1、安徽工程大学电子课程设计任务书 设计题目中文：多功能数字频率计的设计英文：Design of Multi-function Digital Frequency Meter 设计功能要求1、能正确显示输入信号频率；2、测量频率范围为 1Hz 999999Hz；3、测量结果以十进制数字显示；4、能测量幅值较小的信号频率；5、有自动刷新输出数据的功能（如 5s 刷新一次） ；6、有自检模块（如产生 100Hz 的校准方波） ；7、增加其他拓展模块（如增加脉搏传感器使之具有脉搏计数功能） 。 设计任务内容1、学习与研究相关的电子技术理论知识，查阅资料，拿出可行的设计方案；2、根据设计方案进行电路设计，
2、完成电路参数计算、元器件选型、绘制电路原理图；3、进行电路软件仿真（如：Multisim10、Protues7.5、Protel99SE 等） ，或制作实物进行调试实验，获得实验数据，验证设计有效性。4、撰写课程设计报告。签名 安徽工程大学电子课程设计多功能数字频率计的设计摘 要为了提高运用电子技术基本知识进行理论设计、实践创新的能力，培养独立工作、团队合作的意识，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，整理总结设计报告，并学习计算机辅助设计 EDA 软件 Protel99 SE 和 Multisim 10 的使用，通过设计一个数字频率计，学会合理的利用电子器件完成基于模拟电路和数字电路
3、的课程设计与制作。本次设计的多功能数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、三角波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量的频率。本设计中使用的是直接测频法，即利用计数器直接测量 1S 内输入信号周期的个数并通过延时电路使其在数码管上显示一定的时间。本设计共分八个单元模块：被测信号通过放大模块和整形模块整形为幅值较大的方波信号并送入计数模块，同时秒信号产生模块产生高精度的秒信号送入闸门控制模块以控制计数器的计数和复位时间，最终通过译码显示模块显示出结果。另外还有校准频率计的校准信号模块和给系统提供能量的电源模块。电路设计完成后，将各单元电路
4、分别送入 Multisim10 中仿真，得出结果和理论分析完全吻合，最终验证设计方案有效。关键词：数字频率计；测频法；数字显示；仿真安徽工程大学电子课程设计目 录引 言 .1第 1 章 总体方案设计 .21.1 系统原理框图 21.2 各单元电路介绍 2第 2 章 单元模块电路的设计 .42.1 放大电路 42.2 整形电路 52.3 秒信号产生电路 62.4 闸门控制电路 82.5 计数电路 102.6 译码显示电路 122.7 校准信号电路 152.8 直流稳压电源电路 16第 3 章 电路的仿真 .183.1 放大电路 183.2 整形电路 183.3 秒信号产生电路 193.4 闸门控
5、制电路 203.5 计数译 码显示电路 203.6 校准信号电路 213.7 直流稳压 电路 223.8 总 电路 23结 论 .25致 谢 .26参考文 献 .27附录 A 电 路原 理总图 28附录 B 元器件列表 29安徽工程大学电子课程设计- 1-引 言在电子测量技术中，频率是一个最基本的参量，对适应晶体振荡器、各种信号发生器、倍频和分频电路的输出信号的频率测量，广播、电视、电讯、微电子技术等现代科学领域。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。数字频率计(DFM)是电子测量与仪表技术最基础的电子仪表类别之一, 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，而
6、且它是数字电压表(DVM)必不可少的部件。当今数字频率计不仅是作为电压表、计算机、天线电广播通讯设备、工艺过程自动化装置。多种仪表仪器与家庭电器等许多电子产品中的数据信息输出显示器映入人们眼帘。集成数字频率计由于所用元件少、投资少,体积小,功耗低,且可靠性高,功能强,易于设计和研发,使得它具有技术上的实用性和应用的广泛性。不论从我们用的彩色电视机、电冰箱，DVD，还有我们现在家庭常用到的数字电压表数字万用表等等都包含有频率计。现在频率计已是向数字智能方向发展，即可以很精确的读数也精巧易于控制。数字频率计已是现在频率计发展的方向,它不仅可以很方便的读数,而且还可以使频率的测量范围和测量准确度上都
7、比模拟先进.而且频率计的使用已是很多的方面,数字卫星、数字通讯等高科技的领域都有应用。数字式频率计的测量原理有两类：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法即测周期法，如周期测频法。根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。由上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。但由于用计时法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现，因此，计时法不适合本设计要求。测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信
8、号频率越高，其误差就越小。并且用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。综上所述，本实验所用的频率测量方法是测频法。安徽工程大学电子课程设计- 2-第 1 章 总体方案设计1.1 系统原理框图根据设计要求，画出电路整体框图如图 1-1 所示。图 1-1 数字频率计原理框图1.2 各单元电路介绍1.2.1 放大电路由于频率计要求能测量各种各样的输入信号，因此加入放大电路，用于将幅值较小的信号放大到能被计数器识别的幅值较大的同频率信号以便被计数器识别。1.2.2 整形电路整形电路用于将放大电路的放大信号变形为边沿陡直的计数器易于识别的同频率脉冲方
9、波。1.2.3 秒信号产生电路秒信号产生电路可以产生精确的秒脉冲，此信号周期为 1s，用于输出到闸门控制电路中，负责计数、保持数码管中的显示结果、自动复位和循环。放大 整形 计数闸门控制译码显示直流稳压电源秒信号产生校准电路被测信号安徽工程大学电子课程设计- 3-1.2.4 闸门控制电路闸门控制电路是电路的控制部分，从秒信号产生电路中获取秒脉冲，从而控制计数器中的计数端和清零端，时系统能够正确显示出输入信号的频率，并以一定时间间隔循环运行。1.2.5 计数电路计数电路从放大整形电路中获取输入信号，从闸门控制电路获取计数通断的 1s 时间间隔和清零信号，使之能够准确输出被测信号在 1s 内循环的
10、次数即被测信号的频率，并将其在显示电路中显示出来。1.2.6 译码显示电路译码显示电路用于将计数电路的输出信号译码成为数码显示管所需的信号，是数码管能正确显示出所需数字。1.2.7 校准信号电路校准信号电路产生精准的 50Hz 方波，用于频率计的测试和秒信号产生电路的校准，使频率计的显示结果更准确。1.2.8 直流稳压电源直流稳压电源框图中的电源采用 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。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。 安徽工程大学电子课程设计- 4-第 2 章 单元模块电路的设计2.1 放大电路2.1.1 原理图R110kR2100k
11、U1ALM324N321141R39.1k VCC5VVEE-5VR410kR5100kR69.1k位位位位 Ui位位位位 UoU1BLM324N561147 Ui1图 2-1 放大电路原理图2.1.2 主要元器件介绍LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器有 5 个引出脚，其中“+”、 “-”为两个信号输入端，
12、“V+”、 “V-”为正、负电源端， “Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（- ）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的相位相同。其引脚图如图2-2 所示。图 2-2 LM324 引脚图安徽工程大学电子课程设计- 5-2.1.3 电路原理分析此电路是将两个反相比例运算电路串联起来达到较高放大倍数的目的。由原理图及反相比例运算电路的特点，有 514RUoi（2.1）从而 Uo1= -10Ui，同理 Uo=-10Uo1。于是 Uo=100Ui，即输入信号 Ui 经过两级放大之后幅值增加了 100 倍。足以
13、将 50mV 的输入信号放大到整形电路所需的 5V。另外，电路中补偿电阻 R6 和 R3 的取值应该满足5463R（2.2）从而 R6=R3=1000/110=9.1k。2.2 整形电路2.2.1 原理图74LS14N位位位位 位位位位4009BCP_5V图 2-3 整形电路原理图2.2.2 主要元器件介绍此电路的主要元器件事 TTL 集成施密特触发器74LS14。图 2-4 所示是 TTL 集成施密特触发器 74LS14 外引线功能图。 TTL 施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点：（1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。（2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。（3）带负载
14、能力和抗干扰能力都很强。表 2-1 74LS14 主要参数 图 2-4 74LS14 引脚图 器件型号 74LS14 VT+ 1.6V延迟时间 15ns VT 0.8V每门功耗 8.6mW VT 0.8V安徽工程大学电子课程设计- 6-2.2.3 电路原理分析此电路利用施密特触发器 74LS14，把幅值较大的或者不规则的输入信号整形成为矩形脉冲以利于送入计数器。其工作原理如图 2-4 所示1MOSCMOS正 弦 波 1振 荡 器输 入输 出VVT+T-图 2-5 施密特触发器整形原理图当输入信号 Ui VT+时，输出由高电平变为低电平，当 Ui VT 时，输出由低电平转变为高电平，最终使输入信
15、号整形成为同频率反相位的方波，加入非门 CD4009 之后，输出相位最终与输入相位相同。2.3 秒信号产生电路2.3.1 原理图R128.7kR257.6kC10uF Cf10nFNE555GND1DIS7OUT 3RST4VCC8THR6CON5TRI2VCC5V位位位位位图 2-6 秒信号产生电路原理图安徽工程大学电子课程设计- 7-2.3.2 主要元器件介绍555 定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路，应用十分广泛,它由 TTL 集成定时电路和 CMOS 集成定时电路,这二者功能完全相同,不同之处是:TTL 集成定时电路的驱动能力比 CMOS 集成定时电路大。555 集成定时器内部
16、逻辑电路、外引线排列及逻辑功能表如下：图 2-8 NE555 外部引脚图图 2-7 555 定时器内部逻辑图表 2-2 555 集成定时器的功能表RD TH TR u0 T0 0 导通1 大于 2/3VCC 大于 1/3VCC 0 导通1 小于 2/3VCC 小于 1/3VCC 1 截止1 小于 2/3VCC 大于 1/3VCC 保持 保持2.3.3 电路原理分析当 555 定时器按照图 2-6 所示连接时，可组成多谐振荡器。、 、 为外部电阻和电容元件。由波形图可见，电路没有稳态，仅存在两个1R2C暂稳态，电容 在 和 之间充电和放电。 期间，电源通过 、 向 充电，13cV2c 1T1R2
17、C可求得(2.3)12lnTRC期间 通过 经放电端放电，可求得2T2R(2.4)2l0GND输出 u放电 D触发 TR阈值 TH12345678 RDSDQQ-5K5K5KC1C2复位 R D电压控制 CO ccV安徽工程大学电子课程设计- 8-因此，多谐振荡器的振荡周期为(2.5)1212lnTRC图 2-9 555 定时器构成多谐振荡器的工作波形555 电路要求 与 均应大于或等于 ，但 应小于或等于 。因此1R21K12R3.为产生周期为 1s 的脉冲，取 = ， = ，C= ，由表达关系式(2.5)可18.7257.60uF知 2ln()1ln21sTRC由此可知本电路可以产生非常精
18、确的秒脉冲信号。2.4 闸门控制电路2.4.1 原理图74LS160DQA 14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3 B4C5 D6ENP7 ENT10LOAD9 CLR1CLK2 GND8VCC 16 4002BP_5V4009BCP_5V4009BCP_5V4012BP_5VVCC5V位位位位位位位位位位位位位位位位位位位CPQ1Q2图 2-10 闸门控制电路原理图安徽工程大学电子课程设计- 9-2.4.2 主要元器件介绍74LS160 十进制同步计数器具有异步清零端。当清除端 为低电平时，不管时钟端*RCP 状态如何，即可完成清零功能。74LS160 的预置是同步的。当置入控制
19、器 为低PE电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端 Q0Q3 与数据输入端 P0P3 一致。74LS160 的计数是同步的，靠 CP 同时加在四个触发器上而实现的。当 CEP、CET 均为高电平时，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。其具有超前进位功能，当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为 Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成 N 位同步计数器。对于74LS160，在 CP 出现前，即使 CEP、CET、 发生*R变化，电路的功能也不受影响。74LS160 引脚图和功能表如下所示。图 2-1174LS160
20、外部引脚图 表 2-3 74LS160 功能表输 入 输 出CP PE*RCEP CET Q 0 全 “L” 0 1 预置数据 1 1 1 1 计数 1 1 0 保持 1 1 0 保持2.4.3 电路原理分析由图 2-10 可知，74LS160 被用异步清零的方法接成了 8 进制计数器。作出此电路的状态转换表如下所示。表 2-4 闸门控制电路状态转换表电 路 状 态 输出计数顺序 QD QC QB QA Q1 Q20123456780 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
21、上表可知，电路从初始状态 QDQCQBQA=0000 时开始计数，此时 Q1=0，Q 2=1；安徽工程大学电子课程设计- 10-当第一个脉冲下降沿到达时，Q DQCQBQA=0001，此时 Q1 变为 1，且 Q2 也仍为 1；当第二个脉冲下降沿到达时，Q DQCQBQA=0010，此时 Q1 变为 0，且 Q2 仍为 1，并且 Q1 和Q2 均能够保持到第八个脉冲到达之前；当第八个脉冲下降沿到达时， Q1 仍保持为 0，而 Q2 由 1 变为 0，这时候因为 Q2=0 使 74LS160 异步清零端CLR 有效，因此第八个状态并不稳定，电路瞬间清零使 QDQCQBQA 重新回到 0000 的
22、初始状态。因此，可以利用 Q1 仅存的一个脉冲时间的高电平实现计数器中的计数和保持的功能，利用 Q2 瞬间低电平实现闸门控制电路和计数电路的异步清零的功能，同时实现了频率计的自动刷新功能。2.5 计数电路2.5.1 原理图VCC5V74LS160(2)QA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2GND8VCC1674LS160(1)QA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2GND8VCC16位位位位位位 位位位位位位位位位位位位位位EP RDCP位位位位CQ8Q7Q6Q5 Q1
23、Q2 Q3Q4图 2-12 计数电路原理图2.5.2 主要元器件介绍计数电路主要元器件仍为 10 进制同步计数器 74LS160。其功能已在闸门控制带电路模块中介绍，在此不再赘述。但与闸门控制电路不同的是，此电路用到了 74LS160的计数控制端 EPT，使计数电路计数后的输出信号能够保持一段时间，便于数码管显示。2.5.3 电路原理分析如图 2-12 所示，两块 74LS160 用串行进位的方式连接。其中每个 74LS160 的状态转换表如下所示。由表可知，当闸门计数脉冲 EP=1、闸门复位脉冲 RD=1 时，电路工作在计数状态。安徽工程大学电子课程设计- 11-第（1）片每计到 9（100
24、1）时，RCO 端输出变为高电平。下一个计数输入脉冲到达后，第（1）片计成 0（0000）状态，RCO 端跳回低电平，使第（2）片的输入端产生一个负跳变，于是第（2）片计入 1。电路便如此工作下去，当闸门计数脉冲 EP 变回 0 后，计数器就不再接受输入信号 CP，此时输出 Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1 保持在 EP 由 1 变为0 的瞬间的值不变，直到闸门复位脉冲 RD变为 0。表 2-5 计数电路状态转换表电 路 状 态计数顺序 QD QC QB QA 等效十进制数进位C0123456789100 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1
25、1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 10 0 0 00123456789000000000010安徽工程大学电子课程设计- 12-2.6 译码显示电路2.6.1 原理图图 2-13 译码显示电路2.6.2 主要元器件介绍CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动 LED 显示器。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，其引脚排列如图 2-14 所示，其中 A4、A3、A2 、A1为 BCD 码输入， A1 为
26、最低位。其真值表如表 2-6 所示。图 2-14 CD4511 引脚图其功能介绍如下：BI：4 脚是消隐输入控制端，当 BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全为 1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8” 。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当 LE=0 时，允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁定保持状态，安徽工程大学电子课程设计- 13-译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。A1、A2、A3、A4、为 8421BCD 码输入端。a、b、c、d、e、f、
27、g：为译码输出端，输出为高电平 1 有效。表 2-6 CD4511 真值表输入 输出LE BI LTA4 A3 A2 A1 a b c d e f g 显示X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 00 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 20 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 30 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 40 1 1 0 1 0 1 1 0
28、1 1 0 1 1 50 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 60 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 70 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 80 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 90 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0
29、 0 0 消隐1 1 1 X X X X 锁 存 锁存七段数码管由 7 个发光二极管构成七段字形，它是将电信号转换为光信号的固体显示器件，通常由磷砷化镓（GaAsP）半导体材料制成。故又称为 GaAsP 七段数码管，其最大工作电流为 10mA 或 15mA 分共阴和共阳两类品种。常用共阴型号有BS201，BS202 ，BS207 ，LCS011-11 等。共阳型号有 BS204，BS206， LA5011-11 等。LED 数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有 12 mA，最大
30、极限电流也只有 1030 mA，所以它的输入端在 5 V 电源或高于 TTL 高电平(3.5 V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。本电路采用七段共阴数码管作为信号输出显示器，其使用条件如下：使用电压：+5V+6V使用电流：静态总电流 80mA（每段 10mA）动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA其外部引脚及内部结构如下。安徽工程大学电子课程设计- 14-图 2-15 七段共阴数码管引脚图 图 2-16 七段共阴数码管内部结构图2.6.3 电路原理分析译码显示电路的工作原理非常简单，当输入端 A3、A2 、A1、A0 从计数电路获取不同的值时，经过 CD4511
31、译码后传到输出端 a、b、c、d、e 、f、g，将其接到数码管的相应输入端时，只要数码管串接的限流电阻合适，其就可以显示出如表 2-6 所示的不同的阿拉伯数字。关于限流电阻 R 的选择，由于数码管静态总电流 Imin=80mA，而 CD4511 输出高电平最大为 Umax=5V，从而maxIin5V80A62.U（2.6）即限流电阻最大不能超过 62.5 ，但为了防止损坏数码管也不能过小，因此此电路选用 50 的限流电阻以使电路正常工作。COMa b c d e f g DP共 阴 极 ：共 阴 极 ：安徽工程大学电子课程设计- 15-2.7 校准信号电路2.7.1 原理图NE555GNDDI
32、SOUTRSTVCCTHRCONTRI51kR147kR2195nFC10nFCf5VVCC位位 50Hz位位位位图 2-17 校准信号电路原理图2.7.2 主要元器件介绍校准信号电路主要由 555 定时器及电阻和电容构成，其主要部件 NE555 在第 2.3.2节中已详细介绍过，在此不再赘述。2.7.3 电路原理分析此电路与秒信号产生电路相似，也采用 NE555 定时器接成的多谐振荡器产生所需的脉冲信号。不同的是校准信号电路产生 50Hz 的幅值较大的方波，用于频率计使用前的检查和校准。由 2.3.2 节的 NE555 工作原理和表达关系式（2.5）可知，此电路输出频率12ln1(5K47)
33、95Fln20HzfRTC（2.7）可见此电路可以产生精确地 50Hz 脉冲方波，但由于校准信号对输出频率精确度要求很高，因此电路中电阻和电容所取的值还应在仿真部分进行微调，以提高输出频率精确度，确保校准信号的准确无误。安徽工程大学电子课程设计- 16-2.8 直流稳压电源电路2.8.1 原理图LM7805CTLINE VREGCOMMONVOLTAGE100nFC3100nFC4+5V-5VUo1Uo2LM7905CTLINE VREGCOMMONVOLTAGE220 Vrms 50 Hz 0 1243300uFC1300uFC2图 2-18 直流稳压电源原理图2.8.2 主要元器件介绍电子
34、产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端 IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子普通的三极管相似，TO- 220 的标准封装，也有9013 样子的 TO-92 封装其常见外观如图 2-19所示。用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如本电路所用到的 7805 表示输出电压为+5V，7905 表示
35、输出电压为-5V 。 图 2-19 三端稳压管 78xx 系列外观图2.8.3 电路原理分析直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。直流集成稳压电源工作时，交流电源电压经电源变压器变换成整流电路所需的交流电压值后，通过整流电路变成单向脉冲电压，再由滤波电路滤去其中的交流分量，得到较平滑的直流电压，最后经稳压电路获得稳定的直流电压。直流稳压电源的基本组成框图如图 2-20 所示：安徽工程大学电子课程设计- 17-图 2-20 直流稳压电源的基本组成框图根据图 2-18 的电路连接方法，其各元件参数的选择如下：设电源负载输出电流的平均值 ，由于 7805 输出电压为 5V，因此
36、桥L(AV)60mI式整流后的输出电压平均值 ，从而O()25=1ULO()AV306167RI（2.8）又因为滤波电容 C 应满足条件L(5)/2RT（2.9）从而电容容量为 3201(35)(1803)F67又当 时，L()/RCTO(AV)2.U（2.10）从而变压器副边电压有效值为 ()2108.32将电网电压波动范围的 10%考虑进去，所取电容的耐压值为.U（2.11）从而计算电容耐压值 1.28.3V1.9为达到较好的效果，图 2-18 中 C1、C2 实际选取容量为 300uF、耐压为 25V 的电容作为本电路的滤波电容。变压器匝数 0n=26.58.3因此本电路实际可选取 25
37、:1 的变压器。安徽工程大学电子课程设计- 18-图中的 C3、C4 用于消除输出电压中的高频噪声，可取小于 1uF 的电容，也可取几微法甚至几十微法的电容，以便输出较大的脉冲电流。对于本电路，使用 0.1uF 的电容即可达到要求。第 3 章 电路的仿真3.1 放大电路在 Multisim10 中，将信号源 XFG1 接入放大电路输入端，并用示波器 XSC1 监视输入和输出的信号变化情况，如图 3-1 所示。图 3-1 放大电路仿真图由上图可知，放大电路将频率为 50Hz，幅值为 50mV 的的输入信号放大到了4.805V，电路放大倍数近 1000，与理论值非常接近。因此，此电路完全满足设计需
38、要，可以作为电路的输入信号放大部分。3.2 整形电路将信号源 XFG1 接入整形电路输入端，并用示波器 XSC1 监视输入和输出的信号变化情况，如图 3-2 所示。安徽工程大学电子课程设计- 19-图 3-2 整形电路仿真图由上图可知，整形电路将频率为 50Hz，幅值为 10V 的的输入信号整形成为幅值为5V 的同频率方波信号，电路满足设计需要，可以用作电路的输入信号放大后的整形。3.3 秒信号产生电路用示波器监视 555 组成的多谐振荡器的输出的信号变化情况，如图 3-3 所示。图 3-3 秒信号产生电路仿真由示波器中的读数可看出，此电路可以产生幅值为 5V，周期为 999.799ms 的方
39、波信号，此种精度的秒信号可使频率计测量 5000Hz 以内的信号无误差，测量 1000000Hz以内的信号误差不到万分之一，因此完全满足设计需要。安徽工程大学电子课程设计- 20-3.4 闸门控制电路用字发生器 SWG1 模拟脉冲输入信号 CP，用四踪示波器 XSC1 监视输入和输出的信号变化情况，如图 3-4 所示。图 3-4 闸门控制电路仿真图从示波器 XSC1 中可以看出，此闸门控制电路完全按照表 2-4 所示的电路状态转换图运作，计数输出端和异步复位端每 7 个 CP 脉冲循环一次，可以完成计数、保持和复位清零的功能。3.5 计数译码显示电路将信号发生器调至方波状态，接入计数电路的 C
40、P 端，并用示波器监视信号发生器的输出信号状态。如图 3-5（1） （2）所示。由图中容易看出当计数器 74LS160 输入 8 个脉冲方波后，七段数码显示管中正确显示出数字 08，当计数器输入 19 个脉冲方波后，数码管正确显示出数字 19，经过多次重复试验，此电路中的数码管可以完美显示出输入脉冲方波的个数。因此，计数译码显示电路可以在频率计中工作。安徽工程大学电子课程设计- 21-图 3-5（1） 计数译码显示电路仿真图（1）图 3-5（2） 计数译码显示电路仿真图（2）3.6 校准信号电路和秒脉冲输出电路类似，将示波器接入校准信号电路输出端，如图 3-6 所示，可以读出输出方波信号周期为
41、 19.631ms，频率为 50.9Hz，与标准的 50Hz 略有偏差，因此在实际电路中，可以不断修改电容 C 的值以获取更精确的输出频率。安徽工程大学电子课程设计- 22-图 3-6 校准信号电路仿真3.7 直流稳压电路分别在直流稳压电路的变压器副边处、滤波电容处和输出端各放置一个万用表，如图 3-7 所示。从图中可见稳压电路中各部分的电压有效值与分析值基本符合，只有输出负电源电压 VEE 达到了 -5.66V，偏差较大。网上查资料知，这种现象普遍存在于Multisim 软件的各个版本中，可能是由于软件中的 7905 本身参数有误造成的。图 3-7 直流稳压电路各部分电压比较图安徽工程大学电
42、子课程设计- 23-稳压电路输出波形如图 3-8 所示。图 3-8 直流稳压电源输出电压波形图从上图可以看出 220V 市电经过一系列整流、滤波、稳压的过程后，已经变为脉动非常小、波形非常平稳的 5V 的直流电压了。3.8 总电路各单元电路均仿真无误后，将各部分的输入输出连接起来，组成一个完整的数字频率计。将信号发生器接入被测信号输入端，分别取不同类型、不同幅值和不同频率的输入波形，观察数码显示管的示数如图 3-9（1） （2） （3）所示。图 3-9（1） 数字频率计总体仿真图（1）安徽工程大学电子课程设计- 24-图 3-9（2） 数字频率计总体仿真图（2）图 3-9（3） 数字频率计总体
43、仿真图（3）从图 3-9 中可以看出，本次设计的数字频率计在测试的条件下完全正常工作，在输入信号频率较低的情况下误差为零。但由于 Multisim10 对高频率输入信号的仿真速度太慢，因此暂时没有其在高频率下的工作情况的仿真资料。安徽工程大学电子课程设计- 25-结 论本次设计的多功能数字频率计，完成了设计任务书中的基本要求。本设计在对电路基本参数进行合理计算的基础上，用 Multisim10 对所做设计的虚拟仿真和验证，最终达到了较好的设计效果。由于数字频率计是数字电路中的一个典型应用，本设计用到的器件较多，电路连接比较复杂，可能会产生比较大的延时，造成较大的测量误差，使可靠性差变差。因此电
44、路中还有许多需要完善的地方，比如说本设计中的基准秒脉冲信号的设计，用的是 555 定时器构成的多谐振荡器，因此在电容 C 和电阻 R 的选择上会有一些误差。而如果在其中加入振荡频率非常稳定的晶振的话，秒脉冲电路会更加精准。再比如直流稳压电源的设计中，由于不好确定负载的等效内阻，因此我就假定了一个平均输出电流，以此来计算电源所需的滤波电容 C 的大小，虽然最终成功获取的比较稳定且可用的电压，但此部分的设计仍然不够严谨，需要进一步完善。本设计虽然是数字频率计的设计，但是完全可以在此基础上将其拓展为数字脉搏计数器等以计算频率为基础的功能实用的电路，不过本次设计过程中并未对其功能进行扩充，这也是有待完
45、善的地方。在这次的数字频率计的课程设计当中，开始的时候遇到了很多的问题和麻烦，比如上面所说的直流稳压电源中的电容选择的问题开始就困扰了我很长时间。再比如说电路设计好之后，各个参数都计算的准确无误，但最后仿真的时候却得不到想要的结果，最后还要在 Multisim 中仔细调试，最终才得以解决，由此可见理论与实践还是有很大的差别的。电路设计过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的仿真调试更要一步一步来，不能急躁，因为 Multisim 软件的调试速度比较慢，又要求有一个比较正确的调试方法，像把频率调准等，因此要学会灵活处理，在不影响仿真效果的前提下加快进度，合理的分配时间。这次的
46、课程设计不仅使我获取了很多平常学习生活当中所接触不到的知识和经验，也使我认识到课堂所学的知识不仅要掌握熟练，会做题目，更要将其应用在实际电路的设计当中。安徽工程大学电子课程设计- 26-致 谢经过两个星期的努力，在指导老师和周围同学的细心指导和热情帮助下，我的课程设计终于得以顺利完成。虽然我最终未能将此设计做成实物，但我在这两个星期内已经尽了最大的努力去设计和研究这个电路。从收集大量的有关本设计的文献资料到电路中每个模块的设计和参数计算，再到用 Multisim 仿真模拟，我接触到了设计一个电子产品的基本过程并从中积累了很多课堂上学不到的知识和经验。衷心感谢指导我此次电子设计的高文根老师和在我
47、周围帮助我的同学们，正是你们的热情的支持给了我前进的动力，使我能顺利完成本次的课程设计，再次感谢你们！作者： 年 月 日安徽工程大学电子课程设计- 27-参考文献1 阎石主编；清华大学电子学教研组编. 数字电子技术基础M. 北京：高等教育出版社，2006.52 童诗白，华成英主编；清华大学电子学教研组编. 模拟电子技术基础M. 北京：高等教育出版社，2006.53 李光宇. 电子创意制作-设计制作调试M. 北京：科学出版社，20074 姚彬. 电子元器件与电子实习实训教程M. 北京：机械工业出版社，2009.35 严飞，姜源，杨碧石等编著. 妙用电子模块 222 例M. 北京：中国电力出版社，20066 门宏. 怎样做电子小制作M. 北京：人民邮电出版社，2007.97 张晓东. 动手制作日常用电子装置M. 北京：中国电力出版社，20078 町田秀和著；彭军译 . 电子制作基础与实战M. 北京：科学出版社，20069 毕满清. 电子技术实验与课程设计M. 北京：机械工业出版社，200510 谢自美. 电子线路设计 实验测试M. 华中科技大学出版社，2000
