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一、题目名称
正弦波发生及频率显示电路的设计

二、设计任务和要求
1.正弦波振荡频率100～1000Hz，输出信号幅度5±5％V。
2.用3位数码管显示振荡频率，用发光二极管作为超量程指示。
3.能自动连续测量、显示频率，测量周期为4S。
4.用中规模集成电路实现。

三、电路设计
1、总体框图及工作原理

正弦波发生及频率显示电路的框图如上图所示，它由正弦波振荡器及波形变换电路、单稳态定时电路、计数器、译码显示电路、超量程指示电路和控制电路六部分组成。
①正弦波发生及波形变换电路是由RC桥式正弦波振荡电路和电压比较器组合而成的。
②1s定时电路是利用555定时器构成单稳态触发器定时。
③计数器设计为三位十进制计数器，采用MC14553三位BCD加法计数器。
④显示译码电路选用CD4511显示译码器，利用三极管驱动数码管，把计数器计到的脉冲数用十进制数字显示出来。
⑤超量程指示电路是由或非门构成的一个基本RS触发器。
⑥控制电路实际上是一低频信号发生器，根据数字式电容计的工作原理来设计。
2、单元电路设计及元器件选择
①正弦波发生及波形变换电路
因振荡频率要求不高，故采用RC文氏振荡器。考虑到要数字显示振荡频率，需对正弦波进行波形变换以便计数。正弦波发生及波形变换电路如图1所示。

RC桥式正弦波振荡电路以RC串联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈电路为放大环节，具有振荡频率稳定、带负载能力强、输出电压失真小等优点。波形变换电路用电压比较器来实现正弦波到方波的变换。
电路要产生正弦波需要满足起振条件A_u=(1+R_f/R_1 )≥3，即R_f≥2R_1=4kΩ,调节电位器R_f，使之略大于4kΩ；RC桥式电路中应调节电位器R_2,使R_2=R=10 kΩ。
②单稳态定时电路
为了便于测量换算，设计一个1S定时电路，在该定时范围内所测得的脉冲个数即为振荡频率。定时电路及单稳态输出波形如图2所示。

用555定时器构成单稳态定时电路，有T_w=1.1RC=1.1×0.47×2=1.034≈1s，式中R和C为定式电阻和电容。
在电路中加入由C_r和R_1组成的微分电路，这样单稳态电路只要靠输入的下降沿触发。考虑到定时精度和测量速度，取R_1=91 kΩ。
③频率计数显示电路
计数器选用MC14553芯片，这是一片3位BCD加法计数器芯片，由选择端(DS_1 ) ̅、(DS_2 ) ̅、(DS_3 ) ̅控制每一时刻只输出一位BCD码。显示译码器选用CD4511芯片，该芯片具有BCD七段锁存/译码/驱动功能。计数及译码显示电路如图3所示。

④超量程指示电路
当计数器MC14553计到1000个脉冲时，“OF”端会输出一个正脉冲，该信号连到超量程指示电路，驱动发光管发光，表示信号频率超范围需调整。电路如图4所示。

图中由或非门构成的式一个基本的RS触发器，当MC14553在计数到1000个脉冲时，“OF”端会输出一个正脉冲，RS触发器Q置1，发光二极管亮，表示被测电容已超过999nF，这时的显示器读数已不是被测电容的容量。在复位信号的作用下，Q端置0，等待下一次测量。
⑤控制电路
控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4S，精度要求不高，用其产生方波和尖脉冲信号，分别用来触发单稳态电路、超量程指示电路复位和计数器清零。电路如图5所示。
振荡电路中在R_s=R的条件下,振荡周期的估计式为T≈1.8RC，即有1.8RC=4s，取C=0.1uF，则R取22MΩ。
由于MC14552在高电平清零时，位选择输出端DS_1~DS_3都是1，如果清零信号的高电平持续时间较长，会看到消隐现象。为避免之，控制电路中通过C_r和R_r组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。这样，计数器只靠清零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，不会察觉到有消隐现象。
如下是控制电路和超量程指示电路共用一个CD4001芯片的原理图。

3、整体电路原理设计手绘图（详见附录1）
4、整体电路原理设计线路CAD图
结合同期课程“电子线路CAD”，使用“立创EDA”软件绘制原理图。

5、元器件清单

四、安装调试
1、使用的主要仪器仪表
台式电源、双通道示波器、手持万用表
2、调试电路的方法和技巧
①按照设计好的电路原理图，在面包板上分模块连接好电路
②分模块进行调试
③调试过程依照“先查原理，再察连线”的原则
④记录调试中的问题与数据
⑤分析安装调试遇到的问题及其原因，并寻找解决方案
3、调试过程及其结果
①调试正弦波发生及波形转换电路，用示波器通道1观察正弦波的产生，示波器通道2观察转换的方波。通过调节电位器使得示波器中通道1的波形为不失真的正弦波，幅值约为5V，而通道2的波形为相应的方波。

②调试控制电路，用示波器通道2接该模块电路的输出端，观察测量其周期。
③调试555构成的1s定时电路，用示波器通道2接该模块电路的输出端，观察输出波形在一个周期内为1s高电平和3s低电平。也可以通过示波器测量周期的功能准确得出。
④调试超量程指示电路，在为连接计数器时，该模块主要就是看给一个低电平时，发光二极管是否会亮。
⑤将各个模块电路连接完整，构成完整的正弦波发生及频率显示电路，台式电源接入±5左右的电源，使用示波器接正弦波发生器输出端。观察示波器中测量的频率和面包板上数码管显示的频率是否大致相等。
⑥至此，电路的调试全部完成。（完整电路连接详见附录2）可以正常进行实验。 数据分析：正弦波实际频率由示波器测得为178Hz，数码管显示频率为188Hz，在误差允许范围内，符合实验要求。
4、调试中出现的问题及其解决方法
①波形失真，电路不满足正弦波起振的幅值条件，调节电位器至电路满足幅值条件后，波形正常显示。
②数码管最高位最亮，两低位显示闪烁甚至不亮：未注意区分实物PNP型晶体管（8550）与NPN型晶体管（8050），两低位使用了NPN型晶体管，换成PNP型晶体管后，三位数码管均显示正常。
③数码管c管引脚和e管引脚弄反导致数码管显示异常，在检查原理及连线没问题后，再次查阅所使用的数码管的引脚功能发现c和e脚与所理解的位置有所偏差，更改后显示正常。
④超量程指示灯暗淡不易观察：发光二极管与电源之间的电阻阻值过大，更换为低阻值电阻后，指示灯亮度适宜，便于观察。
⑤数码管显示频率大约为实际频率的两倍：静态工作点太高，调低台式电源大约至4.5V，数码管显示频率正确。

五、问题思考（详见微信公众号报告）

六、心得体会（详见微信公众号报告）

电子线路CAD源文件部分截图