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一、题目名称 正弦波发生和频率显示电路的设计
二、设计任务及要求 1.正弦波振荡频率100~10000Hz，输出信号范围5±5％V。 2.振荡频率用三位数码管显示，超量程指示用发光二极管显示。 3.自动连续测量和显示频率，测量周期为4S。 4.实现中规模集成电路。
三、电路设计 1、总体框图及工作原理 
正弦波发生和频率显示电路的框图如上图所示，由正弦波振荡器和波形变换电路、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正弦波和波形变换电路由RC由桥式正弦波振荡电路和电压比较器组成。 ②1s定时电路采用555定时器形成单稳态触发器定时。 ③计数器设计为三位十进制计数器MC14553三位BCD加法计数器。 ④选择显示译码电路CD4511显示译码器，用三极管驱动数码管，用十进制数字显示计数器计到的脉冲数。 ⑤超量程指示电路是由或非门组成的基本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.单元电路设计及部件选择 ①正弦波和波形变换电路 由于振荡频率要求不高，因此采用RC文氏振荡器。考虑到数字显示振荡频率，正弦波需要波形变换来计数。正弦波和波形变换电路如图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。 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电位器应在桥式电路中进行调节R_2,使R_2=R=10 kΩ。 ②稳定态定时电路 为便于测量和转换，设计1S在定时范围内测量的脉冲数为振荡频率。定时电路和单稳态输出波形如图2所示。 单稳态定时电路由555定时器组成T_w=1.1RC=1.1×0.47×2=1.034≈1s，式中R和C定式电阻和电容。 加入电路C_r和R_由1组成的微分电路由输入下降沿触发。考虑到定时精度和测量速度，取出R_1=91 kΩ。 ③频率计数显示电路 计数器选用MC14553芯片，这是三位一片BCD加法计数器芯片器芯片(DS_1 ) ?、(DS_2 ) ?、(DS_3 ) ?控制每时每刻只输出一个BCD代码。选择显示译码器CD有4511芯片的芯片BCD七段锁/译码/驱动功能。计数和译码显示电路如图3所示。
④超量程指示电路 当计数器MC1453到1000个脉冲时，OF该信号连接到超量程指示电路，驱动发光管发光，表示信号频率需要调整。电路如图4所示。 图中由或非门组成的基本类型RS触发器，当MC1453在计数到1000个脉冲时，OF端会输出正脉冲，RS触发器Q置1，发光二极管亮，表示测量电容已超过999nF，此时，显示器读数不再是被测电容的容量。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 实际上，控制电路是一个低频信号发生器，振荡周期为4S，精度要求不高，分别用于触发单稳态电路、超量程指示电路复位和计数器清零。电路如图5所示。 在振荡电路中R_s=R振荡周期的估计为T≈1.8RC，即有1.8RC=4s，取C=0.1uF，则R取22MΩ。 由于MC高电平清零时，1452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，就会出现消隐现象。为避免，控制电路通过C_r和R_r微分电路将清零信号添加到计数器清零端。这样，计数器只依靠清零信号的上升，即使清零的高电平持续时间很短，依靠人眼的视觉惰性，也不会注意到的现象。 以下是控制电路和超量程指示电路的共享CD4001芯片原理图。 3、整体电路原理设计手绘图（详见附录1） 4.线路设计的整体电路原理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.组件清单 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根据设计的电路原理图，将电路连接到面包板上的模块 ②调试分模块 ③调试过程遵循先查原理，再查连线的原则 ④记录调试中的问题和数据 ⑤分析安装调试中遇到的问题及其原因，并找到解决方案 3.调试过程及其结果 ①调试正弦波的发生和波形转换电路，用示波器通道1观察正弦波的产生，用示波器通道2观察转换方波。示波器中通道1的波形为不失真的正弦波，振幅值约为5V，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连接模块电路的输出端，观察测量周期。 ③调试555构成的1s定时电路，用示波器通道2连接模块电路的输出端，在一个周期内观察输出波形s高电平和3s低电平。也可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，在连接计数器时，模块主要是看发光二极管是否会在低电平时亮起。 ⑤将各模块电路完全连接，形成完整的正弦波发生和频率显示电路，台式电源接入±用示波器连接正弦波发生器输出端约5个电源。观察示波器中测量的频率是否与面包板上数字管上显示的频率大致相同。 ⑥到目前为止，电路调试已经完成。(完整电路连接见附录2)可正常进行实验。 数据分析：示波器测量正弦波的实际频率为178Hz，数码管显示频率为188Hz，满足误差允许范围内的实验要求。 4.调试中的问题及其解决方案 ①波形失真，电路不符合正弦波振幅条件，调整电位器至电路达到振幅条件后，波形正常显示。 ②数码管最高位最亮，两个低位闪烁甚至不亮:不注意区分实物PNP与型晶体管(8550)NPN型晶体管（8050），两低位使用了NPN换成型晶体管PNP三位数码管在晶体管后显示正常。 ③数码管c管引脚和e管引脚反转导致数码管显示异常。检查原理和连接后，再次查看使用的数码管引脚功能，发现c和e脚偏离所理解的位置，更改后显示正常。 ④过量程指示灯暗淡，不易观察：发光二极管与电源之间的电阻值过大，更换为低电阻后，指示灯亮度适宜，易于观察。 ⑤数字管显示频率约为实际频率的两倍：静态工作点过高，台式电源降低约4倍.5V，数字管显示频率正确。
五、思考问题(详见微信微信官方账号报告)
六、经验(详见微信微信官方账号报告)
电子线路CAD源文件部分截图