课程设计—数字频率计资料设计与制作.doc

目录目录 11 课程任务 21.1课程名 -21.2课程题目 -21.3课程设计内容 -22 技术指标 22.1技术指标 -22.2系统结构 -23 整体方案与重点方案设计 23.1基本原理 -23.2整体方案与原理图 -33.3单元电路设计 -33.4重点设计电路 -84 实物制作 104.1 电路图绘制 -104.2 PCB设计制作 -104.3 电路焊接 -104.4 电路调试 -115 总结135.1设计亮点 -135.2问题及改进 -145.3心得体会 -146 附录 15附录1：电路原理图 -15附录2：生成PCB图 -16附录3：使用元器件一览表 -177 参考文献 181. 课程任务1.1 课程名消费类电子产品设计1.2 课程题目 数字频率计的设计与制作1.3 课程设计内容设计并制作一种数字频率计2. 技术指标2.1 技术指标1频率测量范围：109999Hz2入信号波形：任意周期信号3输入信号电压幅度：300mV4电源：220V、50Hz2.2系统结构本系统分为电源与整流稳压电路模块，全波整流与波形整形电路模块，分频器模块，信号放大和波形整形电路模块，控制门模块，计数器模块，锁存器模块，显示译码器与数码管显示模块。几个模块各个都有自己完成的相应的功能，各个模块之间紧密结合起来组成了整个数字频率计系统。有关各个模块的具体作用将在方案设计中加以介绍。3 整体方案与重点方案设计3.1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。按照这个基本原理，我们可以设计这个数字频率计。3.2整体方案原理图被测信号信号放大显示译码器计数器4位LED显示波形整形分频器控制门数据锁存器波形整形整流稳压电源全波整流图1整体方案原理图3.3单元电路设计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。具体实现电路如下图所示：图2电源与整流稳压部分原理图我们采用9V变压器对220V市电进行降压，后通过四个IN4007整流二极管组成的全桥整流对交流电进行整流，后经过一个1000uf的极性电容进行滤波，之后通过三端稳压器L7805进行稳压，后在经过一100uf电容再次滤波，最后可以得到较稳定的5V电压，给整个系统供电。我们把此模块作为重点设计电路部分，具体的分析详见3.4重点设计电路部分。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。全波整流电路首先对50Hz交流市电进行全桥整流，得到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100Hz的矩形波。我们设计的具体电路如下：图3全波整流与波形整形电路部分原理图 我们通过四个整流二极管进行全桥整流，整流后的波形如下图所示：图4交流电通过整流二极管整流后的波形图后我们通过IN4733稳压二极管进行稳压保护，后通过施密特反相器74HC14进行整形，整形后的波形为100HZ的矩形波，波形如下图所示：图5经IN4733稳压后的波形图3.分频器分频器对100Hz信号进行100分频得到周期为1S的脉冲信号。然后再进行二分频得到占空比为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。具体实现电路如下：图6分频器电路部分原理图我们采用7位二进制计数器CD4024作为分频器对应的Q7，Q6，Q3接三输入与门对整形后的信号进行100分频，分频后 波形如下图所示： 5 / 19 图7 分频器的输出波形图然后，我们采用双上升沿JK触发器CD4027在对信号进行二分频后得到占空比为50%，脉冲宽度为1s的方波信号（即0.5Hz，占空比为50%的方波）。由此获得测量频率的基准时间去打开或关闭控制门电路。4.信号放大、波形整形电路通过信号放大和波形整形电路将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，能够被计数器识别进行计数。具体实现电路如下图所示：图8信号放大、波形整形电路部分原理图我们采用了高增益单运算放大器uA741对输入信号进行放大，在信号的正向输入，我们通过2个1k电阻进行分压，使得信号的基准电压从0V提升到2.5V左右，这样对测量的信号的负半周也可以放大，保证了信号放大后的稳定性，我们采用施密特反相器74HC14对放大后的信号进行整形，得到我们需要的可以测量的方波信号。起输入的波形和经过整形后的波形分别如下图所示：图9输入波形图 图10 整形后的波形图5.控制门控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。此处采用与门来实现。当秒信号为正时进行计数，为负时进行锁存显示。具体实现电路如下图所示：图11控制门部分原理图 JK触发器的输出端Q和Q分别接到计数时能的与门输入端和锁存清零的与门输入端，并且通过全波整流与波形整形电路的输出端相与，使其有尽5ms左右的锁存延时，保证锁存的正常进行，保证了数据的稳定性。6.计数器计数器的作用是对输入脉冲计数。本实验要求测量上限为9999Hz，需采用4位十进制计数器。具体电路如下：图12计数器部分原理图 这里我们采用了两片双BCD加计数器CD4518分别对个十百千位进行计数，通过而输入与门74HC08作为进位控制的标志。7.锁存器在1S内计数器的计数结果经锁定后获得稳定的值送显示译码器。锁存器采用一般的8位并行输入寄存器。图13锁存器部分原理图我们选用了常用的八上升沿D触发器作为锁存器对测量的数据进行锁存显示，此部分电路比较简单。8.显示译码器与数码管显示显示译码器将用BCD码表示的10进制数转换成数码管正常显示的段信号以获得数字显示。本实验采用共阴极数码管。具体实现电路如下：图13显示译码电路部分原理图此电路我们采用了7段BCD锁存译码驱动器CD4511对数据进行译码显示，最后使测量的数据显示到数码管上。3.4重点设计电路（电源部分） 我们选择了电源部分电路作文本次课程设计的重点设计电路部分，我们将对此部分电路做详细讲解。 此部分电路图如下图所示：图14电源部分原理图电源部分我们采用了50Hz的交流市电，经过变压器降压，通过四个IN4007组成全桥整流，再经过电容滤波，后经过LM7805稳压，稳压之后再次经过整流后即得到较稳定的5V电压。以下我们来分析各部分电路的主要作用和参数：1、 被降压的市电通过整流后得到的波形：图15电源部分原理图 2、整流波形通过电容滤波后得到的波形：图16电源部分原理图 3、经过L7805三端稳压器稳压后的波形：图17电源部分原理图通过计算可知通过整流桥后的电压值U1 0.9 Ui(U1表示二极管整流后的电压，Vi表示变压器降压后的电压)，在滤波电容满足RL （35）T/2的情况下，滤波后的电压Uo = 1.2Ui（Uo表示电容滤波后的电压）。通过波形我们可以看到电路的每个元器件的功能和作用，此电路具有电路简单，稳定性高，调试简单等一系列的有点。但是值得注意的是L7805输入输出端的压降不要太大，否则 可能导致L7805发热量过大。，影响系统的稳定性。4 实物制作结论4.1 电路图绘制在实物制作之前，我们要绘制电路的原理图和PCB图，我们采用了电路图设计软件Protel 99SE绘制原理图和PCB，首先我们要对我们电路中的元件绘制原理图封装和PCB封装，我们均采用自己画的封装，可以把自己画的所有封装集成在一个库里供今后使用。画好了封装图，我们便开始画作品的原理图，由于我们对整个实物理论比较熟悉，有了自己画的封装图我们画起来会比较简单，但是我们需要细心防止电路中有断路，短路或者连线网络标号设置错误现象，因为如果画的电路有较大问题的话，对我们后面的测试将会产生比较大的困难。设计完成的电路原理图见附录1。4.2 PCB设计制作画好了原理图，我们要进行ERC检查，在有条件的情况下最好能够进行计算机仿真，确保电路的万无一失，因为一旦PCB成型后送厂制板后是很难修改的，下面是我们在计算机做的仿真图：图18 数字频率计的计算机仿真图 在仿真无误的情况下，我们开始对我们原理图生成的PCB图进行布线布局，在布局，设计完成的PCB设计版图见附录2。在完成PCB的设计，检查无误的情况下我们便可以把绘制的PCB发送到专业的PCB制板厂进行制板了。4.3 电路焊接PCB送往制板厂制版的同时，我们便要根据我们的封装购买元器件，整个元器件列表见附录3，在元器件和PCB都拿到手之后，我们要对我们所用的元器件进行检测，确保每个元器件完好无误。接下来我们要做的便是电路的焊接，个人觉得电路的焊接由以下几点需要注意：1、 元件最好是从低到高，先焊接那先电阻二极管再到PIC插槽2、 芯片先不要急于插到电路上，我们可以先把IC插座焊接好，电源部分焊好先通电测试，确保电压在5V之后便短接A处再断电插芯片。焊接好的电路如下图所示：图19 焊接好后的电路图和实物图4.4 电路调试按道理来说，电路调试是和焊接一起进行的。我们要进行的测试项目如下：1、 电源测试电源电路和变压器焊接好了之后，我们便可以测量电源电压是否稳定了，用万用表的电压档测量P1和GND间的电压，经测量，电压为5.08V，满足要求，在固定范围内。于是我们可以短接A点，插上74HC14开始检测基准时间信号。2、 基准时间信号波形检测我们用示波器测量P5点的波形，我们发现没有我们需要的100Hz的方波输出，仅仅只有一条高电平。我们测量整流桥后的波形，100Hz的波形，幅度9.8V。波形如下：图20 基准信号整流后的波形图分析原因：可能是变压器输出的电压过高，稳压5V之后电压跳变过快，施密特触发器有一段时间的滞留，导致没有发挥功能。解决方案：我们把5V的稳压二极管换成了1.2K欧左右的电阻,进行直接分压这样输入施密特的波形应该会更稳定，更换之后我们继续测量施密特输出端的波形如下：图21 100Hz基准信号波形图是标准的100Hz方波，正常，问题解决。接下来我们检测秒信号输出。3、 秒信号检测我们用示波器测量P2点的波形，我们发现输出的波形不是标准的0.5Hz，占空比为50%的方波。于是我们继续测量P7的波形，发现输出的波形没有1Hz，只有接近920Hz左右。我们继续测分频器输入端的信号，100Hz正常。分析原因：可能是CD4024分频器分频的问题，没有达到一百分频，可能是分频电路有短路或者芯片故障。解决方案：经检测电路一切正常，我们尝试着换了片不同型号的CD4024芯片，秒信号正常，问题解决。接着我们测量输入信号端的波形。4、 输入信号检测我们从输入端输入一正弦波形，波形如下：图22 输入的正弦波下图我们测量放大后的波形，如下图所示：图23 放大器放大后的波形图我们接着测量P4端整形后的波形，如下图所示：图24 输入信号整形后的波形图经检测一切正常，于是我们接通B，C点插上其他芯片继续检测计数器，锁存器，译码器等部分电路。5、 计数器，锁存器，译码器等部分检测我们插上所有芯片后，同上电，技频率计一切正常，所以证明这部分电路没有问题，但是我们发现数码管的亮度比较亮。且L7805有发热迹象。分析原因：电路中，特别是数码管中通过的电流过大，导致数码管过量和三端稳压片发热，经检测数码管的共阴端没有接线流电阻。解决方案：在数码管的共阴端接上470电阻，再次通电，问题解决。经过一系列的测试调试，最后数字频率计制作成功。5 结论5.1设计亮点本系统的设计亮点在于电路知识涉及面较广，涵盖数模电和电路知识等一系列指示点，且着重于培养实践与理论知识的相互融合。系统难易程度相当，对于学生来说，能一定程度上锻炼学生的动手能力，对学过的知识也是一种巩固。在设计上，本系统采用市电50Hz的市电作为基准频率是本设计的一大亮点，不需要额外的时钟产生电路，且信号稳定。减少了是时钟产生电路，是电路设计更加简洁。5.2问题及改进此次电路虽然设计努力确保不出问题，但是由于理论和实践，始终有差别，加上仿真与实际电路的误差，和自己设计上的粗心大意，还是出现了以下问题，下面就问题和解决改进方案如下：1、 由于变压器输出的电压过高，倒是稳压管稳压后的波形失真过大导致施密特没有锯齿波输出，解决方法是把稳压管换成1-1.5K左右的电阻尽可能的不要让幅度变化过快。2、 数码管的二极管不能通太大电流，否则可能导致电流过大烧坏二极管，解决办法是在共阴极端串上限流电阻。5.3心得体会在整个电路的设计制作过程中我们学习到了许许多多，从理论设计到实物制作，每一个过程都让我们受益匪浅，将近一个月的课程设计，巩固了我们曾今学过的理论知识，也提高了我们的动手实践能力。在课程设计的工程中我们也发现了一些问题和不足。在设计过程中让我们知道，理论是实验的基石，但是，理论成功的电路实际上不一定可行，所以让我们知道，作为一名电子学生，不断加强实践是需要的，只有通过一定的实践才能锻炼能我们对理论知识的理解，巩固理论知识，但又不盲目接受。在这样的课程设计课中，我们学习到了很多很多书本上没有的知识，但是这对于我们以后的生活和学习却有着很大哦的用户，不仅仅是增强了我们的实践动手能力，而且培养了我们的创新净胜。当然，也让我们认识到了我们还有很多不足，需要在今后的学习过程中不断的加强提高。6 结论附录1 数字频率计电路原理图附录2 数字频率计PCB设计图附录3：使用元器件一览表（序号、名称、型号、规格、数量、备注）序号名称型号规格数量备注01PCB板Y-158412.7cm*9cm1自制027段共阴数码管SM42050.56inch4显示部分03CD4511HEF4511BFDIP164译码器0474HC37474HC374NDIP202锁存器0574HC1174HC11APDIP141三3输入与门0674HC14SN74HC14NDIP1416施密特反相器07CD4027CD4027CNDIP161双上升沿JK触发器08CD4024CD4024BEDIP1417位二进制计数器09CD4518CD4518BEDIP162双BCD加计数器1074HC08SN74HC08NDIP141四2输入与门11uA741uA741CNDIP81高增益单运算放大器12LM7805L7805CNTO-2201三端正电源