課程設(shè)計—數(shù)字頻率計資料設(shè)計與制作

1、<p><b>　　目　　　錄</b></p><p>　　目錄 …………………………………………………………………1</p><p>　　課程任務(wù) ………………………………………………………2</p><p>　　1.1課程名 -------------------------------------------------2

2、</p><p>　　1.2課程題目 -----------------------------------------------2</p><p>　　1.3課程設(shè)計內(nèi)容 -------------------------------------------2</p><p>　　技術(shù)指標(biāo) ………………………………………………………2</p>

3、<p>　　2.1技術(shù)指標(biāo) -----------------------------------------------2</p><p>　　2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) -----------------------------------------------2</p><p>　　整體方案與重點方案設(shè)計 ……………………………………2</p><p>

4、;　　3.1基本原理 -----------------------------------------------2</p><p>　　3.2整體方案與原理圖 ---------------------------------------3</p><p>　　3.3單元電路設(shè)計 -------------------------------------------3</p

5、><p>　　3.4重點設(shè)計電路 -------------------------------------------8</p><p>　　實物制作 ……………………………………………………10</p><p>　　4.1 電路圖繪制 --------------------------------------------10</p><p

6、>　　4.2 PCB設(shè)計制作 ------------------------------------------10</p><p>　　4.3 電路焊接 ----------------------------------------------10</p><p>　　4.4 電路調(diào)試 -------------------------------------------

7、---11</p><p>　　總結(jié)　…………………………………………………………13</p><p>　　5.1設(shè)計亮點 ---------------------------------------------13</p><p>　　5.2問題及改進 -------------------------------------------14</p&g

8、t;<p>　　5.3心得體會 ---------------------------------------------14</p><p>　　附錄 …………………………………………………………15</p><p>　　附錄1：電路原理圖 ---------------------------------------15</p><p>　　

9、附錄2：生成PCB圖 ---------------------------------------16</p><p>　　附錄3：使用元器件一覽表 ---------------------------------17</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………18</p><p><b>　　1. 課程任務(wù)</

10、b></p><p><b>　　1.1 課程名</b></p><p><b>　　消費類電子產(chǎn)品設(shè)計</b></p><p><b>　　1.2 課程題目</b></p><p>　　數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作</p><p>　　1.3 課

11、程設(shè)計內(nèi)容</p><p>　　設(shè)計并制作一種數(shù)字頻率計</p><p><b>　　2. 技術(shù)指標(biāo)</b></p><p><b>　　2.1 技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　1．頻率測量范圍：10~9999Hz</p><p>　　2．入信號波形：任意周期信號&l

12、t;/p><p>　　3．輸入信號電壓幅度：>300mV</p><p>　　4．電源：220V、50Hz</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本系統(tǒng)分為電源與整流穩(wěn)壓電路模塊，全波整流與波形整形電路模塊，分頻器模塊，信號放大和波形整形電路模塊，控制門模塊，計數(shù)器模塊，鎖存器模塊，顯

13、示譯碼器與數(shù)碼管顯示模塊。幾個模塊各個都有自己完成的相應(yīng)的功能，各個模塊之間緊密結(jié)合起來組成了整個數(shù)字頻率計系統(tǒng)。有關(guān)各個模塊的具體作用將在方案設(shè)計中加以介紹。</p><p>　　3 整體方案與重點方案設(shè)計</p><p><b>　　3.1基本原理</b></p><p>　　數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間內(nèi)信號發(fā)

14、生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的1S時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。按照這個基本原理，我們可以設(shè)計這個數(shù)字頻率計。</p><p>　　3.2整體方案原理圖</p><p>　　圖1

15、整體方案原理圖</p><p><b>　　3.3單元電路設(shè)計</b></p><p>　　1.電源與整流穩(wěn)壓電路</p><p>　　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。</p><p>　　具體實現(xiàn)電路如下圖所示：</p><p>　　圖2電

16、源與整流穩(wěn)壓部分原理圖</p><p>　　我們采用9V變壓器對220V市電進行降壓，后通過四個IN4007整流二極管組成的全橋整流對交流電進行整流，后經(jīng)過一個1000uf的極性電容進行濾波，之后通過三端穩(wěn)壓器L7805進行穩(wěn)壓，后在經(jīng)過一100uf電容再次濾波，最后可以得到較穩(wěn)定的5V電壓，給整個系統(tǒng)供電。我們把此模塊作為重點設(shè)計電路部分，具體的分析詳見3.4重點設(shè)計電路部分。</p><p

17、>　　2.全波整流與波形整形電路</p><p>　　本頻率計采用市電頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，以獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)時間。全波整流電路首先對50Hz交流市電進行全橋整流，得到100Hz的全波整流波形。波形整形電路對100Hz信號進行整形，使之成為100Hz的矩形波。</p><p>　　我們設(shè)計的具體電路如下：</p><p>　　圖3全波整流與波形整形電路部分原理圖&

18、lt;/p><p>　　我們通過四個整流二極管進行全橋整流，整流后的波形如下圖所示：</p><p>　　圖4交流電通過整流二極管整流后的波形圖</p><p>　　后我們通過IN4733穩(wěn)壓二極管進行穩(wěn)壓保護，后通過施密特反相器74HC14進行整形，整形后的波形為100HZ的矩形波，波形如下圖所示：</p><p>　　圖5經(jīng)IN4733穩(wěn)

19、壓后的波形圖</p><p><b>　　3.分頻器</b></p><p>　　分頻器對100Hz信號進行100分頻得到周期為1S的脈沖信號。然后再進行二分頻得到占空比為50%脈沖寬度為1S的方波信號，由此獲得測量頻率的基準(zhǔn)時間。利用此信號去打開與關(guān)閉控制門，可以獲得在1S時間內(nèi)通過控制門的被測脈沖的數(shù)目。</p><p><b>

20、　　具體實現(xiàn)電路如下：</b></p><p>　　圖6分頻器電路部分原理圖</p><p>　　我們采用7位二進制計數(shù)器CD4024作為分頻器對應(yīng)的Q7，Q6，Q3接三輸入與門對整形后的信號進行100分頻，分頻后 波形如下圖所示：</p><p>　　圖7 分頻器的輸出波形圖</p><p>　　然后，我們采用雙上升沿JK

21、觸發(fā)器CD4027在對信號進行二分頻后得到占空比為50%，脈沖寬度為1s的方波信號（即0.5Hz，占空比為50%的方波）。由此獲得測量頻率的基準(zhǔn)時間去打開或關(guān)閉控制門電路。</p><p>　　4.信號放大、波形整形電路</p><p>　　通過信號放大和波形整形電路將被測信號進行放大與整形處理，使之成為能被計數(shù)器有效識別的脈沖信號，能夠被計數(shù)器識別進行計數(shù)。</p><

22、;p>　　具體實現(xiàn)電路如下圖所示：</p><p>　　圖8信號放大、波形整形電路部分原理圖</p><p>　　我們采用了高增益單運算放大器uA741對輸入信號進行放大，在信號的正向輸入，我們通過2個1kΩ電阻進行分壓，使得信號的基準(zhǔn)電壓從0V提升到2.5V左右，這樣對測量的信號的負(fù)半周也可以放大，保證了信號放大后的穩(wěn)定性，我們采用施密特反相器74HC14對放大后的信號進行整形，

23、得到我們需要的可以測量的方波信號。起輸入的波形和經(jīng)過整形后的波形分別如下圖所示：</p><p>　　圖9輸入波形圖 圖10 整形后的波形圖</p><p><b>　　5.控制門</b></p><p>　　控制門用于控制輸入脈沖是否送計數(shù)器計數(shù)。此處采用與門來實現(xiàn)。當(dāng)秒信號為正時進行計數(shù)，為負(fù)時進行鎖存顯示。<

24、/p><p>　　具體實現(xiàn)電路如下圖所示：</p><p>　　圖11控制門部分原理圖</p><p>　　JK觸發(fā)器的輸出端Q和Q\分別接到計數(shù)時能的與門輸入端和鎖存清零的與門輸入端，并且通過全波整流與波形整形電路的輸出端相與，使其有盡5ms左右的鎖存延時，保證鎖存的正常進行，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　6.計

25、數(shù)器</b></p><p>　　計數(shù)器的作用是對輸入脈沖計數(shù)。本實驗要求測量上限為9999Hz，需采用4位十進制計數(shù)器。</p><p><b>　　具體電路如下：</b></p><p>　　圖12計數(shù)器部分原理圖</p><p>　　這里我們采用了兩片雙BCD加計數(shù)器CD4518分別對個十百千位進行計

26、數(shù)，通過而輸入與門74HC08作為進位控制的標(biāo)志。</p><p><b>　　7.鎖存器</b></p><p>　　在1S內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果經(jīng)鎖定后獲得穩(wěn)定的值送顯示譯碼器。鎖存器采用一般的8位并行輸入寄存器。</p><p>　　圖13鎖存器部分原理圖</p><p>　　我們選用了常用的八上升沿D觸發(fā)器作為鎖存

27、器對測量的數(shù)據(jù)進行鎖存顯示，此部分電路比較簡單。</p><p>　　8.顯示譯碼器與數(shù)碼管顯示</p><p>　　顯示譯碼器將用BCD碼表示的10進制數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管正常顯示的段信號以獲得數(shù)字顯示。本實驗采用共陰極數(shù)碼管。</p><p><b>　　具體實現(xiàn)電路如下：</b></p><p>　　圖13顯示譯碼電路

28、部分原理圖</p><p>　　此電路我們采用了7段BCD鎖存譯碼驅(qū)動器CD4511對數(shù)據(jù)進行譯碼顯示，最后使測量的數(shù)據(jù)顯示到數(shù)碼管上。</p><p>　　3.4重點設(shè)計電路（電源部分）</p><p>　　我們選擇了電源部分電路作文本次課程設(shè)計的重點設(shè)計電路部分，我們將對此部分電路做詳細(xì)講解。</p><p>　　此部分電路圖如下圖所示：

29、</p><p>　　圖14電源部分原理圖</p><p>　　電源部分我們采用了50Hz的交流市電，經(jīng)過變壓器降壓，通過四個IN4007組成全橋整流，再經(jīng)過電容濾波，后經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓，穩(wěn)壓之后再次經(jīng)過整流后即得到較穩(wěn)定的5V電壓。</p><p>　　以下我們來分析各部分電路的主要作用和參數(shù)：</p><p>　　被降壓的市電通過整

30、流后得到的波形：</p><p>　　圖15電源部分原理圖</p><p>　　2、整流波形通過電容濾波后得到的波形：</p><p>　　圖16電源部分原理圖</p><p>　　3、經(jīng)過L7805三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后的波形：</p><p>　　圖17電源部分原理圖</p><p>　　通

31、過計算可知通過整流橋后的電壓值U1 ≈ 0.9 Ui(U1表示二極管整流后的電壓，Vi表示變壓器降壓后的電壓)，在濾波電容滿足RL ≥（3～5）T/2的情況下，濾波后的電壓Uo = 1.2Ui（Uo表示電容濾波后的電壓）。</p><p>　　通過波形我們可以看到電路的每個元器件的功能和作用，此電路具有電路簡單，穩(wěn)定性高，調(diào)試簡單等一系列的有點。但是值得注意的是L7805輸入輸出端的壓降不要太大，否則 可能導(dǎo)致

32、L7805發(fā)熱量過大。，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　實物制作結(jié)論</b></p><p>　　4.1 電路圖繪制</p><p>　　在實物制作之前，我們要繪制電路的原理圖和PCB圖，我們采用了電路圖設(shè)計軟件Protel 99SE繪制原理圖和PCB，首先我們要對我們電路中的元件繪制原理圖封裝和PCB封裝，我們均采用自己畫的

33、封裝，可以把自己畫的所有封裝集成在一個庫里供今后使用。畫好了封裝圖，我們便開始畫作品的原理圖，由于我們對整個實物理論比較熟悉，有了自己畫的封裝圖我們畫起來會比較簡單，但是我們需要細(xì)心防止電路中有斷路，短路或者連線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號設(shè)置錯誤現(xiàn)象，因為如果畫的電路有較大問題的話，對我們后面的測試將會產(chǎn)生比較大的困難。設(shè)計完成的電路原理圖見附錄1。</p><p>　　4.2 PCB設(shè)計制作</p><p&

34、gt;　　畫好了原理圖，我們要進行ERC檢查，在有條件的情況下最好能夠進行計算機仿真，確保電路的萬無一失，因為一旦PCB成型后送廠制板后是很難修改的，下面是我們在計算機做的仿真圖：</p><p>　　圖18 數(shù)字頻率計的計算機仿真圖</p><p>　　在仿真無誤的情況下，我們開始對我們原理圖生成的PCB圖進行布線布局，在布局，設(shè)計完成的PCB設(shè)計版圖見附錄2。在完成PCB的設(shè)計，檢查

35、無誤的情況下我們便可以把繪制的PCB發(fā)送到專業(yè)的PCB制板廠進行制板了。</p><p><b>　　4.3 電路焊接</b></p><p>　　PCB送往制板廠制版的同時，我們便要根據(jù)我們的封裝購買元器件，整個元器件列表見附錄3，在元器件和PCB都拿到手之后，我們要對我們所用的元器件進行檢測，確保每個元器件完好無誤。接下來我們要做的便是電路的焊接，個人覺得電路的

36、焊接由以下幾點需要注意：</p><p>　　元件最好是從低到高，先焊接那先電阻二極管再到PIC插槽</p><p>　　芯片先不要急于插到電路上，我們可以先把IC插座焊接好，電源部分焊好先通電測試，確保電壓在5V之后便短接A處再斷電插芯片。</p><p>　　焊接好的電路如下圖所示：</p><p>　　圖19 焊接好后的電路圖和實物圖

37、</p><p><b>　　電路調(diào)試</b></p><p>　　按道理來說，電路調(diào)試是和焊接一起進行的。我們要進行的測試項目如下：</p><p><b>　　電源測試</b></p><p>　　電源電路和變壓器焊接好了之后，我們便可以測量電源電壓是否穩(wěn)定了，用萬用表的電壓檔測量P1和GND間

38、的電壓，經(jīng)測量，電壓為5.08V，滿足要求，在固定范圍內(nèi)。于是我們可以短接A點，插上74HC14開始檢測基準(zhǔn)時間信號。</p><p>　　基準(zhǔn)時間信號波形檢測</p><p>　　我們用示波器測量P5點的波形，我們發(fā)現(xiàn)沒有我們需要的100Hz的方波輸出，僅僅只有一條高電平。我們測量整流橋后的波形，100Hz的波形，幅度9.8V。波形如下：</p><p>　　圖2

39、0 基準(zhǔn)信號整流后的波形圖</p><p>　　分析原因：可能是變壓器輸出的電壓過高，穩(wěn)壓5V之后電壓跳變過快，施密特觸發(fā)器有一段時間的滯留，導(dǎo)致沒有發(fā)揮功能。</p><p>　　解決方案：我們把5V的穩(wěn)壓二極管換成了1.2K歐左右的電阻,進行直接分壓這樣輸入施密特的波形應(yīng)該會更穩(wěn)定，更換之后我們繼續(xù)測量施密特輸出端的波形如下：</p><p>　　圖21 1

40、00Hz基準(zhǔn)信號波形圖</p><p>　　是標(biāo)準(zhǔn)的100Hz方波，正常，問題解決。接下來我們檢測秒信號輸出。</p><p><b>　　秒信號檢測</b></p><p>　　我們用示波器測量P2點的波形，我們發(fā)現(xiàn)輸出的波形不是標(biāo)準(zhǔn)的0.5Hz，占空比為50%的方波。于是我們繼續(xù)測量P7的波形，發(fā)現(xiàn)輸出的波形沒有1Hz，只有接近920Hz

41、左右。我們繼續(xù)測分頻器輸入端的信號，100Hz正常。</p><p>　　分析原因：可能是CD4024分頻器分頻的問題，沒有達到一百分頻，可能是分頻電路有短路或者芯片故障。</p><p>　　解決方案：經(jīng)檢測電路一切正常，我們嘗試著換了片不同型號的CD4024芯片，秒信號正常，問題解決。接著我們測量輸入信號端的波形。</p><p><b>　　輸入信號

42、檢測</b></p><p>　　我們從輸入端輸入一正弦波形，波形如下：</p><p>　　圖22 輸入的正弦波下圖</p><p>　　我們測量放大后的波形，如下圖所示：</p><p>　　圖23 放大器放大后的波形圖</p><p>　　我們接著測量P4端整形后的波形，如下圖所示：</p&

43、gt;<p>　　圖24 輸入信號整形后的波形圖</p><p>　　經(jīng)檢測一切正常，于是我們接通B，C點插上其他芯片繼續(xù)檢測計數(shù)器，鎖存器，譯碼器等部分電路。</p><p>　　計數(shù)器，鎖存器，譯碼器等部分檢測</p><p>　　我們插上所有芯片后，同上電，技頻率計一切正常，所以證明這部分電路沒有問題，但是我們發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的亮度比較亮。且L780

44、5有發(fā)熱跡象。</p><p>　　分析原因：電路中，特別是數(shù)碼管中通過的電流過大，導(dǎo)致數(shù)碼管過量和三端穩(wěn)壓片發(fā)熱，經(jīng)檢測數(shù)碼管的共陰端沒有接線流電阻。</p><p>　　解決方案：在數(shù)碼管的共陰端接上470Ω電阻，再次通電，問題解決。</p><p>　　經(jīng)過一系列的測試調(diào)試，最后數(shù)字頻率計制作成功。</p><p><b>　

45、　結(jié)論</b></p><p><b>　　5.1設(shè)計亮點</b></p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計亮點在于電路知識涉及面較廣，涵蓋數(shù)模電和電路知識等一系列指示點，且著重于培養(yǎng)實踐與理論知識的相互融合。系統(tǒng)難易程度相當(dāng)，對于學(xué)生來說，能一定程度上鍛煉學(xué)生的動手能力，對學(xué)過的知識也是一種鞏固。</p><p>　　在設(shè)計上，本系統(tǒng)

46、采用市電50Hz的市電作為基準(zhǔn)頻率是本設(shè)計的一大亮點，不需要額外的時鐘產(chǎn)生電路，且信號穩(wěn)定。減少了是時鐘產(chǎn)生電路，是電路設(shè)計更加簡潔。</p><p>　　5.2問題及改進</p><p>　　此次電路雖然設(shè)計努力確保不出問題，但是由于理論和實踐，始終有差別，加上仿真與實際電路的誤差，和自己設(shè)計上的粗心大意，還是出現(xiàn)了以下問題，下面就問題和解決改進方案如下：</p>&l

47、t;p>　　由于變壓器輸出的電壓過高，倒是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后的波形失真過大導(dǎo)致施密特沒有鋸齒波輸出，解決方法是把穩(wěn)壓管換成1-1.5K左右的電阻盡可能的不要讓幅度變化過快。</p><p>　　數(shù)碼管的二極管不能通太大電流，否則可能導(dǎo)致電流過大燒壞二極管，解決辦法是在共陰極端串上限流電阻。</p><p><b>　　5.3心得體會</b></p>

48、<p>　　在整個電路的設(shè)計制作過程中我們學(xué)習(xí)到了許許多多，從理論設(shè)計到實物制作，每一個過程都讓我們受益匪淺，將近一個月的課程設(shè)計，鞏固了我們曾今學(xué)過的理論知識，也提高了我們的動手實踐能力。在課程設(shè)計的工程中我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題和不足。</p><p>　　在設(shè)計過程中讓我們知道，理論是實驗的基石，但是，理論成功的電路實際上不一定可行，所以讓我們知道，作為一名電子學(xué)生，不斷加強實踐是需要的，只

49、有通過一定的實踐才能鍛煉能我們對理論知識的理解，鞏固理論知識，但又不盲目接受。</p><p>　　在這樣的課程設(shè)計課中，我們學(xué)習(xí)到了很多很多書本上沒有的知識，但是這對于我們以后的生活和學(xué)習(xí)卻有著很大哦的用戶，不僅僅是增強了我們的實踐動手能力，而且培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新凈勝。當(dāng)然，也讓我們認(rèn)識到了我們還有很多不足，需要在今后的學(xué)習(xí)過程中不斷的加強提高。</p><p><b>

50、　　結(jié)論</b></p><p>　　附錄1 數(shù)字頻率計電路原理圖</p><p>　　附錄2 數(shù)字頻率計PCB設(shè)計圖</p><p>　　附錄3：使用元器件一覽表（序號、名稱、型號、規(guī)格、數(shù)量、備注）</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 電子

51、技術(shù)基礎(chǔ)——數(shù)字部分，康華光編著，高等教育出版社，2006年1月第5版。</p><p>　　[2] 模擬電子技術(shù)，主編陶恒齊、張小華、彭其圣，華中科技大學(xué)出版社，2007年3月第1版。 華中科技大學(xué)印刷場出版。</p><p>　　[3] 數(shù)字頻率計的設(shè)計，牛曉弟 馬洪濤 高志勇，電腦開發(fā)與應(yīng)用，第九期第22卷。</p><p>　　[4] 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，童詩

52、白 華成英 主編，高等教育出版社，2007-11-01第4版。</p><p>　　[5] 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，閻石　主編，高等教育出版社，2008年02月01日第5版。</p><p>　　[6] EDA技術(shù)實用教程，潘松 黃繼業(yè) 編著，科學(xué)出版社，2006-09第三版。</p><p>　　[7] 電子線路設(shè)計與實現(xiàn)， 吳慎山 編著， 電子工業(yè)出版社， 2005。