正弦波发生、频率显示电路设计

江南大学物联网工程学院电子技术课程设计实验报告实验名称：正弦波发生、频率显示电路设计专业班级：_物联网工程1101___实验时间：2013.6.18-2013.6.20学生姓名：张威学号：0306110119同实验者：张杰实验成绩：一、设计课题：正弦波发生及频率显示电路的设计二、设计任务和要求：1、振荡频率100~1000Hz，输出信号幅度5±5%V；2、用三位数码管显示振荡频率；3、能自动连续测量、显示频率，测量周期为4S；4、用中规模集成电路实现。三、设计方案及参考电路（1）系统框图图1波形发生电路的组成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2总电路图草稿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。（2）单元电路设计与元器件的选择1、+5V电源电路图3+5V电源电路2、正弦波发生及波形变换电路因振荡频率要求不高，故采用RC文氏振荡器。考虑到要数字显示振荡频率，需对正弦波进行变换以便计数。正弦波发生以及波形变换电路如图4所示。图4正弦波发生及波形变换电路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=4kΩ，调节电位器Rf使之略大于4kΩ；RC桥式电路中应调节电位器R2，使R2=R=10kΩ。3、单稳态定时电路为了便于测量换算，设计一个1S定时电路，在该定时范围内所测的脉冲个数即为振荡频率。定时电路如图5。图51s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=1.034≈1s，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=91kΩ。4、频率计数显示电路计数电器选用MC14553芯片，这是一片3位BCD加法计数器芯片，由选择端DS1,DS2，DS3控制每时刻只输出一位BCD码。显示译码器选用CD4511芯片，该芯片具有BCD七段锁存/驱动的功能。计数显示电路如图6所示图6计数及显示译码电路(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7MC14553引脚图表1MC14553功能表输入输出RCLINHLE000不变000计数01不变01↑0计数01↓0计数00不变0锁存01锁存00QA~QD=0(b)MC14553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8MC14553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③和④之间的外接电容C1的大小，若需外部时钟，也可以从引出端④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DS1~DS3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“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10CD4511引脚图表2CD4511功能表输入显示LE(S)BILTDCBA0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，因此在驱动LED做管时要加限流电阻。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,β=15*7/1.3≈80，在这里，选用的三极管的β值要大于80，ICM要大于105mA。图11译码电路元器件参数计算示意图5、超量程指示电路当计数器MC14553到1000个脉冲时，“OF”端会输出一个正脉冲，该信号连接到超量程指示电路，驱动发光管发光，表示信号频率超范围需调整。超量程指示电路如图12所示。.6k2.50.70220010226BRR205.010三极管的图12超量程指示电路6、控制电路控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4S，其精度要求不高，用其生产方波和尖脉冲信号，分别用来触发单稳态电路、超量程指示电路复位和计数器清零。电路如图13所示。图13控制电路2.总电路图图14总电路四、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：先测量RC桥式正弦波正当电路的输出端，调节50kΩ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15正弦波的发生图16成功显示的方波图17成功显示的面包板3、调试中存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)555定时电路输出信号失真，调试；调试失败，一直未能解决；六、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、所用的相关器件清单：电阻200Ω8个NE5551个1KΩ1个741运算放大器3个2KΩ2个CD40011个2.7KΩ4个MC145531个10KΩ3个CD45111个91KΩ2个NPN三极管80501个2MΩ1个PNP三极管85504个22MΩ2个共阴七段数码管3个电位器50KΩ2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