基于Multisim的數(shù)字頻率計電路的設(shè)計與仿真設(shè)計

./摘要本論文主要介紹應(yīng)用Multisim2001軟件進(jìn)行數(shù)字頻率計的設(shè)計與仿真。數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器,廣泛應(yīng)用于機(jī)械振動的頻率、轉(zhuǎn)速、聲音的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。Multisim操作簡單方便,易于學(xué)習(xí)和掌握。應(yīng)用Multisim2001軟件可以進(jìn)行電子電路的設(shè)計與仿真。本論文通過數(shù)字頻率計的設(shè)計與仿真反映了應(yīng)用Multisim2001軟件進(jìn)行電子電路的設(shè)計與仿真提高了電子電路設(shè)計的效率,節(jié)省了設(shè)計者的時間、設(shè)備。關(guān)鍵詞：數(shù)字頻率計Multisim設(shè)計與仿真目錄前言第一章Multisim2001軟件簡單介紹1.1Multisim2001簡介1.2Multisim2001的用戶界面菜單欄工具欄Multisim2001對元器件的管理1.3在Multisim2001軟件上繪制仿真電路繪制仿真電路的過程在Multisim2001軟件上創(chuàng)建電路圖第二章課題設(shè)計2.1主要技術(shù)要求2.2設(shè)計方案圖2.3電路簡述2.4單元電路的設(shè)計與仿真致參考文獻(xiàn)附件：附錄圖1在Mutilsim中設(shè)計的總電路圖附錄圖2被側(cè)信號100Hz時的仿真結(jié)果圖附錄圖3被側(cè)信號45Hz時的仿真結(jié)果圖前言數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器,被測信號可以是正弦波、方波或其它周期性變化的信號。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?可以對多種物理量進(jìn)行測試,比如機(jī)械振動的頻率、轉(zhuǎn)速、聲音的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。電子計算機(jī)的飛速發(fā)展有效地解決了這個問題。Multisim軟件的良好信譽(yù)以及Multisim的卓越表現(xiàn)使之很快成為眾多EDA用戶的首選軟件。Multisim操作簡單方便,易于學(xué)習(xí)和掌握。并且能彌補(bǔ)設(shè)備種類和數(shù)量不足,充分?jǐn)U展學(xué)生的思維空間,給他們更大的自由發(fā)揮的天地。使學(xué)生可以根據(jù)不同需要無限制地進(jìn)行各種電路分析實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),常規(guī)實(shí)驗(yàn),設(shè)計實(shí)驗(yàn)。充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性,培養(yǎng)創(chuàng)新能力。第一章Multisim2001軟件簡單介紹1.1Multisim2001簡介Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具,具有直觀的儀器和多種分析方法可以進(jìn)行模擬/數(shù)字混合仿真分析等。適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式,具有豐富的仿真分析能力,是一個32位的電路仿真軟件,工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖,并對電路行為進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜容,這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計,這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù),PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。這里主要介紹Multisim2001的相關(guān)容：〔1Multisim2001組成：1．構(gòu)建仿真電路2．仿真電路環(huán)境3．Multisim單片機(jī)仿真4．FPGA、PLD,CPLD等仿真5．通信系統(tǒng)分析與設(shè)計的模塊6．自動布線模塊〔2仿真的容：1．器件建模及仿真；2．電路的構(gòu)建及仿真；3．系統(tǒng)的組成及仿真；4．儀表儀器原理及制造仿真。〔3器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模擬器件〔二極管,三極管,功率管等；數(shù)字器件〔74系列,COMS系列,PLD,CPLD等；FPGA器件等。對Multisim2001系統(tǒng)安裝和運(yùn)行有一定的要求,首先不同版本所需要的硬盤空間不同。其次要求運(yùn)行在microsoftwindows98以上的操作系統(tǒng)下。最后在程序運(yùn)行時將建立一個大小為20M的臨時文件。1.2Multisim2001的用戶界面Multisim2001的用戶界面：單擊Windows"開始"菜單中"程序"下的Multisim2001,彈出如圖1-1所示的Multisim2001用戶界面。Multisim2001的用戶界面主要由菜單欄<MenuBar>、標(biāo)準(zhǔn)工具欄<Standardtoolbar>、使用的元件列表<InUselist>、仿真開關(guān)<SimulationSwitch>、圖形注釋工具欄<GraphicAnnotationToolbar>、項(xiàng)目欄<ProjectBar>、元件工具欄<Componenttooba>、虛擬工具欄<Virtualtoolbar>、電路窗口<CircuitWindows>、儀表工具欄<InstrumentsToolbar>、電路標(biāo)簽<CircuitTab>、狀態(tài)欄<StatusBar>和電路元件屬性視窗<SpreadsheetView>等組成。電路工作區(qū)狀態(tài)欄電路工作區(qū)狀態(tài)欄菜單欄儀器儀表欄仿真電源開關(guān)工具欄元器件欄圖1-1Multisim2001用戶界面菜單欄儀器儀表欄仿真電源開關(guān)工具欄元器件欄菜單欄File:文件菜單Edit:編輯菜單View:視圖菜單Place:放置菜單Simulate:仿真菜單Transfer:導(dǎo)出菜單Tools:設(shè)計工具菜單Options:選項(xiàng)菜單Window:窗口菜單help:幫助菜單工具欄Multisim2001共有5個工具欄,分別是System<系統(tǒng)工具欄>、Designs<設(shè)計工具欄>、Instrument<儀器工具欄>、Zoom<縮放工具欄>和Inuselist<當(dāng)前元件清單>,他們提供了電路仿真中常用的操作按鈕。執(zhí)行菜單"View"→"Toolbars"可打開或關(guān)閉所選中的工具欄。主要工具欄的介紹⑴系統(tǒng)工具欄如下圖1-2所示：圖1-2從左至右各按鈕的名稱依次為：新建、打開、存盤、剪切、復(fù)制、粘貼、打印、幫助、放大和縮小。其功能與windows基本相同,這里就不一一詳細(xì)介紹。⑵設(shè)計工具欄：可以完成啟動仿真、仿真分析、導(dǎo)出、仿真后處理、元件設(shè)計及工具欄設(shè)置等功能如下圖1-3所示：圖1-3各按鈕的名稱及功能如表1-1：表1-1圖標(biāo)功能圖標(biāo)功能圖標(biāo)功能元器件設(shè)置按鈕,用于打開/關(guān)閉元器件工具條元器件設(shè)計按鈕,用于打開元件編輯器,進(jìn)行元件編輯儀器庫設(shè)置按鈕,用于打開/關(guān)閉儀器工具條模擬仿真按鈕,用于開始/暫停/結(jié)束電路的模擬仿真分析按鈕,用于選擇電路的分析功能仿真結(jié)束后處理按鈕,用于分析結(jié)果的再處理VHKL/Verilog模型按鈕用于打開設(shè)計界面VHKL/Verilog統(tǒng)計報告按鈕,用于統(tǒng)計電路元器件、儀器等導(dǎo)出按鈕,用于與其它電路文件之間的傳輸表1-1⑶儀器庫欄〔虛擬儀器的簡單介紹如下圖圖1-4所示：圖1-4各種仿真測試儀器名稱和功能如表1-2：表1-2圖標(biāo)及名稱功能圖標(biāo)及名稱功能數(shù)字萬用表可以在電路兩節(jié)點(diǎn)之間測交直流電壓、交直流電流、電阻和分貝值,能自動調(diào)整量程函數(shù)信號發(fā)生器可以輸出正弦波、三角波和方波,其輸出波形的頻率、輻度、直流偏置電壓及占空比等參數(shù)均可以調(diào)節(jié)功率計用于測量電路中的平均功率和功率因數(shù)雙蹤示波器可以直觀地觀測信號的時域波形,可以觀察瞬間變化的波形波特圖示儀用來分析電路的頻率響應(yīng),可以測試電路的幅頻特性和相頻特性字信號發(fā)生器是一個最多能產(chǎn)生32位同步邏輯信號的儀器,可以用來對數(shù)字邏輯電路進(jìn)行測試邏輯分析儀可以同時觀察多路邏輯信號的波形,適用于對邏輯信號的高速采集和準(zhǔn)確的時序分析,是分析大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)一的有力工具邏輯轉(zhuǎn)換儀能完成邏輯表達(dá)式、真值表和邏輯電路三者之間的相互轉(zhuǎn)換失真度分析儀測量電路總諧波失真與信噪比和儀器頻譜分析儀用于測量電路號幅度與頻率的關(guān)系,即進(jìn)行時域分析網(wǎng)絡(luò)分析儀表1-2Multisim2001對元器件的管理元器件欄：元器件有兩種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)即ANSI〔美國標(biāo)準(zhǔn)和DIN〔歐洲標(biāo)準(zhǔn),每種標(biāo)準(zhǔn)采用不同的圖形符號表示,如下圖1-5所示注：上為DIN標(biāo)準(zhǔn),下為ANSI標(biāo)準(zhǔn),詳細(xì)元器件這里就不一一羅列。圖1-5從左至右依次為：信號源、基本器件、二極管、晶體管、模擬IC、TTLIC、CMOSIC、數(shù)字IC、混合芯片、指示器件、雜合器件、控制器件、RF組件、電氣開關(guān)EDA軟件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的準(zhǔn)確性都直接決定了該EDA軟件的質(zhì)量和易用性。Multisim2001為用戶提供了豐富的元器件,并以開放的形式管理元器件,使得用戶能夠自己添加所需要的元器件。元器件的管理Multisim2001以庫的形式管理元器件,通過菜單Tools/DatabaseManagement打開DatabaseManagement〔數(shù)據(jù)庫管理窗口〔如圖1-6所示,對元器件庫進(jìn)行管理。圖1-6在DatabaseManagement窗口<如圖1-7所示>中的Daltabase列表中有兩個數(shù)據(jù)庫：MultisimMaster和User。其中MultisimMaster庫中存放的是軟件為用戶提供的元器件,User是為用戶自建元器件準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)庫。用戶對Multisimmaster數(shù)據(jù)庫中的元器件和表示方式?jīng)]有編輯權(quán)。當(dāng)選中Multisimmaster時,窗口中對庫的編輯按鈕全部失效而變成灰色,如下圖所示。但用戶可以通過這個對話窗口中的ButtoninToolbar顯示框,查找?guī)熘胁煌悇e器件在工具欄中的表示方法。圖1-7據(jù)此用戶可以通過選擇User數(shù)據(jù)庫,進(jìn)而對自建元器件進(jìn)行編輯管理。在元器件類型列標(biāo)中,虛擬元器件類的后綴標(biāo)有Virtual,如圖1-8所示：圖1-8輸入電路圖的分析和設(shè)計輸入電路圖是分析和設(shè)計工作的第一步,用戶從元器件庫中選擇需要的元器件放置在電路圖中并連接起來,為分析和仿真做準(zhǔn)備。設(shè)置Multisim2001的通用環(huán)境變量為了適應(yīng)不同的需求和用戶習(xí)慣,用戶可以用菜單Option/Preferences打開Preferences對話窗口,如圖1-9所示。圖1-9通過該窗口的6個標(biāo)簽選項(xiàng),用戶可以就編輯界面顏色、電路尺寸、縮放比例、自動存儲時間等容作相應(yīng)的設(shè)置。在這個對話窗口中有3個分項(xiàng)：⑴Show：可以設(shè)置是否顯示網(wǎng)格,頁邊界以及標(biāo)題框。⑵Sheetsize：設(shè)置電路圖頁面大小。⑶Zoomlevel：設(shè)置縮放比例。其余的標(biāo)簽選項(xiàng)在此不再詳述。取用元器件⑴取用元器件的方法有兩種：從工具欄取用或從菜單取用。從菜單取用：通過Place/PlaceComponent命令打開ComponentBrowser窗口。如圖1-10所示：圖1-10⑵選中相應(yīng)的元器件在ComponentFamilyName中選擇74LS系列,在ComponentNameList中選擇74LS00。單擊OK按鈕就可以選中74LS00,出現(xiàn)如下備選窗口。7400是四/二輸入與非門,在窗口種的SectionA/B/C/D分別代表其中的一個與非門,用鼠標(biāo)選中其中的一個放置在電路圖編輯窗口中,如左圖所示。器件在電路圖中顯示的圖形符號,用戶可以在上面的ComponentBrowser中的Symbol選項(xiàng)框中預(yù)覽到。當(dāng)器件放置到電路編輯窗口中后,用戶就可以進(jìn)行移動、復(fù)制、粘貼等編輯工作了,在此不再詳述。將元器件連接成電路在將電路需要的元器件放置在電路編輯窗口后,用鼠標(biāo)就可以方便地將器件連接起來。方法是：用鼠標(biāo)單擊連線的起點(diǎn)并拖動鼠標(biāo)至連線的終點(diǎn)。在Multisim2001中連線的起點(diǎn)和終點(diǎn)不能懸空。1.3在Multisim2001軟件上繪制仿真電路繪制仿真電路的過程⑴新建電路文件⑵設(shè)置電路工作窗口⑶選擇和放置元器件⑷連接電路⑸設(shè)置元器件參數(shù)⑹調(diào)用和連接儀器在Multisim2001軟件上創(chuàng)建電路圖啟動Multisim2001軟件單擊Windows"開始"菜單下的"程序"中的Multisim2001,就會打開用戶界面,并在電路窗口中自動建立一個文件名為"Circuit1”放置元件Multisim2001將若干元件模型分門別類地存放在元件工具欄中,元件模型是電路仿真的基礎(chǔ)。所需要的元件可以從元件工具欄<ComponentToolbar>或虛擬元件工具欄<VirtualToobar>中提取。兩者不同的是從元件工具欄中提取的元件都與具體元件型號相對應(yīng)。在"元件屬性"對話框中不能更改元件的參數(shù)<制造元件的性能參數(shù),如電阻,電容,電感的大小,三極管的IS,NF,BF,VAF,ISE等參數(shù)>,只能用另一種型號的元件來代替。從虛擬元件工具欄中提取的元件的大多數(shù)參數(shù)都是該種/類元件的典型值,部分參數(shù)可以由用戶根據(jù)需要自行設(shè)定,且虛擬元件沒有元件封裝,故虛擬元件將不會出現(xiàn)PCB文件中。在元器件欄中單擊要選擇的元器件庫圖標(biāo),打開該元器件庫。在屏幕出現(xiàn)的元器件庫對話框中選擇所需要的元器件,單擊OK按鈕,選中的元器件跟隨鼠標(biāo)移動,可以將該元器件放到電路工作區(qū)合適的位置。進(jìn)行電路連接時,經(jīng)常需要對元器件進(jìn)行各種操作,如：移動,刪除,旋轉(zhuǎn)等。在對所有的元器件操作之前,首先要選中元器件。用鼠標(biāo)單擊要選中的元器件,元器件被選中后,在其四周出現(xiàn)四個黑色小方框,以表示該元器件被選中,選中后可以對其進(jìn)行移動,刪除,旋轉(zhuǎn)等操作,操作結(jié)束后,單擊電路工作區(qū)的空白處,即可取消對該元器件的選擇。若要同時選中多個元器件,可以用鼠標(biāo)左鍵畫出一個矩形區(qū),將所要選中的元器件包含在矩形這時可以選中多個元器件進(jìn)行操作。元器件被選中后,雙擊該元器件或者選擇菜單Edit下的Properties命令,在彈出的元器件特性對話框中,可以設(shè)置或編輯元器件的各種特性參數(shù)。第二章課題設(shè)計2.1主要技術(shù)要求電路供電電源為單相交流市電每次頻率檢測時間為1s用四位LED數(shù)碼顯示2.2設(shè)計方案框圖圖2.1方框圖2.3電路簡述所謂頻率,就是周期性信號在單位時間<1s>變化的次數(shù)．若在一定時間間隔T測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為N,則其頻率可表示為fx=N/T。因此,可以將信號放大整形后由計數(shù)器累計單位時間的信號個數(shù),然后經(jīng)譯碼、顯示輸出測量結(jié)果,這是所謂的測頻法。可見數(shù)字頻率計主要由閘門電路、計數(shù)器電路、鎖存器、時基電路、邏輯控制、譯碼顯示電路幾部分組成。數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間〔1S信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的1S時間對信號波形計數(shù),數(shù)值保持及自動清零,并將計數(shù)結(jié)果在顯示器上顯示出來,就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時間,同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號,然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔的脈沖個數(shù),將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。被測信號Vx經(jīng)放大整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號Ⅰ,其頻率與被測信號的頻率fx相同。時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號Ⅱ,具有固定寬度T的方波時基信號II作為閘門的一個輸入端,控制閘門的開放時間,被測信號I從閘門另一端輸入,被測信號頻率為fx,閘門寬度T,若在閘門時間計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N,則被測信號頻率fx=N/THz。可見,閘門時間T決定量程,通過閘門時基選擇開關(guān)選擇,選擇T大一些,測量準(zhǔn)確度就高一些,T小一些,則測量準(zhǔn)確度就低.根據(jù)被測頻率選擇閘門時間來控制量程.在整個電路中,時基電路是關(guān)鍵,閘門信號脈沖寬度是否精確直接決定了測量結(jié)果是否精確.2.4單元電路的設(shè)計與仿真直流穩(wěn)壓電路設(shè)計與仿真1、直流穩(wěn)壓電路的原理在電子電路及電子系統(tǒng)中,都需要用電壓穩(wěn)定的直流電源供電。直流電源通常是從交流電網(wǎng)中轉(zhuǎn)換獲得,由于電網(wǎng)電壓的波動、負(fù)載電流的變化、以及溫度等環(huán)境因素的改變,往往使得直流電壓不穩(wěn)定。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,就存在著：供電是交流電而需要的則是直流電和要求電壓穩(wěn)定而實(shí)際電壓不穩(wěn)定這樣兩個問題。直流電源正是為了解決這兩個問題而設(shè)置的。所以直流電源的功能是將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓,故稱之為直流穩(wěn)壓電源。小功率的直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。本設(shè)計中穩(wěn)壓電路由電源變壓器T、整流橋堆UR、濾波電容C1、C2和三端穩(wěn)壓集成電路IC1組成。如圖2.2所示：圖2.2直流穩(wěn)壓電源圖此電路中電源變壓器將電網(wǎng)中的220V/50Hz的交流電壓變換為5V的直流電壓。整流電路是將電源變壓器副邊給出的交流電壓,轉(zhuǎn)換為單向脈沖的直流電壓。此電路中用了橋式整流。單相橋式整流電路由于它輸出的直流電壓高、紋波電壓小〔紋波系數(shù)Kr=0.483,二極管所承受的最大反相電壓低,而且電源變壓器在正、負(fù)半周都有電流供給負(fù)載,得到了充分利用,效率較高。因此,這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了廣泛的應(yīng)用。濾波電路用來濾除整流后直流電壓中包含的諧波分量,以便得出平滑的直流電壓。此電路用電容電路來濾,穩(wěn)壓電路則是用來穩(wěn)定輸出的直流電壓值。2、LM7805簡介電子產(chǎn)品中,常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負(fù)電壓輸出的79××系列。故名思義,三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路,只有三條引腳輸出,分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管,TO-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝,也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少,電路部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路,使用起來可靠、方便,而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓,如7806表示輸出電壓為正6V,7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便,電子制作中經(jīng)常采用。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器〔當(dāng)然小功率的條件下不用。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時,穩(wěn)壓性能將變差,甚至損壞。當(dāng)制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源,通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來,使其最大輸出電流為N個1.5A,但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品,以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量,以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。在78**、79**系列三端穩(wěn)壓器中最常應(yīng)用的是TO-220和TO-202兩種封裝。如圖2.3引腳①為最高電位,③腳為最低電位,②腳居中。不論正壓還是負(fù)壓,②腳均為輸出端。對于78**正壓系列,輸入是最高電位,自然是①腳,地端為最低電位,即③腳,對與79**負(fù)壓系列,輸入為最低電位,自然是③腳,而地端為最高電位,即①腳。此外,還應(yīng)注意,散熱片總是和最低電位的第③腳相連。這樣在78**系列中,散熱片和地相連接,而在79**系列中,散熱片卻和輸入端相連接。LM7805是常用的三端穩(wěn)壓器,一般使用的是TO-220封裝,能提供DC5V的輸出電壓,應(yīng)用圍廣,含過流和過載保護(hù)電路。帶散熱片時能持續(xù)提供1A的電流,如果使用外圍器件,它還能提供不通的電壓和電流。圖2.3LM7805引腳圖〔管腳圖3、在Multisim2001下設(shè)計的直流穩(wěn)壓電路原理圖如圖2.4：圖2.4直流穩(wěn)壓電路原理圖仿真顯示如圖2.5.所示,穩(wěn)壓電路輸出電壓為5V,符合要求。圖2.5基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計與仿真1、由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的工作原理多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器,由于矩形脈沖波中除基波外,還有豐富的諧波成分,故得名多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài),只有兩個暫態(tài),在自身因素的作用下,電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換,故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。產(chǎn)生矩形波的多諧電路很多,例如用TTL與非門構(gòu)成的基本多諧振蕩器和RC環(huán)形振蕩器；用CMOS或非門組成的多諧振蕩器。本設(shè)計中使用的是用集成定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。由555定時器產(chǎn)生的多諧振蕩器如下圖2.6所示。R1、R2和C是外接定時元件,電路中將高電平觸發(fā)端〔6腳和低電平觸發(fā)端〔2腳并接后接到R2和C的連接處,將放電端〔7腳接到R1、R2的連接處。由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示,R1,R2和C是外接定時元件,電路中將高電平觸發(fā)端〔6腳和低電平觸發(fā)端〔2腳并接后接到R2和C的連接處,將放電端〔7腳接到R1,R2的連接處。由于接通電源瞬間,電容C來不及充電,電容器兩端電壓uc為低電平,小于〔1/3Vcc,故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平,輸出uo為高電平,放電管VT截止。這時,電源經(jīng)R1,R2對電容C充電,使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升,當(dāng)uc上升到〔2/3Vcc時,輸出uo為低電平,放電管VT導(dǎo)通,把uc從〔1/3Vcc上升到〔2/3Vcc這段時間電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài),其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān)。充電時間常數(shù)T充=〔R1＋R2C。由于放電管VT導(dǎo)通,電容C通過電阻R2和放電管放電,電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時間TPL的長短與電容的放電時間有關(guān),放電時間常數(shù)T放＝R2C0隨著C的放電,uc下降,當(dāng)uc下降到〔1/3Vcc時,輸出uo。為高電平,放電管VT截止,Vcc再次對電容c充電,電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解,接通電源后,電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn),則輸出可得矩形波。電路一旦起振后,uc電壓總是在〔1/3～2/3Vcc之間變化。圖2.6555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路及工作波根據(jù)Uc的波形圖可以確定以下參數(shù)：振蕩周期T=TPH+TPLTPH對應(yīng)的充電時間TPH=0.7〔R1+R2CTPL對應(yīng)的放電時間TPL=0.7R2振蕩周期T=TPH+TPL=0.7〔R1+R2C+0.7R2蕩頻率F=1/T取R1=5.1KΩR2=2.1KΩC=100uF可得到T=1.001S≈1S2、555簡介555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為555,用CMOS工藝制作的稱為7555,除單定時器外,還有對應(yīng)的雙定時器556/7556。555定時器的電源電壓圍寬,可在4.5V~16V工作,7555可在3~18V工作,輸出驅(qū)動電流約為200mA,因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。

555定時器成本低,性能可靠,只需要外接幾個電阻、電容,就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它部包括兩個電壓比較器,三個等值串聯(lián)電阻,一個RS觸發(fā)器,一個放電管T及功率輸出級。它提供兩個基準(zhǔn)電壓VCC/3和2VCC/3。555電路的部電路方框圖如圖2.7所示。它含有兩個電壓比較器,一個基本RS觸發(fā)器,一個放電開關(guān)T,比較器的參考電壓由三只5KΩ的電阻器構(gòu)成分壓,它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過時,觸發(fā)器復(fù)位,555的輸出端3腳輸出低電平,同時放電,開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于時,觸發(fā)器置位,555的3腳輸出高電平,同時放電,開關(guān)管截止。是復(fù)位端,當(dāng)其為0時,555輸出低電平。平時該端開路或接VCC。Vc是控制電壓端〔5腳,平時輸出作為比較器A1的參考電平,當(dāng)5腳外接一個輸入電壓,即改變了比較器的參考電平,從而實(shí)現(xiàn)對輸出的另一種控制,在不接外加電壓時,通常接一個0.01uf的電容器到地,起濾波作用,以消除外來的干擾,以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管,當(dāng)T導(dǎo)通時,將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。圖2.7555定時器部方框圖3、在Multisim下設(shè)計的基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路如圖2.8圖2.8基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路仿真顯示如圖2.9所示,基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生1HZ信號,符合要求。圖2.9經(jīng)過與非門所得反向波形如圖2.10圖2.10閘門電路設(shè)計與仿真1、閘門電路原理時鐘電路產(chǎn)生的振蕩信號進(jìn)過與非門反向后作為控制信號加到CD4017的CP0輸入端,產(chǎn)生時序控制信號。從而實(shí)現(xiàn)1S的脈沖計數(shù)〔即頻率檢測數(shù)值保持及自動清零當(dāng)?shù)谝粋€脈沖信號到來時,使得CD4017的Q0輸出端由低電壓變?yōu)楦唠妷?在CD4017的輸入端輸入的第二個脈沖信號到來之前,Q0將保持高電平狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€脈沖信號到來時,CD4017的Q0段由高電平變?yōu)榈碗娖?輸出端Q1端由低電平變?yōu)楦唠娖健?、CD4017簡介數(shù)字電路CD4017是十進(jìn)制計數(shù)／分頻器,它的部由計數(shù)器及譯碼器兩部分組成,由譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對脈沖信號的分配,整個輸出時序就是Q0、Q1、Q2、…、Q9依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平,寬度等于時鐘周期。

CD4017有10個輸出端〔Q0～Q9和1個進(jìn)位輸出端～Q5-9。每輸入10個計數(shù)脈沖,～Q5-9就可得到1個進(jìn)位正脈沖,該進(jìn)位輸出信號可作為下一級的時鐘信號。CD4017有3個輸入端〔MR、CP0和~CP1,MR為清零端,當(dāng)在MR端上加高電平或正脈沖時其輸出Q0為高電平,其余輸出端〔Q1～Q9均為低電平。CP0和～CPl是2個時鐘輸入端,若要用上升沿來計數(shù),則信號由CP0端輸入；若要用下降沿來計數(shù),則信號由～CPl端輸入。設(shè)置2個時鐘輸入端,級聯(lián)時比較方便,可驅(qū)動更多二極管發(fā)光。由此可見,當(dāng)CD4017有連續(xù)脈沖輸入時,其對應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài),故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。CD4017

提供了16

引線多層瓷雙列直插<D>、熔封瓷雙列直插<J>、塑料雙列直插<P>和瓷片狀載體<C>4

種封裝形式。3、在Multisim下設(shè)計的閘門電路如圖2.11圖2.11閘門電路4017輸出端Q0的波形如圖2.12圖2.124017端Q0端跟Q1端波形對比如圖2.13圖2.13計數(shù)譯碼驅(qū)動顯示電路設(shè)計與仿真1、計數(shù)譯碼驅(qū)動電路原理計數(shù)器的作用是對輸入脈沖計數(shù),根據(jù)設(shè)計要求,最高測量頻率為9999Hz,應(yīng)采用4位十進(jìn)制計數(shù)器,選用十進(jìn)制計數(shù)器74HC160,顯示譯碼器的作用是把用BCD碼表示的10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號,以獲得數(shù)字顯示。顯示譯碼器的輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。并由十進(jìn)制計數(shù)器〔七段譯碼器和LED數(shù)碼管組成的4位十進(jìn)制計數(shù)顯示器來顯示數(shù)字。2、74HC160簡介集成十進(jìn)制加法計數(shù)器74HC160中,/LD為同步置數(shù)控制端,低電平有效,/CR為異步清0控制端,低電平有效,CTP和CTT為計數(shù)控制端,D0,D1,D2,D3為并行數(shù)據(jù)輸入端,Q3,Q2,Q1,Q0是計數(shù)輸出,Q3為最高位。CO為進(jìn)位輸出端,產(chǎn)生進(jìn)位輸出信號。CP為計數(shù)脈沖輸入端,上升沿有效。74HC160的邏輯功能如下：〔1異步清0功能。當(dāng)清0信號為0,無論CP何其他輸入端有無信號輸入,計數(shù)器都被清0,這時Q3Q2Q1Q0=0000?！?同步置數(shù)功能。當(dāng)清0信號為1,置數(shù)信號為0是,在脈沖上升沿的作用下,D0D1D2D3的并行輸入數(shù)據(jù),被置入相應(yīng)的觸發(fā)器中,這時Q3Q2Q1Q0=D0D1D2D3?！?計數(shù)功能。當(dāng)/LD=/CR=CTP=CTT=1,CP輸入計數(shù)脈沖時,計數(shù)器按照8421BCD碼的規(guī)律進(jìn)行十進(jìn)制加法計數(shù)?！?保持功能。當(dāng)/LD=/CR=1,且T和P中有0時,計數(shù)器保持狀態(tài)不變。CTT=0、CTP=X,進(jìn)位為0。3、4511簡介CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED〔數(shù)碼管顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器,特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動LED顯示器。CD4511是一片CMOSBCD—鎖存/7段譯碼/驅(qū)動器,引腳排列如圖2.14所示。其中abcd為BCD碼輸入,a為最低位。LT為燈測試端,加高電平時,顯示器正常顯示,加低電平時,顯示器一直顯示數(shù)碼"8”,各筆段都被點(diǎn)亮,以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端,低電平時使所有筆段均消隱,正常顯示時,B1端應(yīng)加高電平。另外CD4511有拒絕偽碼的特點(diǎn),當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9<1001>時,顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端,高電平時鎖存,低電平時傳輸數(shù)據(jù)。a～g是7段輸出,可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。另外,CD4511顯示數(shù)"6”時,a段消隱；顯示數(shù)"9”時,d段消隱,所以顯示6、9這兩個數(shù)時,字形不太美觀。所謂共陰LED數(shù)碼管是指7段LED的陰極是連在一起的,在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取,電源電壓5V時可使用300Ω的限流電阻。圖2.14CD4511引腳圖其功能介紹如下：BI：4腳是消隱輸入控制端,當(dāng)BI=0時,不管其它輸入端狀態(tài)如何,七段數(shù)碼管均處于熄滅〔消隱狀態(tài),不顯示數(shù)字。LT：3腳是測試輸入端,當(dāng)BI=1,LT=0時,譯碼輸出全為1,不管輸入DCBA狀態(tài)如何,七段均發(fā)亮,顯示"8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。LE：鎖定控制端,當(dāng)LE=0時,允許譯碼輸出。LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài),譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端,輸出為高電平1有效。CD4511的部有上拉電阻,在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。4、七段LED顯示器簡介LED就是lightemittingdiode,發(fā)光二極管的英文縮寫,簡稱LED。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式,用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。LED的技術(shù)進(jìn)步是擴(kuò)大市場需求及應(yīng)用的最大推動力。最初,LED只是作為微型指示燈,在計算機(jī)、音響和錄像機(jī)等高檔設(shè)備中應(yīng)用,隨著大規(guī)模集成電路和計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,LED顯示器正在迅速崛起,近年來逐漸擴(kuò)展到證券行情股票機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA以及手機(jī)領(lǐng)域。LED顯示器集微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理于一體,以其色彩鮮艷、動態(tài)圍廣、亮度高、壽命長、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn),成為最具優(yōu)勢的新一代顯示媒體,目前,LED顯示器已廣泛應(yīng)用于大型廣場、商業(yè)廣告、體育場館、信息傳播、新聞發(fā)布、證券交易等,可以滿足不同環(huán)境的需要。LED顯示器結(jié)構(gòu)及分類：通過發(fā)光二極管芯片的適當(dāng)連接〔包括串聯(lián)和并聯(lián)和適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)結(jié)構(gòu)?？蓸?gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)。由這些發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)可以組成數(shù)碼管、符號管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)碼管、符號管、米字管共稱筆畫顯示器,而把筆畫顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯示器。1LED顯示器結(jié)構(gòu)基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七個條狀發(fā)光二極管芯片按圖12排列而成的。可實(shí)現(xiàn)0～9的顯示。其具體結(jié)構(gòu)有"反射罩式"、"條形七段式"及"單片集成式多位數(shù)字式"等〔1反射罩式數(shù)碼管一般用白色塑料做成帶反射腔的七段式外殼,將單個LED貼在與反射罩的七個反射腔互相對位的印刷電路板上,每個反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在裝反射罩前,用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應(yīng)金屬條之間連好φ30μm的硅鋁絲或金屬引線,在反射罩滴入環(huán)氧樹脂,再把帶有芯片的