進(jìn)計(jì)數(shù)器電路如圖4.13。圖4.13計(jì)數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示電路4.2.4 數(shù)電部分總原理圖數(shù)電部分總原理圖如圖4.14。圖4.14 數(shù)電部分總原理圖5 電路安裝5.1 元器件清單（1）電阻編號(hào)型號(hào)數(shù)量

11、備注151(綠棕黑金)2數(shù)碼管限流221k(棕黑紅金)4比較器+，比較器-、發(fā)光二極管限流234.7k(黃紫紅金)4比較器-、放大器1-和放大器1+，比較器上拉410k(棕黑橙金)3555時(shí)基電路2，清零電路1515k(棕綠橙金)2帶通濾波器2630k(橙黑橙金)2帶通濾波器，定時(shí)電路751k(綠棕橙金)2放大器2-、帶通濾波器8100k(棕黑黃金)1帶通濾波器（2）電容編號(hào)型號(hào)數(shù)量備注1電容1032帶通濾波器2電容1041555時(shí)基電路3電容4.7uf1清零電路4電容47 uf1定時(shí)電路5電容100uf1555時(shí)基電路（3）集成電路編號(hào)型號(hào)數(shù)量備注1OP072放大器、帶通濾波器DIP-82L

12、M3391電壓比較器DIP-143LM5551555時(shí)基電路DIP-8474LS1231單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器DIP-16574LS1602同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器DIP-16674LS472譯碼驅(qū)動(dòng)DIP-16（4）其它編號(hào)型號(hào)數(shù)量備注1發(fā)光二極管2紅、黃555時(shí)基電路2LED七段共陽數(shù)碼管2顯示3黃線5、紅線1、綠線1、黑線1。5.2 電路布局電路設(shè)計(jì)完畢，在面包板上搭接電路之前，首先要考慮本設(shè)計(jì)信號(hào)的基本走向和各元器件在面包板上的相應(yīng)位置，合理的元器件布局可以方便連線、減小干擾和有利電路調(diào)試，面包板上電路元器件布局參考圖如圖5.1。圖5.1 面包板電路元器件布局參考圖5.3 面包板使用方法本面包板由四塊彼

13、此獨(dú)立的單元模板組合而成。紅線貫通，一般可作為+電源線，藍(lán)線貫通一般可作為地線。模塊分割槽：DIP封裝的集成電路管腳中心線（芯片缺口）對(duì)準(zhǔn)分割槽插下。面包板分割槽水平方向上的小孔彼此都不通，面包板分割槽縱向方向上的小孔彼此都相通。5.4 電路芯片排列注意信號(hào)流向和芯片管腳的一致性，留有彼此連線的空間，顯示器的排列要符合視角觀察要求。5.5 連接線連接線要做到平直、有序、盡可能短、牢靠和美觀，要方便調(diào)試，便于查看、分?jǐn)嗪头直妗? 電路調(diào)試6.1 實(shí)驗(yàn)儀器萬用表：一只；示波器：一臺(tái)；穩(wěn)壓電源：一臺(tái)；函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：一臺(tái)；連接線若干。6.2 注意事項(xiàng)在電路調(diào)試之前要注意以下事項(xiàng)：（1）檢查芯片位置方

14、向，檢查芯片電源和地連線正確。（2）檢查各芯片和器件的連接線是否正確。（3）檢查L(zhǎng)ED數(shù)碼管各個(gè)管腳連線是否正確。（4）放大器電路采用±5V供電，數(shù)字電路電壓為+5V。6.3 系統(tǒng)調(diào)試為簡(jiǎn)化和方便整體電路的調(diào)試工作，可根據(jù)每一個(gè)單元電路的技術(shù)要求進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的調(diào)試，每部分電路工作正常后，再進(jìn)行其它電路的調(diào)試工作。（1）放大器特性測(cè)試保持信號(hào)源的正弦信號(hào)為峰-峰值300mV，頻率為10Hz10KHz，加至放大器輸入端，用示波器觀察放大器的輸入和輸出端信號(hào)波形，調(diào)整放大器放大倍數(shù)為28。（2）濾波器特性測(cè)試調(diào)整正弦輸入信號(hào)為頻率為10Hz10KHz，信號(hào)幅度為峰-峰值500mV：用示波器

15、觀察輸入信號(hào)和濾波器輸出端信號(hào)的幅度差異，測(cè)出-3dB帶通濾波電路幅頻特性曲線。（3）電壓比較器性能測(cè)試在電壓比較器的信號(hào)輸入端，保持輸入正弦信號(hào)頻率為1KHz，峰-峰值為1.5V，調(diào)整電壓比較器參考電壓端的基準(zhǔn)電壓，用示波器觀察電壓比較器輸出端應(yīng)出現(xiàn)具有TTL電平的1KHz脈沖信號(hào)（TTL電平）。（4）計(jì)數(shù)器電路計(jì)數(shù)器電路在不加輸入時(shí)基信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器、譯碼驅(qū)動(dòng)和數(shù)碼管電路如接線正確，數(shù)碼管應(yīng)該顯示00，否則檢查連接或更換器件。（5）時(shí)基信號(hào)電路性能測(cè)試用示波器觀察NE555電路輸出端，電路正常時(shí)，應(yīng)輸出低頻方波信號(hào)，占空比為50%。一般電容取值100uF，調(diào)節(jié)R值，可以得到理想波形。（6）計(jì)

16、數(shù)器清零和計(jì)數(shù)閘門信號(hào)性能測(cè)試計(jì)數(shù)器清零和計(jì)數(shù)閘門電路均采用單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，74LS123內(nèi)部含兩個(gè)獨(dú)立的單穩(wěn)態(tài)電路，可以分別產(chǎn)生計(jì)數(shù)器清零脈沖和計(jì)數(shù)閘門信號(hào)。采用NE555電路的時(shí)基信號(hào)上升沿，作為清零信號(hào)電路的輸入觸發(fā)信號(hào)，清零信號(hào)的寬度由R、C值確定，一般調(diào)節(jié)為1mS左右。清零信號(hào)加到計(jì)數(shù)器的清零端。用清零信號(hào)的下降沿，作為計(jì)數(shù)閘門電路的輸入觸發(fā)信號(hào)，計(jì)數(shù)閘門信號(hào)的寬度由R、C值確定，一般調(diào)節(jié)為1S左右，用示波器觀察74LS123單穩(wěn)電路的輸入和輸出端，應(yīng)有周期變化的脈沖波形。計(jì)數(shù)閘門信號(hào)應(yīng)加到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端。7 使用說明書7.1 技術(shù)參數(shù)（1）輸入信號(hào)：正弦、三角和方波；頻率：1H

17、z10KHz；幅度：峰-峰值0.3 V 3V；（2）頻率計(jì)通帶：100Hz2KHz（經(jīng)過計(jì)算實(shí)際為530 Hz1061Hz）； （3）量程范圍：099；（4）閘門時(shí)間：1s（經(jīng)過計(jì)算實(shí)際為0.987s）；（5）采樣周期：2s（經(jīng)過計(jì)算實(shí)際為2.1s）。7.2 測(cè)量方法在面包板的地線端口接電源地線，在面包板的+5V端口接電源+5V，在面包板的-5V端口接電源-5V，在面包板的信號(hào)的輸入端口接函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入。一段時(shí)間后數(shù)碼管顯示為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器頻率的后兩位（近似值），可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)頻、數(shù)據(jù)顯示和保持、自動(dòng)清零等功能。結(jié) 論電子線路課程設(shè)計(jì)把實(shí)踐與理論有效地結(jié)合在一起，這次課程設(shè)計(jì)使我們對(duì)理論知

18、識(shí)有了進(jìn)一步的了解，同時(shí)加強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力。通過這次的課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)以前學(xué)過的東西忘記很多，后把教材復(fù)習(xí)一下，加深了印象。這次課程設(shè)計(jì)，使我知道，光學(xué)習(xí)不動(dòng)手是沒有用的，動(dòng)手能力是很重要的。現(xiàn)對(duì)本次課程設(shè)計(jì)總結(jié)如下：（1）要對(duì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書理解透徹，明確各個(gè)芯片的聯(lián)系。（2）理解實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)各個(gè)單元電路。（3）使用Multisim10.1軟件進(jìn)行各個(gè)單元電路進(jìn)行仿真，得出仿真波形。（4）分析仿真結(jié)果，調(diào)整參數(shù)得到近似的結(jié)果（仿真軟件時(shí)間單位為毫秒級(jí)，與實(shí)際電路參數(shù)相差甚遠(yuǎn)）。（5）根據(jù)現(xiàn)有元器件，使用面包板搭出實(shí)際電路。（6）先對(duì)單元電路進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量實(shí)際的波形，得出應(yīng)有的現(xiàn)象。再進(jìn)行模電部分，數(shù)電部分調(diào)試，最后進(jìn)行系統(tǒng)總調(diào)。（7）改進(jìn)自己的電路，實(shí)現(xiàn)部分功能創(chuàng)新。附錄A 仿真總電路圖附錄B 實(shí)際總電路圖附錄C 實(shí)物照片此照片為未調(diào)試之前所拍攝，后做小幅度改動(dòng)。參考資料1 謝自美電子線路綜合設(shè)計(jì)武漢：華中科技大學(xué)出版社20062 郭勇余小平電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)北京：北京大學(xué)出版社20073 蔣立平數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì).：