大学毕业设计-简易数字频率计.doc

明达职业技术学院毕业论文(设计)20092010学年度 信息工程 系 应用电子技术 专业班级 应电1班 学号 45073139 课题名称： 简易型数字频率计的设计与制作 学生姓名： 夏 雪 忠 指导教师： 陈 慕 铭 2O09 年12月25日简易型数字频率计的设计与制作作者：夏雪忠【摘要】本文设计的是一个简易型数字频率计，能够用数字显示的方式显示被测信号的频率。本设计主要用555定时器产生以一秒为一个脉冲，对被测频率进行输入，保持显示，复位的循环。这种简易型数字频率计的电路结构简单，工作稳定可靠，成本低。【关键词】555定时器 CD40110 CD4017 数码管 目录前言 3第一章 方案论证 41.1 设计要求 41.2 设计方案 4第二章 硬件电路的设计 62.1、电源电路的原理 6 2.1.1 电源的原理框图 6 2.1.2 电源电路的原理及电源电路图 72.2单元电路 7 2.2.1 电源变压器 7 2.2.2 整流电路 82.2.3 滤波电路 92.2.4 稳压电路 112.3、主电路的设计 122.3.1 频率计的原理图及工作原理 122.3.2 555的功能 12第三章 电路安装与调试故障分析 14心得体会 15致谢 16参考文献 16前言随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，电子技术的飞速进步，用数字电路技术实现的自动化控制，例如555定时器，它是一种电路结构简单、使用灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部少数几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发电路、多谐震荡器等电路。555定时器的电源电压范围宽，双极型555定时器为516V，COMS555定时器为318V。可以提供与TTL及COMS数字电路兼容的接口电平。555定时器还可以输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等。它的脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电气与电子玩具等领域都有广泛的应用。随着科技的不断发展，生产工作等方面自动化程度不断提高，利用数字频率计显示被测信号的频率，由于频率计统计的是每妙信号变化的次数，因此要求频率计的时间控制要十分准确。本设计主要是一种简易型数字频率计，它的测量范围较宽，能够满足一般业余级测量的需要。 通过本课题的设计，让我们对数字电路方面的知识进行全面的复习，并锻炼我们的设计思维，提高我们的设计能力，同时通过对电路的组装与调试，锻炼我们的实践操作能力及对常规电子测量仪器的使用能力。对于电路的设计至少要提供两种备选方案，通过对它们的电路难易程度，元器件的特殊性、价格及是否容易调试，工作是否稳定，实际应用场合进行比较，选择其中一种较好的方案进行组装。 第一章 方案论证1.1 设计要求（1）具有检测被测信号频率功能；（2）测量信号频率范围1HZ-999HZ；（3）数码管显示被测频率；（4）测量误差10%；（5）自制+12V直流稳压电源。1.2 设计方案1.2.1设计方案一本电路由单位时间脉冲控制闸门电路，使被测脉冲信号在单位时间 （如1秒）内通过闸门，经计数器计数，在单位时间脉冲结束时，关闭闸门，控制电路控制完成计数值锁存。之后将计数清零，为下一次技术做好准备，锁存器数据直接送译码显示，完成了基本频率计功能。其电路框图如图1 译码显示锁存器计数器闸门电路信号输入控制电路秒脉冲图11.2.2 设计方案二本电路是以555电路作秒时间基准的通用型频率计，555电路组成多谐振荡器，输出的1HZ脉冲信号作为频率测量的时间基准， RP用来精调振荡频率。设计电路图如图2 图21.2.3设计方案的确定方案一和方案二都是采用555电路作秒时间基准的通用型频率计。但方案二的电路结构比方案一简单，所需的元器件也比较少。为使电路能够简单快速很好的显示数值且元器件能够很好的插入到电路板中，所以方案二是一种较好的选择。方案二所需的元器件实验室可以购得，所需的元件价格不高。综合比较，我选用方案二作为本次设计方案。第二章 硬件电路设计2.1 电源电路的原理2.1.1 电源的原理框图小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图3所示。 + 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 u2 u3 uI U0 _ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _ （a）稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t （b）整流与稳压过程图3 2.1.2 电源电路的原理及电源电路图图4220V的电压经过变压器次级降压，变为15V的交流电压，经过整流桥整流过后变为脉动直流，再经过滤波电容滤波和三端稳压器LM7812的稳压后输出本设计所需的+12V的直流稳压源，其原理图如图4所示2.2 单元电路2.2.1 电源变压器 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需的交流电压u2。为了满足要求，此处将采用15V变压器进行变换。 其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1 小型变压器的效率副边功率效率0.60.70.80.85 因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。2.2.2整流电路整流电路的原理图（如图5所示）图5工作原理：当u2为正半周是，二极管VD1和VD2因加正相电压而导通，VD3和VD4因加反向电压而截止。电流i（如图中实线所示）从变压器端出发流经二极管VD1、负载电阻RL和二极管VD2，最后流入变压器端，并在负载RL上产生电压降u0;反之，当u2为负半周时，二极管VD3、VD4因加正向电压导通，而二极管VD1和VD2因加反向电压而截止，电流i(如图中虚线所示)流经VD3、RL和VD4，并同样在RL上产生电压降u0。由于i和i流过RL的电流方向是一致的，所示RL上的电压u0为两者之和，即u0= u0+ u0。桥式整流电路的波形如图6所示，因而其输出电压为：U0=0.9U2而二极管反向峰值电压是全波整流电路的一半，即：URM=1.414 U2图62.2.3滤波电路 滤波电路的原理图（如图7所示） 图7无论哪种整流电路,它们的输出电压都含有较大的脉动成分。为了减少这种脉动成分，在整流后都加上滤波电路。所谓滤波就是滤掉输出电压中的脉动成分，而尽量保留其中的直流成分，使输出接近理想的直流电压。下图所示的为半波整流滤波电路。如前所述，在没有接电容时，整流二极管VD在u2的正半周导通负半周截止，输出电压u0为图8（b）中虚线所示。而在并接了电容以后，假设在t=0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时，二极管VD导电。由图8（a）可见，二极管导通时除了有一电流i0流向负载外，还有一个电流向电容充电，电容两端的电压uc的极性为上正下负。如果忽略二极管导通时的内阻，则在VD导通时，uc（即输出电压u0）等于变压器次级电压u2。而当u2到达最大值以后开始下降，此时电容上的电压uc也将由于放电而逐渐下降。当u2下降到小于uc（即u2uc时，二极管被反向、偏置而截止。于是uc以一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个正半周到来。当u2uc时，二极管又导通，再次向电容C充电。输出电压uc=u0的波形如图8（b）中实线所示。与半波整流电路比较，可以看到，由于电容的滤波作用，输出电压比无电容器时平滑多了，且直流成分也增加了。 图8(a) 电路结构 图8（b）电路工作原理示意图电容器在全波整流电路或桥式整流电路中的滤波原理与半波整流电路中的类似，其原理电路和波形如图9（a）和9（b）所示。所不同的只不过是，在桥式（或全波）整流电路中，无论输入电压u2的正半周还是负半周，电容器C都有充电过程。而且从图9（c）和9（d）比较中可看出，全波（或桥式）整流电路经电容滤后的输出电压比半滤波时更平滑，且直流成分更大些。图9（a） 全波整流电路 图9（b） 全波整流波形图图9（c） 半波整流波形图9（d）全波整流波形桥式整流电容滤波电路2.2.4稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。此电路在变压、整流、滤波的基础上加上三端固定式集成稳压器及辅助稳压的电容方可达到目的，稳压器常见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V；如图10所示图102.3 主电路的设计2.3.1 频率计的原理图及工作原理简易型数字频率计的原理图（如上图2所示）为由秒时基电路输出的1HZ脉冲信号用来控制被测信号的输入时间，这种控制是通过一个门电路方案来实现的。电路中，IC5(CD4017)组成门控电路，由秒脉冲电路输出的秒信号经F3缓冲整形后，由CP端输入门控电路IC5作为门控信号当第1个门控脉冲输入后，IC5的Q1变为高电平，这一高电平加到F2的一个输入端脚，将控制门F2打开，由脚输入的被测信号经F2、F1输入计数器IC2当第2个门控脉冲输入后，IC5的Q1变为低电平，Q2变为高电平，Q1的低电平通过F2的脚将控制门F2关闭，被测信号停止输入在第1至第2个秒脉冲期间，输入到计数器的被测脉冲数就是被测信号的频率，在第3个秒脉冲输入前Q2保持高电平1s，将F2关闭，作为数值显示的保持时间。当第3个秒脉冲输入后Q2变为低电平，Q3变为高电平，由于（脚）与复位端R相连，IC5复位，为下一次测量作准备。2.3.2 555的功能555定时器又称时基电路，是一种数字模拟混合型中规模集成电路。由于内部电压标准仪使用了三5K的电阻，故取名为555电路。其电路类型有双极型的，称为F555，也有CMOS型的，称为7555。从外表上看，有单片的，也有同一集成块内封装了两个独立的555电路，称为双555，代号为556或7556。双极型555的电源电压VCC=+5V+15V,输出最大电流可达200mA，推动一个继电器线圈，喇叭，蜂鸣器可不加功率驱动。用555可以简便地组成施密特整形电路、多谐和单稳电路，应用非常广泛。555定时器功能表如表2所示。 输入 输出阀值输入（v11） 触发输入（v12） 复位（RD） 023 Vcc13 Vcc 123 Vcc 13 Vcc 123 Vcc 13 Vcc1输出（vo） 放电管T0导通1截止0导通不变 不变表2 如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电（其值在0Vcc之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阀值、触发电平也将随之变化，并影响电路的工作状态。本电路主要用555构成一个多谐振荡器，如下图11所示 图11第三章 电路安装与调试故障分析 在接电源部分是比较容易的，只是在电路板连接好以后，对电路进行通电检测时，没有输出电压，而电路中还是稳定的，用万用表检测有时会有电压有时没有，我们就找老师，老师为我们检测也没有，后来老师和我们说一个部分一部分的检测，先接一个整流桥，就检测一下电压为13.8V，而理论值为13.5V，没有问题再继续下一个电容电压为18.3V，而理论值是18V，没有问题再接下一个，到最后接到三端稳压管7812时问题又来了，还是没有输出电压，我们有来检查，电路没有问题，我们做的是+15V 的直流稳压源，变压器是15V的，在经过虑波之后我们的电压是20V左右，大约在1.414倍左右，我们就不知道错在哪儿，电路肯定没有问题的，那就元器件了，在7812那没有输出电压那就是7812的问题，后来在我们把稳压块换了之后电路就有输出电压了，有万用表测得是11.8V理论值是12V,就这样电路整理好了，就接通主电路的主电路就有显示了。心得体会 经过二个多星期努力，毕业设计终于完成了。在这段期间我得到了很多，也很用心的去学习，去理解。刚开始的时候我们要多找几个方案，然后再对我们自己选择的方案进行选择，为了更好的做好本次设计，我们找了很多的资料，然后才在从多的设计中选择出适合我们的方案。在选择方面相对来说还是简单的，下面就是动手接电路了，我们付出了很多，我接了很多次，在老师的帮助下我终于在第二次就成功了，我很开心。可是放在那儿二天没有理它，它就不干了，罢工了怎么调也没有用后来老师也帮忙还是没有用，当时我就很无赖啊！只好听老师的话，再来一次啊！接好了还是没有用，后来老师又帮我们检查电路，电路没有问题，就是没有显示，在老师经查后我们的设计又有了现象，这个时候我才知道是我们的电路接触不好，通过本次实验我学到了很多，虽说接的很烦恼，但是不可否认我还是学到了很多的东西这也是有所得，这次的设计使我明白了不管什么事我们多要仔细的去做，努力的去做，重要是态度。我会永远的记住这次得到的经验，你努力了你就会得到。致谢本论文是在我的导师陈慕名的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，陈老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，在此谨向陈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此