電子課程設(shè)計論文-多功能數(shù)字頻率計的設(shè)計

1、任務(wù)書 設(shè)計題目中文：多功能數(shù)字頻率計的設(shè)計英文：Design of Multi-function Digital Frequency Meter 設(shè)計功能要求1、能正確顯示輸入信號頻率；2、測量頻率范圍為1Hz 999999Hz；3、測量結(jié)果以十進(jìn)制數(shù)字顯示；4、能測量幅值較小的信號頻率；5、有自動刷新輸出數(shù)據(jù)的功能（如5s刷新一次）；6、有自檢模塊（如產(chǎn)生100Hz的校準(zhǔn)方波）；7、增加其他拓展模塊（如增加脈搏傳感器使之具有脈搏計數(shù)功能）。 設(shè)計任務(wù)內(nèi)容1、學(xué)習(xí)與研究相關(guān)的電子技術(shù)理論知識，查閱資料，拿出可行的設(shè)計方案；2、根據(jù)設(shè)計方案進(jìn)行電路設(shè)計，完成電路參數(shù)計算、元器件選型、繪制電路原

2、理圖；3、進(jìn)行電路軟件仿真（如：Multisim10、Protues7.5、Protel99SE等），或制作實物進(jìn)行調(diào)試實驗，獲得實驗數(shù)據(jù)，驗證設(shè)計有效性。4、撰寫課程設(shè)計報告。簽名 多功能數(shù)字頻率計的設(shè)計摘 要為了提高運(yùn)用電子技術(shù)基本知識進(jìn)行理論設(shè)計、實踐創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)獨(dú)立工作、團(tuán)隊合作的意識，學(xué)會閱讀相關(guān)科技文獻(xiàn)，查找器件手冊與相關(guān)參數(shù)，整理總結(jié)設(shè)計報告，并學(xué)習(xí)計算機(jī)輔助設(shè)計EDA軟件Protel99 SE和Multisim 10的使用，通過設(shè)計一個數(shù)字頻率計，學(xué)會合理的利用電子器件完成基于模擬電路和數(shù)字電路的課程設(shè)計與制作。本次設(shè)計的多功能數(shù)字頻率計是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率的

3、數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號、方波信號、三角波信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量的頻率。本設(shè)計中使用的是直接測頻法，即利用計數(shù)器直接測量1S內(nèi)輸入信號周期的個數(shù)并通過延時電路使其在數(shù)碼管上顯示一定的時間。本設(shè)計共分八個單元模塊：被測信號通過放大模塊和整形模塊整形為幅值較大的方波信號并送入計數(shù)模塊，同時秒信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生高精度的秒信號送入閘門控制模塊以控制計數(shù)器的計數(shù)和復(fù)位時間，最終通過譯碼顯示模塊顯示出結(jié)果。另外還有校準(zhǔn)頻率計的校準(zhǔn)信號模塊和給系統(tǒng)提供能量的電源模塊。電路設(shè)計完成后，將各單元電路分別送入Multisim10中仿真，得出結(jié)果和理論分析完全吻合，最終驗證設(shè)計方案有效

4、。關(guān)鍵詞：數(shù)字頻率計；測頻法；數(shù)字顯示；仿真目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc265637153 引 言 PAGEREF _Toc265637153 h 1 HYPERLINK l _Toc265637154 第1章 總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc265637154 h 2 HYPERLINK l _Toc265637155 1.1 系統(tǒng)原理框圖 PAGEREF _Toc265637155 h 2 HYPERLINK l _Toc265637156 1.2 各單元電路介紹 PAGEREF _Toc265637156 h 2 HYPERLINK l

5、_Toc265637157 第2章 單元模塊電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc265637157 h 4 HYPERLINK l _Toc265637158 2.1 放大電路 PAGEREF _Toc265637158 h 4 HYPERLINK l _Toc265637159 2.2 整形電路 PAGEREF _Toc265637159 h 5 HYPERLINK l _Toc265637160 2.3 秒信號產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc265637160 h 6 HYPERLINK l _Toc265637161 2.4 閘門控制電路 PAGEREF _Toc265637161 h

6、 8 HYPERLINK l _Toc265637162 2.5 計數(shù)電路 PAGEREF _Toc265637162 h 10 HYPERLINK l _Toc265637163 2.6 譯碼顯示電路 PAGEREF _Toc265637163 h 12 HYPERLINK l _Toc265637164 2.7 校準(zhǔn)信號電路 PAGEREF _Toc265637164 h 15 HYPERLINK l _Toc265637165 2.8 直流穩(wěn)壓電源電路 PAGEREF _Toc265637165 h 16 HYPERLINK l _Toc265637166 第3章 電路的仿真 PAGER

7、EF _Toc265637166 h 18 HYPERLINK l _Toc265637167 3.1 放大電路 PAGEREF _Toc265637167 h 18 HYPERLINK l _Toc265637168 3.2 整形電路 PAGEREF _Toc265637168 h 18 HYPERLINK l _Toc265637169 3.3 秒信號產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc265637169 h 19 HYPERLINK l _Toc265637170 3.4 閘門控制電路 PAGEREF _Toc265637170 h 20 HYPERLINK l _Toc265637171

8、 3.5 計數(shù)譯碼顯示電路 PAGEREF _Toc265637171 h 20 HYPERLINK l _Toc265637172 3.6 校準(zhǔn)信號電路 PAGEREF _Toc265637172 h 21 HYPERLINK l _Toc265637173 3.7 直流穩(wěn)壓電路 PAGEREF _Toc265637173 h 22 HYPERLINK l _Toc265637173 3.8 總電路 PAGEREF _Toc265637173 h 23 HYPERLINK l _Toc265637174 結(jié) 論 PAGEREF _Toc265637174 h 25 HYPERLINK l _

9、Toc265637175 致 謝 PAGEREF _Toc265637175 h 26 HYPERLINK l _Toc265637176 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc265637176 h 27 HYPERLINK l _Toc265637177 附錄A 電路原理總圖28 HYPERLINK l _Toc265637177 附錄B 元器件列表29引 言在電子測量技術(shù)中，頻率是一個最基本的參量，對適應(yīng)晶體振蕩器、各種信號發(fā)生器、倍頻和分頻電路的輸出信號的頻率測量，廣播、電視、電訊、微電子技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域。因此，數(shù)字頻率計是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。數(shù)字頻率計(DFM)是電子測量與儀表技術(shù)最

10、基礎(chǔ)的電子儀表類別之一, 數(shù)字頻率計是計算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器，而且它是數(shù)字電壓表(DVM)必不可少的部件。當(dāng)今數(shù)字頻率計不僅是作為電壓表、計算機(jī)、天線電廣播通訊設(shè)備、工藝過程自動化裝置。多種儀表儀器與家庭電器等許多電子產(chǎn)品中的數(shù)據(jù)信息輸出顯示器映入人們眼簾。集成數(shù)字頻率計由于所用元件少、投資少,體積小,功耗低,且可靠性高,功能強(qiáng),易于設(shè)計和研發(fā),使得它具有技術(shù)上的實用性和應(yīng)用的廣泛性。不論從我們用的彩色電視機(jī)、電冰箱，DVD，還有我們現(xiàn)在家庭常用到的數(shù)字電壓表數(shù)字萬用表等等都包含有頻率計。現(xiàn)在頻率計已是向數(shù)字智能方向發(fā)展，即可以很精確的讀數(shù)也精巧易于控制。數(shù)

11、字頻率計已是現(xiàn)在頻率計發(fā)展的方向,它不僅可以很方便的讀數(shù),而且還可以使頻率的測量范圍和測量準(zhǔn)確度上都比模擬先進(jìn).而且頻率計的使用已是很多的方面,數(shù)字衛(wèi)星、數(shù)字通訊等高科技的領(lǐng)域都有應(yīng)用。數(shù)字式頻率計的測量原理有兩類：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法即測周期法，如周期測頻法。根據(jù)本設(shè)計要求的性能與技術(shù)指標(biāo)，首先需要確定能滿足這些指標(biāo)的頻率測量方法。由上述頻率測量原理與方法的討論可知，計時法適合于對低頻信號的測量，而計數(shù)法則適合于對較高頻信號的測量。但由于用計時法所獲得的信號周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運(yùn)算才能得到信號頻率，而求倒數(shù)運(yùn)算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路較難實

12、現(xiàn)，因此，計時法不適合本設(shè)計要求。測頻法的測量誤差與信號頻率成反比，信號頻率越低，測量誤差就越大，信號頻率越高，其誤差就越小。并且用測頻法所獲得的測量數(shù)據(jù)，在閘門時間為一秒時，不需要進(jìn)行任何換算，計數(shù)器所計數(shù)據(jù)就是信號頻率。綜上所述，本實驗所用的頻率測量方法是測頻法。第1章 總體方案設(shè)計1.1 系統(tǒng)原理框圖放大整形計數(shù)閘門控制譯碼顯示直流穩(wěn)壓電源秒信號產(chǎn)生校準(zhǔn)電路被測信號根據(jù)設(shè)計要求，畫出電路整體框圖如圖1-1所示。圖1-1 數(shù)字頻率計原理框圖1.2 各單元電路介紹1.2.1 放大電路由于頻率計要求能測量各種各樣的輸入信號，因此加入放大電路，用于將幅值較小的信號放大到能被計數(shù)器識別的幅值較大的

13、同頻率信號以便被計數(shù)器識別。1.2.2 整形電路整形電路用于將放大電路的放大信號變形為邊沿陡直的計數(shù)器易于識別的同頻率脈沖方波。1.2.3 秒信號產(chǎn)生電路秒信號產(chǎn)生電路可以產(chǎn)生精確的秒脈沖，此信號周期為1s，用于輸出到閘門控制電路中，負(fù)責(zé)計數(shù)、保持?jǐn)?shù)碼管中的顯示結(jié)果、自動復(fù)位和循環(huán)。1.2.4 閘門控制電路閘門控制電路是電路的控制部分，從秒信號產(chǎn)生電路中獲取秒脈沖，從而控制計數(shù)器中的計數(shù)端和清零端，時系統(tǒng)能夠正確顯示出輸入信號的頻率，并以一定時間間隔循環(huán)運(yùn)行。1.2.5 計數(shù)電路計數(shù)電路從放大整形電路中獲取輸入信號，從閘門控制電路獲取計數(shù)通斷的1s時間間隔和清零信號，使之能夠準(zhǔn)確輸出被測信號在

14、1s內(nèi)循環(huán)的次數(shù)即被測信號的頻率，并將其在顯示電路中顯示出來。1.2.6 譯碼顯示電路譯碼顯示電路用于將計數(shù)電路的輸出信號譯碼成為數(shù)碼顯示管所需的信號，是數(shù)碼管能正確顯示出所需數(shù)字。1.2.7 校準(zhǔn)信號電路校準(zhǔn)信號電路產(chǎn)生精準(zhǔn)的50Hz方波，用于頻率計的測試和秒信號產(chǎn)生電路的校準(zhǔn)，使頻率計的顯示結(jié)果更準(zhǔn)確。1.2.8 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源框圖中的電源采用 50Hz 的交流市電。市電被降壓、整流、穩(wěn)壓后為整個系統(tǒng)提供直流電源。系統(tǒng)對電源的要求不高，可以采用串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路來實現(xiàn)。 第2章 單元模塊電路的設(shè)計2.1 放大電路2.1.1 原理圖圖2-1 放大電路原理圖2.1.2 主要元器件介紹

15、LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。其引腳圖如圖2-2所示。 圖

16、2-2 LM324引腳圖2.1.3 電路原理分析此電路是將兩個反相比例運(yùn)算電路串聯(lián)起來達(dá)到較高放大倍數(shù)的目的。由原理圖及反相比例運(yùn)算電路的特點，有 （2.1）從而Uo1= -10Ui，同理Uo=-10Uo1。于是Uo=100Ui，即輸入信號Ui經(jīng)過兩級放大之后幅值增加了100倍。足以將50mV的輸入信號放大到整形電路所需的5V。另外，電路中補(bǔ)償電阻R6和R3的取值應(yīng)該滿足 （2.2）從而R6=R3=1000/110=9.1k。2.2 整形電路2.2.1 原理圖圖2-3 整形電路原理圖2.2.2 主要元器件介紹此電路的主要元器件事TTL集成施密特觸發(fā)器74LS14。圖2-4所示是TTL集成施密特

17、觸發(fā)器74LS14外引線功能圖。 TTL施密特觸發(fā)與非門和緩沖器具有以下特點：（1）輸入信號邊沿的變化即使非常緩慢，電路也能正常工作。（2）對于閾值電壓和滯回電壓均有溫度補(bǔ)償。（3）帶負(fù)載能力和抗干擾能力都很強(qiáng)。 表2-1 74LS14主要參數(shù) 圖2-4 74LS14引腳圖 器件型號74LS14VT+1.6V延遲時間15nsVT0.8V每門功耗8.6mWVT0.8V2.2.3 電路原理分析此電路利用施密特觸發(fā)器74LS14，把幅值較大的或者不規(guī)則的輸入信號整形成為矩形脈沖以利于送入計數(shù)器。其工作原理如圖2-4所示圖2-5 施密特觸發(fā)器整形原理圖當(dāng)輸入信號Ui VT+時，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑?/p>

18、當(dāng)Ui VT時，輸出由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，最終使輸入信號整形成為同頻率反相位的方波，加入非門CD4009之后，輸出相位最終與輸入相位相同。2.3 秒信號產(chǎn)生電路2.3.1 原理圖圖2-6 秒信號產(chǎn)生電路原理圖2.3.2 主要元器件介紹0GND輸出 u放電 D觸發(fā) TR閾值 TH12345678RDSDQQ-5K5K5KC1C2復(fù)位 RD電壓控制 CO555定時器是一種功能強(qiáng)大的模擬數(shù)字混合集成電路，應(yīng)用十分廣泛,它由TTL集成定時電路和CMOS集成定時電路,這二者功能完全相同,不同之處是:TTL集成定時電路的驅(qū)動能力比CMOS集成定時電路大。555集成定時器內(nèi)部邏輯電路、外引線排列及邏輯功能表

19、如下：Vcc 圖2-8 NE555外部引腳圖圖2-7 555定時器內(nèi)部邏輯圖表2-2 555集成定時器的功能表RDTHTRu0T00導(dǎo)通1大于2/3VCC大于1/3VCC0導(dǎo)通1小于2/3VCC小于1/3VCC1截止1小于2/3VCC大于1/3VCC保持保持2.3.3 電路原理分析當(dāng)555定時器按照圖2-6所示連接時，可組成多諧振蕩器。、為外部電阻和電容元件。由波形圖可見，電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電容在和之間充電和放電。期間，電源通過、向充電，可求得 (2.3)期間通過經(jīng)放電端放電，可求得 (2.4)因此，多諧振蕩器的振蕩周期為 (2.5)圖2-9 555定時器構(gòu)成多諧振蕩器的工作波形

20、555電路要求與均應(yīng)大于或等于，但應(yīng)小于或等于。因此為產(chǎn)生周期為1s的脈沖，取=， =，C=，由表達(dá)關(guān)系式(2.5)可知由此可知本電路可以產(chǎn)生非常精確的秒脈沖信號。2.4 閘門控制電路2.4.1 原理圖圖2-10 閘門控制電路原理圖2.4.2 主要元器件介紹74LS160十進(jìn)制同步計數(shù)器具有異步清零端。當(dāng)清除端為低電平時，不管時鐘端CP 狀態(tài)如何，即可完成清零功能。74LS160 的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器為低電平時，在 CP 上升沿作用下，輸出端 Q0Q3 與數(shù)據(jù)輸入端 P0P3 一致。74LS160 的計數(shù)是同步的，靠 CP 同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當(dāng) CEP、CET 均為高電平時

21、，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。其具有超前進(jìn)位功能，當(dāng)計數(shù)溢出時，進(jìn)位輸出端（TC）輸出一個高電平脈沖，其寬度為 Q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成 N 位同步計數(shù)器。對于74LS160，在 CP 出現(xiàn)前，即使 CEP、CET、發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。74LS160引腳圖和功能表如下所示。圖2-1174LS160外部引腳圖 表2-3 74LS160功能表輸 入輸 出CPCEPCETQ0全“L”01預(yù)置數(shù)據(jù)1111計數(shù)110保持110保持2.4.3 電路原理分析由圖2-10可知，74LS160被用異步清零的方法接成了8

22、進(jìn)制計數(shù)器。作出此電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如下所示。表2-4 閘門控制電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換表計數(shù)順序電 路 狀 態(tài)輸出QD QC QB QA Q1Q20123456780 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 0010000000111111110由上表可知，電路從初始狀態(tài)QDQCQBQA=0000時開始計數(shù)，此時Q1=0，Q2=1；當(dāng)?shù)谝粋€脈沖下降沿到達(dá)時，QDQCQBQA=0001，此時Q1變?yōu)?，且Q2也仍為1；當(dāng)?shù)诙€脈沖下降沿到達(dá)時，QDQCQBQA=0010，此時Q1變?yōu)?，且Q2仍為1，并且Q1和Q2均能夠保持到第

23、八個脈沖到達(dá)之前；當(dāng)?shù)诎藗€脈沖下降沿到達(dá)時，Q1仍保持為0，而Q2由1變?yōu)?，這時候因為Q2=0使74LS160異步清零端CLR有效，因此第八個狀態(tài)并不穩(wěn)定，電路瞬間清零使QDQCQBQA重新回到0000的初始狀態(tài)。因此，可以利用Q1僅存的一個脈沖時間的高電平實現(xiàn)計數(shù)器中的計數(shù)和保持的功能，利用Q2瞬間低電平實現(xiàn)閘門控制電路和計數(shù)電路的異步清零的功能，同時實現(xiàn)了頻率計的自動刷新功能。2.5 計數(shù)電路2.5.1 原理圖圖2-12 計數(shù)電路原理圖2.5.2 主要元器件介紹計數(shù)電路主要元器件仍為10進(jìn)制同步計數(shù)器74LS160。其功能已在閘門控制帶電路模塊中介紹，在此不再贅述。但與閘門控制電路不同的

24、是，此電路用到了74LS160的計數(shù)控制端EPT，使計數(shù)電路計數(shù)后的輸出信號能夠保持一段時間，便于數(shù)碼管顯示。2.5.3 電路原理分析如圖2-12所示，兩塊74LS160用串行進(jìn)位的方式連接。其中每個74LS160的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如下所示。由表可知，當(dāng)閘門計數(shù)脈沖EP=1、閘門復(fù)位脈沖RD=1時，電路工作在計數(shù)狀態(tài)。第（1）片每計到9（1001）時，RCO端輸出變?yōu)楦唠娖?。下一個計數(shù)輸入脈沖到達(dá)后，第（1）片計成0（0000）狀態(tài)，RCO端跳回低電平，使第（2）片的輸入端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，于是第（2）片計入1。電路便如此工作下去，當(dāng)閘門計數(shù)脈沖EP變回0后，計數(shù)器就不再接受輸入信號CP，此時輸出Q8

25、Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1保持在EP由1變?yōu)?的瞬間的值不變，直到閘門復(fù)位脈沖RD變?yōu)?。表2-5 計數(shù)電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換表計數(shù)順序電 路 狀 態(tài)等效十進(jìn)制數(shù)進(jìn)位CQD QC QB QA 0123456789100 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 10 0 0 001234567890000000000102.6 譯碼顯示電路2.6.1 原理圖圖2-13 譯碼顯示電路2.6.2 主要元器件介紹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：具有BCD轉(zhuǎn)換

26、、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 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動器，其引腳排列如圖2-14所示，其中A4、A3、A2、A1為BCD碼輸入，A1為最低位。其真值表如表2-6所示。 圖2-14 CD4511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)L

27、E=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。表2-6 CD4511真值表輸入輸出顯示LEBILTA4A3A2A1abcdefgXX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隱01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110

28、001111111801110011110011901110100000000消隱01110110000000消隱01111000000000消隱01111010000000消隱01111100000000消隱01111110000000消隱111XXXX鎖 存鎖存七段數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管構(gòu)成七段字形，它是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的固體顯示器件，通常由磷砷化鎵（GaAsP）半導(dǎo)體材料制成。故又稱為GaAsP七段數(shù)碼管，其最大工作電流為10mA或15mA分共陰和共陽兩類品種。常用共陰型號有BS201，BS202 ，BS207，LCS011-11等。共陽型號有BS204，BS206， LA5011-

29、11等。LED數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有12 mA，最大極限電流也只有1030 mA，所以它的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。本電路采用七段共陰數(shù)碼管作為信號輸出顯示器，其使用條件如下：使用電壓：+5V+6V使用電流：靜態(tài)總電流80mA（每段 10mA）動態(tài)：平均電流 4-5mA峰值電流 100mA其外部引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下。 圖2-15 七段共陰數(shù)碼管引腳圖 圖2-16 七段共陰數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.

30、6.3 電路原理分析譯碼顯示電路的工作原理非常簡單，當(dāng)輸入端A3、A2、A1、A0從計數(shù)電路獲取不同的值時，經(jīng)過CD4511譯碼后傳到輸出端a、b、c、d、e、f、g，將其接到數(shù)碼管的相應(yīng)輸入端時，只要數(shù)碼管串接的限流電阻合適，其就可以顯示出如表2-6所示的不同的阿拉伯?dāng)?shù)字。關(guān)于限流電阻R的選擇，由于數(shù)碼管靜態(tài)總電流Imin=80mA，而CD4511輸出高電平最大為Umax=5V，從而 （2.6）即限流電阻最大不能超過62.5，但為了防止損壞數(shù)碼管也不能過小，因此此電路選用50的限流電阻以使電路正常工作。2.7 校準(zhǔn)信號電路2.7.1 原理圖圖2-17 校準(zhǔn)信號電路原理圖2.7.2 主要元器件

31、介紹校準(zhǔn)信號電路主要由555定時器及電阻和電容構(gòu)成，其主要部件NE555在第2.3.2節(jié)中已詳細(xì)介紹過，在此不再贅述。2.7.3 電路原理分析此電路與秒信號產(chǎn)生電路相似，也采用NE555定時器接成的多諧振蕩器產(chǎn)生所需的脈沖信號。不同的是校準(zhǔn)信號電路產(chǎn)生50Hz的幅值較大的方波，用于頻率計使用前的檢查和校準(zhǔn)。由2.3.2節(jié)的NE555工作原理和表達(dá)關(guān)系式（2.5）可知，此電路輸出頻率 （2.7）可見此電路可以產(chǎn)生精確地50Hz脈沖方波，但由于校準(zhǔn)信號對輸出頻率精確度要求很高，因此電路中電阻和電容所取的值還應(yīng)在仿真部分進(jìn)行微調(diào)，以提高輸出頻率精確度，確保校準(zhǔn)信號的準(zhǔn)確無誤。2.8 直流穩(wěn)壓電源電路

32、2.8.1 原理圖圖2-18 直流穩(wěn)壓電源原理圖2.8.2 主要元器件介紹電子產(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。顧名思義，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。它的樣子普通的三極管相似，TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝其常見外觀如圖2-19所示。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，電路內(nèi)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，如本電路所用到的78

33、05表示輸出電壓為+5V，7905表示輸出電壓為-5V。 圖2-19 三端穩(wěn)壓管78xx系列外觀圖2.8.3 電路原理分析直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。直流集成穩(wěn)壓電源工作時，交流電源電壓經(jīng)電源變壓器變換成整流電路所需的交流電壓值后，通過整流電路變成單向脈沖電壓，再由濾波電路濾去其中的交流分量，得到較平滑的直流電壓，最后經(jīng)穩(wěn)壓電路獲得穩(wěn)定的直流電壓。直流穩(wěn)壓電源的基本組成框圖如圖2-20所示： 圖2-20 直流穩(wěn)壓電源的基本組成框圖根據(jù)圖2-18的電路連接方法，其各元件參數(shù)的選擇如下：設(shè)電源負(fù)載輸出電流的平均值，由于7805輸出電壓為5V，因此橋式整流后的輸出電壓

34、平均值，從而 （2.8）又因為濾波電容C應(yīng)滿足條件 （2.9） 從而電容容量為又當(dāng)時， （2.10）從而變壓器副邊電壓有效值為將電網(wǎng)電壓波動范圍的10%考慮進(jìn)去，所取電容的耐壓值為 （2.11）從而計算電容耐壓值 為達(dá)到較好的效果，圖2-18中C1、C2實際選取容量為300uF、耐壓為25V的電容作為本電路的濾波電容。變壓器匝數(shù)因此本電路實際可選取25:1的變壓器。圖中的C3、C4用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，可取小于1uF的電容，也可取幾微法甚至幾十微法的電容，以便輸出較大的脈沖電流。對于本電路，使用0.1uF的電容即可達(dá)到要求。第3章 電路的仿真3.1 放大電路在Multisim10中，將

35、信號源XFG1接入放大電路輸入端，并用示波器XSC1監(jiān)視輸入和輸出的信號變化情況，如圖3-1所示。圖3-1 放大電路仿真圖 由上圖可知，放大電路將頻率為50Hz，幅值為50mV的的輸入信號放大到了4.805V，電路放大倍數(shù)近1000，與理論值非常接近。因此，此電路完全滿足設(shè)計需要，可以作為電路的輸入信號放大部分。3.2 整形電路將信號源XFG1接入整形電路輸入端，并用示波器XSC1監(jiān)視輸入和輸出的信號變化情況，如圖3-2所示。圖3-2 整形電路仿真圖由上圖可知，整形電路將頻率為50Hz，幅值為10V的的輸入信號整形成為幅值為5V的同頻率方波信號，電路滿足設(shè)計需要，可以用作電路的輸入信號放大后的

36、整形。3.3 秒信號產(chǎn)生電路用示波器監(jiān)視555組成的多諧振蕩器的輸出的信號變化情況，如圖3-3所示。圖3-3 秒信號產(chǎn)生電路仿真由示波器中的讀數(shù)可看出，此電路可以產(chǎn)生幅值為5V，周期為999.799ms的方波信號，此種精度的秒信號可使頻率計測量5000Hz以內(nèi)的信號無誤差，測量1000000Hz以內(nèi)的信號誤差不到萬分之一，因此完全滿足設(shè)計需要。3.4 閘門控制電路用字發(fā)生器SWG1模擬脈沖輸入信號CP，用四蹤示波器XSC1監(jiān)視輸入和輸出的信號變化情況，如圖3-4所示。圖3-4 閘門控制電路仿真圖 從示波器XSC1中可以看出，此閘門控制電路完全按照表2-4所示的電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖運(yùn)作，計數(shù)輸出端和異

37、步復(fù)位端每7個CP脈沖循環(huán)一次，可以完成計數(shù)、保持和復(fù)位清零的功能。3.5 計數(shù)譯碼顯示電路將信號發(fā)生器調(diào)至方波狀態(tài)，接入計數(shù)電路的CP端，并用示波器監(jiān)視信號發(fā)生器的輸出信號狀態(tài)。如圖3-5（1）（2）所示。由圖中容易看出當(dāng)計數(shù)器74LS160輸入8個脈沖方波后，七段數(shù)碼顯示管中正確顯示出數(shù)字08，當(dāng)計數(shù)器輸入19個脈沖方波后，數(shù)碼管正確顯示出數(shù)字19，經(jīng)過多次重復(fù)試驗，此電路中的數(shù)碼管可以完美顯示出輸入脈沖方波的個數(shù)。因此，計數(shù)譯碼顯示電路可以在頻率計中工作。圖3-5（1） 計數(shù)譯碼顯示電路仿真圖（1）圖3-5（2） 計數(shù)譯碼顯示電路仿真圖（2）3.6 校準(zhǔn)信號電路和秒脈沖輸出電路類似，將示

38、波器接入校準(zhǔn)信號電路輸出端，如圖3-6所示，可以讀出輸出方波信號周期為19.631ms，頻率為50.9Hz，與標(biāo)準(zhǔn)的50Hz略有偏差，因此在實際電路中，可以不斷修改電容C的值以獲取更精確的輸出頻率。圖3-6 校準(zhǔn)信號電路仿真3.7 直流穩(wěn)壓電路分別在直流穩(wěn)壓電路的變壓器副邊處、濾波電容處和輸出端各放置一個萬用表，如圖3-7所示。從圖中可見穩(wěn)壓電路中各部分的電壓有效值與分析值基本符合，只有輸出負(fù)電源電壓VEE達(dá)到了-5.66V，偏差較大。網(wǎng)上查資料知，這種現(xiàn)象普遍存在于Multisim軟件的各個版本中，可能是由于軟件中的7905本身參數(shù)有誤造成的。圖3-7 直流穩(wěn)壓電路各部分電壓比較圖穩(wěn)壓電路輸

39、出波形如圖3-8所示。圖3-8 直流穩(wěn)壓電源輸出電壓波形圖從上圖可以看出220V市電經(jīng)過一系列整流、濾波、穩(wěn)壓的過程后，已經(jīng)變?yōu)槊}動非常小、波形非常平穩(wěn)的5V的直流電壓了。3.8 總電路各單元電路均仿真無誤后，將各部分的輸入輸出連接起來，組成一個完整的數(shù)字頻率計。將信號發(fā)生器接入被測信號輸入端，分別取不同類型、不同幅值和不同頻率的輸入波形，觀察數(shù)碼顯示管的示數(shù)如圖3-9（1）（2）（3）所示。圖3-9（1） 數(shù)字頻率計總體仿真圖（1）圖3-9（2） 數(shù)字頻率計總體仿真圖（2）圖3-9（3） 數(shù)字頻率計總體仿真圖（3）從圖3-9中可以看出，本次設(shè)計的數(shù)字頻率計在測試的條件下完全正常工作，在輸入信

40、號頻率較低的情況下誤差為零。但由于Multisim10對高頻率輸入信號的仿真速度太慢，因此暫時沒有其在高頻率下的工作情況的仿真資料。結(jié) 論本次設(shè)計的多功能數(shù)字頻率計，完成了設(shè)計任務(wù)書中的基本要求。本設(shè)計在對電路基本參數(shù)進(jìn)行合理計算的基礎(chǔ)上，用Multisim10對所做設(shè)計的虛擬仿真和驗證，最終達(dá)到了較好的設(shè)計效果。由于數(shù)字頻率計是數(shù)字電路中的一個典型應(yīng)用，本設(shè)計用到的器件較多，電路連接比較復(fù)雜，可能會產(chǎn)生比較大的延時，造成較大的測量誤差，使可靠性差變差。因此電路中還有許多需要完善的地方，比如說本設(shè)計中的基準(zhǔn)秒脈沖信號的設(shè)計，用的是555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，因此在電容C和電阻R的選擇上會有一

41、些誤差。而如果在其中加入振蕩頻率非常穩(wěn)定的晶振的話，秒脈沖電路會更加精準(zhǔn)。再比如直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計中，由于不好確定負(fù)載的等效內(nèi)阻，因此我就假定了一個平均輸出電流，以此來計算電源所需的濾波電容C的大小，雖然最終成功獲取的比較穩(wěn)定且可用的電壓，但此部分的設(shè)計仍然不夠嚴(yán)謹(jǐn)，需要進(jìn)一步完善。本設(shè)計雖然是數(shù)字頻率計的設(shè)計，但是完全可以在此基礎(chǔ)上將其拓展為數(shù)字脈搏計數(shù)器等以計算頻率為基礎(chǔ)的功能實用的電路，不過本次設(shè)計過程中并未對其功能進(jìn)行擴(kuò)充，這也是有待完善的地方。在這次的數(shù)字頻率計的課程設(shè)計當(dāng)中，開始的時候遇到了很多的問題和麻煩，比如上面所說的直流穩(wěn)壓電源中的電容選擇的問題開始就困擾了我很長時間。再比如說電路設(shè)計好之后，各個參數(shù)都計算的準(zhǔn)確無誤，但最后仿真的時候卻得不到想要的結(jié)果，最后還要在Multisim中仔細(xì)調(diào)試，最終才得以解決，由此可見理論與實踐還是有很大的差別的。電路設(shè)計過程是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，馬虎，對電路的仿真調(diào)試更要一步一步來，不能急躁，因為Multisim軟件的調(diào)試速度比較慢，又要求有一個比