《消费类电子产品的设计与制作》课程设计任务书

1《消费类电子产品的设计与制作》课程设计任务书2010～2011学年第一学期学生姓名：专业班级：08电信本②班指导教师：桂静宜刘俊工作部门：电气学院一、课程设计题目数字频率计的设计与制作二、设计目的1、掌握数字频率计的组成原理。2、掌握数字频率计的设计、组装与调试。3、学习集成电路合理选择与使用。三、课程设计内容（含技术指标）数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（1S）内信号周期发生变化的次数。如果我们能在给定的1s时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计的组成框图如下图所示。设计一个4位的数字频率计，其技术指标如下：①数码管4位十进制数字显示。②频率测量范围：1Hz~100kHz。③输入电压幅度300mV。④输入信号波形：任意周期信号。⑤闸门时间：1MS，10MS，0.1MS，1S可手动选择。⑥量程分为四档：*1000，*100，*10，*1。四、进度安排2010年10月22日：下发设计任务书，布置设计任务和设计要求、设计时间安排。要求学生到网上或图书馆查询关于频率计设计方面的资料。22010年10月26日：讲解电源与整流稳压电路、信号放大、波形整形电路、控制门电路的工作原理，并要求学生相互讨论且搞懂这一部分设计原理和设计方案。2010年10月27日：讲解计数器、锁存器、显示译码器与数码管电路的工作原理，并要求学生相互讨论且搞懂这一部分设计原理和设计方案。2010年10月28日：要求学生绘出数字频率计的原理框图以及各部分电路的详细连接图，并且查资料搞懂各部分的原理。2010年10月29日：根据已经论证的详细电路图，用PROTEL99上机画出数字频率计的原理图，及PCB版图。2010年11月1日：在弄懂原理的前提下，要求学生列出器件清单，并与老师讨论方案的合理性。确定设计方案、器件清单后，以班为单位，于星期六、星期天去购买器件。下星期准备焊接。2010年11月2日：讲解焊接技术、数码管、二极管、三极管等器件的检测方法，并要求学生查询关于器件检测方面的资料。元器件的检测及布局。2010年11月3日：焊接电源、输入信号检测、输入放大与整形电路、计数器电路、控制门检测、显示译码电路与数码管显示电路等，并进行检测。2010年11月4日：继续进行焊接。2010年11月5日：继续进行焊接。2010年11月15日：安装、调试、故障排除2010年11月16日：继续进行安装、调试、故障排除2010年11月17日：实物验收及答辩；2010年11月18日：实物验收及答辩；2010年11月19日：布置实验报告的书写要求并书写实验报告。五、设计报告课程设计报告的基本内容至少包括封面、正文、附录三部分。课程设计报告要求统一格式，字体工整规范。1、封面封面包括“《消费类电子产品的设计与制作》课程设计报告”、班级、姓名、学号以及完成日期等。2、正文正文是实践设计报告的主体，具体由以下几部分组成：（1）课程设计题目，《数字频率计的设计与制作》；（2）课程设计任务与要求；3（3）设计过程（包括设计方案、设计原理、创新点以及采用的新技术等）；（4）方案的比较与论证；（5）硬件电路设计，各个模块的设计与器件的选择；（6）各部分电路的仿真电路图；（7）课程设计总结（包括自己的收获与体会；遇到的问题和解决的方法；技术实现技巧和创新点；作品存在的问题和改进设想等）；3．附录附录1：系统设计原理图附录2：系统设计PCB图附录3：系统设计的总体仿真电路图附录4：系统硬件元器件清单六、课程设计评分标准项目评分标准总分1、设计方案准备设计前要自己查资料进行方案论证，符合要求的得满分；没有方案的得0分10分2、课设纪律旷课1次扣1分，迟到1次扣0.5分；完全不到的得0分5分3、设计态度包括与老师、同学积极交流，主动性强的得10分；偷懒抄袭别人劳动成果的得0分5分4、安装调试耐心细致检查错误，找出错误原因所在，并且有所收获的得10分；拒不检查错误的得0分。10分5、创新点能独立设计方案并有创新的得10分；否则酌情给0分10分6、实物验收能检测频率并有正确数字显示，实物达到预期效果得30分；其它情况酌情给分；没有实物的得0分，且本次课程设计不及格40分7、课程设计答辩能回答老师提出的关于课程设计相关的2—3个问题，设计思路清晰得10分；不能回答老师提问，设计思路不清晰得0分；其它情况酌情给分10分48、实验报告书写工整规范、要素齐全、语句流畅、图形清晰的得10分；否则酌情给分；无实验报告的得0分，且本次课程设计不及格10分七、基本要求1、以小组为单位，独立设计原理图各部分电路的设计；2、制作硬件实物，演示设计与调试的结果。3、写出课程设计报告。内容包括电路图、工作原理、实际测量波形、调试分析、测量精度(与标准频率计比较)、结论和体会。并思考：如果要测量周期，电路该怎么改动？八、参考书目[1]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2006[2]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006年1月[3]谢自美.电子线路设计.实验。测试（第三版）[Ｍ].武汉：华中科技大学出版社，2006年8月[4]丛宏寿，程卫群，李绍铭.Multisim8仿真与应用实例开发[M].北京：清华大学出版社，2007年7月[5]吉雷.Protel99从入门到精通[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000年10月[6]课程设计地点：K2五楼高频实验室教研室主任签名：黄磊2010年10月20日备注：课程设计任务书的格式原则上要求统一，教学院（部）或教研室可根据课程设计的具体特点自行制定课程设计任务书的格式。但题头和末尾部分（红色部分）全院保持一致。5附：四、设计内容、方法与步骤：1、设计内容1）数字频率计的基本原理数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（1S）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的1S时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。2）系统框图从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图1所示的电路框图。下面介绍框图中各部分的功能及实现方法①电源与整流稳压电路框图中的电源采用50Hz的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。②全波整流与波形整形电路本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过0.5Hz，即在1％的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对50Hz交流市电进行全波整流，得到如图2(a)所示100Hz的全波整流波形。波形整形电路对100Hz信号进行整形，使之成为如图2(b)所示100Hz的矩形波。波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。逻辑控制电路时基电路译码显示器锁存器计数器闸门电路放大整形电路图1数字频率计的组成框图6图2全波整流与波形整形电路的输出波形③分频器分频器的作用是为了获得1S的标准时间。电路首先对图2所示的100Hz信号进行100分频得到如图3(a)所示周期为1S的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图3(b)所示占空比为50％脉冲宽度为1S的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1S时间内通过控制门的被测脉冲的数目。图3分频器的输出波形分频器可以采用第5章介绍过的方法，由计数器通过计数获得。二分频可以采用触发器来实现。④信号放大、波形整形电路为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。⑤控制门控制门用于控制输入脉冲是否送到计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。⑥计数器计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为9999Hz，应采用4位十进制计数器。可以选用现成的10进制集成计数器。⑦锁存器在确定的时间（1S）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。⑧显示译码器与数码管显示译码器的作用是把用BCD码表示的10进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。73）实际电路图4数字频率计电路图根据系统框图，设计出的电路如图4所示。图中，稳压电源采用7805来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求。对100Hz全波整流输出信号的分频采用7位二进制计数器74HC4024组成100进制计数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在74HC4024的Q7、Q6、Q3端通过与门加入反馈清零信号，当计数器输出为二进制数1100100（十进制数为100）时，计数器异步清零。实现100进制计数。为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时保持一段时间（10ms）为高电平。电路中采用双JK触发器74HC109中的一个触发器组成触发器，它将分频输出脉冲整8形为脉宽为1s、周期为2s的方波。从触发器Q端输出的信号加至控制门，确保计数器只在1s的时间内计数。从触发器端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。被测信号通过741组成的运算放大器放大20倍后送施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出，通过由74HC11组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。频率计数器由两块双十进制计数器74HC4511组成，最大计数值为9999Hz。由于计数器受控制门控制，每次计数只在JK触发器Q端为高电平时进行。当JK触发器Q端跳变至低电平时，端的由低电平向高电平跳变，此时，8D锁存器74HC374（上升沿有效）将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可对计数器清零。由于74HC4518为异步高电平清零，所以将JK触发器的同100Hz脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（10ms）以后再进行。显示译码器采用与共阴数码管匹配的CMOS电路74HC4511，4个数码管采用共阴方式，以显示4位频率数字，满足测量最高频率为9999Hz的要求。2方法与步骤1)器件检测用数字集成电路检测仪对所要用的IC进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对LED数码管进行检测，检测方法由自己确定。2)电路连接在自制电路板上将IC插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接IC等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插IC。3)电源测试将与变压器连接的电源插头插入220V电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为＋5V。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图13.5(a)所示波形。4)基准时间检测关闭电源后，插上全部IC。依次用示波器检测由U1(74HC4024)与U3A组成的基准时间计数器与由U2A组成的触发器的输出波形，并与图13.6所示波形对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对U1、U3、U2各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。5)输入检测信号从被测信号输入端输入幅值在1