【文章內(nèi)容簡介】 0 pF，輸出波形、頻率變化調(diào)整時，輸出電壓能夠穩(wěn)定的達(dá)到 Vpp=2 V。 由于設(shè)計要求的電壓幅度為 5V，因此必須對產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大，本設(shè)計的放大電路主要由運放 OPA604擔(dān)任 。 OPA604 是 FET 輸入高保真運放 IC，性能十分優(yōu)越，低噪聲 10nv/Hz，低失真率，1KHZ 時，僅為 %，高轉(zhuǎn)換率 25v/us，功率帶寬為 20MHZ，電路中 OPA604的閉環(huán)電壓增益由外電路 所接電阻控制。 由 OPA604 組成的放大電路如下圖 4 所示 10 圖 4 信號放大電路 注： R1 的另一接線端接 MAX038 的管腳 19 圖 3 所示的電路產(chǎn)生的正弦輸出波的 Vpp=2 V, Multisim 軟件中沒有信號產(chǎn)生芯片 MAX038，對圖 3 所示電路的仿真我們只能外接一個能夠產(chǎn)生 Vpp=2 V的正弦信號源，仿真的結(jié)果如下圖 5 所示 圖 5 放大電路仿真結(jié)果圖 11 第二節(jié)：頻率的數(shù)字顯示 一 、 整體方框圖及原理 圖 6 輸入電路： 由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。 頻率測量： 測量頻率的原理框圖如圖 。被測信號經(jīng)整 形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由 555 定時器構(gòu)成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的時基信號，作為閘門開通的基準(zhǔn)時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達(dá)到了測量頻率的目的。 計數(shù)顯示電路： 在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字。 控制電路： 控制電路里面要產(chǎn)生計數(shù)清零信號和鎖存控制信號。 二 、 各部分的 設(shè)計 與調(diào)測 輸入電路 設(shè)計與調(diào)測 12 時基電路設(shè)計 圖 7 時基電路與分頻電路 它由兩部分組成 : 如圖 7 所示，第一部分為 555 定時器組成的振蕩器 (即脈沖產(chǎn)生電路 ),要求其產(chǎn)生 1000Hz 的脈沖 .振蕩器的頻率計算公式為 :f=((R1+2*R2)*C),因此 ,我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了R1= ， R2=， C= 使得 555 能夠產(chǎn)生非常接近 1KHz 的頻率。第二部分為分頻電路 ,主要由 74LS160 組成，因為振蕩器產(chǎn)生的是 1000Hz 的脈沖 ,也就是其周期是 ,而時基信號要求周期為 1s。 74LS160 為十進(jìn)制計數(shù)器，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)。 13 時基電路的調(diào)測 圖 8 時基電路 首先調(diào)測時基信號，通過 555 定時器、 RC 阻容件構(gòu)成多諧振蕩器的兩個暫態(tài)時間公式，選擇R1= ， R2=， C=。把 555 產(chǎn)生的信號接到示波器中，使得輸出的信號的頻率為 1KHz。同時輸出信號的頻率也要穩(wěn)定。測完后，下面測試分頻后輸出端信號。測出來的信號頻率和理論值 1Hz相等。這樣，時基電路這部分就測試完畢，可以用于做標(biāo)準(zhǔn)的閘門信號，所以此時的時基電 路設(shè)計好了，而且時基信號也沒有什么問題。 圖 9 時基電路分頻后的波形 14 放大整形電路設(shè)計 如圖 10 所示，待測的波先被送入到放大電路的輸入端，輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計一個整形電路在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路 ，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。然后把放大調(diào)整后的信號送入由 555 構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能經(jīng)過施密特觸發(fā)器后便把信號整形成為矩形波。 圖 10 放大整形電路圖 15 放大整形電路的調(diào)測 圖 11 放大整形電路 用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦波形，輸入放大整形電路，用示波器來觀察待測信號經(jīng)放大整形電路后波形的前后變化，結(jié)果 如圖 12， 1 表示整形后的波形， 2 表示整形前的。 圖 12 待測信號放大整形前后的波形圖 16 二 、 控制電路的設(shè)計與調(diào)測 控制電路設(shè)計 通過分析我們知道 控制電路這部分是本實驗的最為關(guān)鍵和難搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個小的模塊，通過控制選擇所要測量的東西。比如頻率，周期，脈寬。同時控制電路還要產(chǎn)生 74160 的清零信號， 74LS373 的鎖存信號。 圖 13 控制電路 邏輯控制電路詳細(xì)的電路如圖 13 所示。圖 14 是測試被測信號頻率時的計數(shù)器 CP 信號波形、 PT 端輸入波形、 CLR 段清零信號波形、 74LS373 鎖存端波形圖。其中第一個波形是被測信號的波形圖、第二個是 PT 端輸入信號的波形圖、第三個是計數(shù)器的清零信號。第四個是鎖存信號。 PT 是高電平的時候計 17 數(shù)器 開始工作。 CLR 為低電平的時候，計數(shù)器清零。根據(jù)圖得知在計數(shù)之前對計數(shù)器進(jìn)行了清零。根據(jù) 74LS373（ 74LS373 的管腳圖和功能表詳見附錄）的功能表可以知道，當(dāng)鎖存信號為高電平的時候，74LS48 不送數(shù)。如果不讓 74LS373 鎖存的話，那么計數(shù)器輸出的信號一直往數(shù)碼管里送。由于在計數(shù)，那么數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字，由于頻率大，那么會發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直在閃動。那么通過鎖存信號可以實現(xiàn)計數(shù)的時候讓數(shù)碼管不顯示，計完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計數(shù)器計到的數(shù)字的功能。根據(jù)圖可以看到，當(dāng) PT 到達(dá)下降沿的時候，此時 74LS373 的 G 端的輸入信號也剛好到達(dá)下降沿。 圖 14 控制電路工作波形示意圖 18 邏輯控制電路的調(diào)測 圖 15 邏輯控制電路調(diào)測連接圖 控制電路的連接圖如圖 15 所示，其中兩個 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用一個是產(chǎn)生清零信號，另一個是產(chǎn)生鎖存信號。 由調(diào)試波形可以知道電路設(shè)計是正確的。這部分是測量頻率的功能。測頻率的時候時基信號作為閘門信號。 測試的結(jié)果如圖 16 所示其中 1 波形表示為清零信號， 2 波形表示鎖存信號， 3 波形表示閘門信號。 控制部分的工作原理：當(dāng)清零信號由 0 變?yōu)?1 時，此時計數(shù)器的清零工作已經(jīng)完成。閘門開 始打開，當(dāng)閘門打開時，即閘門信號為高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)我們所設(shè)計的閘門的高電平時間為 1S，在此 19 時間內(nèi)計數(shù)器計數(shù)被測信號的變化次數(shù)，所得結(jié)果便是被測信號的頻率。當(dāng)計數(shù)器清零和計數(shù)時，鎖存器要鎖存，以免顯示時數(shù)字跳動，當(dāng)計數(shù)器清零和計數(shù)完畢時，鎖存器再開始讀數(shù)。那么到此，整個控制電路部分實現(xiàn)的控制功能都已經(jīng)實現(xiàn)了。到這里，會發(fā)現(xiàn)控制電路整個設(shè)計過程的精華所在。把控制電路這部分完成，那么本次的課程設(shè)計最重要的部分完成，所以這次課程設(shè)計整體上也就基本完成了。 圖 16 邏輯控制電路輸出波形圖 第三部分 :數(shù)字 電壓表設(shè)計 數(shù)字電壓表是將被測模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行實時數(shù)字顯示的數(shù)字系統(tǒng)。 方案一： 采用單片機(jī) 89C51 作為系統(tǒng)的控制核心 ,以 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 作為主要部件，原理是模數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端，北側(cè)電壓輸出端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測電壓。模數(shù)（ A/D） 轉(zhuǎn)換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時序來采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法來計算出被測量電壓的值，最后單片機(jī)系統(tǒng)將計算好了的被測電壓按一定的是與送入顯示 電路模塊加以顯示。 單片機(jī)技術(shù) 20 成熟、運算功能較強、編程靈活、設(shè)計成本也較低，能較準(zhǔn)確地測量輸入電壓。但在單片機(jī)系統(tǒng)中必須使用許多分立元件組成其外圍電路，整個系統(tǒng)顯得十分復(fù)雜，可靠性較低，抗干擾能力差，而且功耗高。 并且我們對單片機(jī)的學(xué)習(xí)還不是很多，還會用到編程。所以這種方法不是我們采用的。 方案二：我們主要以集成芯片為主要器件。電路主要有 MC14433 A\D 轉(zhuǎn)換器、 MC1413 七路達(dá)林頓驅(qū)動器陣列、 CD4511 BCD 到七段鎖存 譯碼 驅(qū)動器、能隙基準(zhǔn)電源 MC1403 和共陰極 LED 發(fā)光數(shù)碼管組成 。本系統(tǒng)是 321 位數(shù)字電壓表， 321 位是指十進(jìn)制數(shù) 0000～ 1999，所謂 3 位是指個位、十位、百位，其數(shù)字范圍均為 0～ 9。而所謂半位是指千位數(shù)，它不能從 0 變化到 9，而只能由 0 變到 1，即二值狀態(tài)，所以成為半位。 電路圖如下： U1M C 1 4 0 312 3U2M C 1 4 4 3 324VDD2VREF1VAG13VSS8C7c6C5RI/CI4RI9DU14EOC3VI 12VEE10CPI11CPO15OR20Q021Q122Q223Q319DS118DS217DS316DS4U3M C 1 4 1 312345678GND10 11 12 13 14 15 16 9U4C D 4 5 1 14BI7A1B2C6D8VSS316VDD 514g15f9e10d11c12b13aV D D 5VR11kΩK e y = A50%C10 . 1 181。 FC20 . 1 FR2470kΩJ1K e y = S pa c eR39kΩR44kΩR51kΩ待測信號V E E 5 VR6470kΩU5A B C D E F GCAHU6A B C D E F GCAHU7A B C D E F GCAHU8A B