消费类电子产品的设计与制作.docx
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消费类电子产品的设计与制作
目 录
目录…………………………………………………………………1
一、课程设计题目简介················································2
1．1课程名·····················································2
1．2课程设计题目···············································2
二、课程设计具体安排················································2
2．1设计容···················································2
2．2设计目的···················································2
2．3设计要求···················································2
2．4设计进度···················································3
三、技术指标、整体方案与重点方案设计·································3
3．1技术指标···················································3
3．2系统结构···················································4
3．3基本原理···················································4
3．4整理方案原理图··············································4
3．5单元电路设计电路设计········································4
3．6重点设计电路··············································8
四、元器件的检测···················································9
4．1二极管的检测方法··········································9
4．2三极管的检测方法··········································10
4．3发光二极管的检测··········································10
4．4数码管的检测··············································10
4．5芯片的检测················································11
4．6电容器的检测··············································11
4．7电源变压器的检测··········································11
五、实物操作·······················································12
5．1电路图绘制················································12
5．2电路焊接··················································12
5．3电路调试··················································12
六、课程设计结论···················································14
6．1设计思路··················································14
6．2问题及改进················································14
6．3设计心得··················································14
七、参考文献························································15
附录1数字频率计电路原理图····································16
附录2数字频率计PCB设计图····································17
附录3使用元器件一览表········································18
《消费类电子产品的设计与制作》
课程设计任务书
一、课程任务
1.1课程名
消费类电子产品设计
1.2课程题目及容
数字频率计的设计与制作
二、课程设计具体安排
2．1设计容
设计并制作一种数字频率计
2．2设计目的
1、掌握数字频率计的组成原理。
2、了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理。
3、掌握数字频率计的设计、组装与调试。
4、熟练掌握数字频率计减小测量误差的方法。
5、学习集成电路合理选择与使用。
2．3设计要求
1、全体同学按2～3人进行分组，每组研究对象不同，不得抄袭。
2、每组必须查找相关资料，仔细阅读，认真完成设计。
3、设计完成后，调试实物并演示设计结果。
4、每位同学严格进行答辩，认真独立完成课程设计报告。
2．4设计进度
2010年12月8日：
下发设计任务书，布置设计任务和设计要求、设计时间安排。
要求学生到网上或图书馆查询关于频率计设计方面的资料。
2010年12月13日：
讲解电源与整流稳压电路、信号放大、波形整形电路、控制门电路的工作原理，并要求学生相互讨论且搞懂这一部分设计原理和设计方案。
2010年12月14日：
讲解计数器、锁存器、显示译码器与数码管电路的工作原理，并要求学生相互讨论且搞懂这一部分设计原理和设计方案。
2010年12月15日：
要求学生绘出数字频率计的原理框图以及各部分电路的详细连接图，并且查资料搞懂各部分的原理。
2010年12月16日：
根据已经论证的详细电路图，用PROTEL99上机画出数字频率计的原理图，及PCB版图。
2010年12月17日：
在弄懂原理的前提下，要求学生列出器件清单，并与老师讨论方案的合理性。
确定设计方案、器件清单后，以班为单位，于星期六、星期天去购买器件。
下星期准备焊接。
2010年12月20日：
讲解焊接技术、数码管、二极管、三极管等器件的检测方法，并要求学生查询关于器件检测方面的资料。
元器件的检测及布局。
2010年12月21日：
焊接电源、输入信号检测、输入放大与整形电路、计数器电路、控制门检测、显示译码电路与数码管显示电路等，并进行检测。
2010年12月22日：
继续进行焊接。
2010年12月23日：
安装、调试、故障排除
2010年12月24日：
实物验收；布置实验报告的书写要求并书写实验告。
三、技术指标、整体方案与重点方案设计
3.1技术指标
1．频率测量围：
10~9999Hz
2．入信号波形：
任意周期信号
3．输入信号电压幅度：
大于300mV
4．电源：
220V、50Hz
3.2系统结构
本系统分为电源与整流稳压电路模块，全波整流与波形整形电路模块，分频器模块，信号放大和波形整形电路模块，控制门模块，计数器模块，锁存器模块，显示译码器与数码管显示模块。
几个模块各个都有自己完成的相应的功能，各个模块之间紧密结合起来组成了整个数字频率计系统。
有关各个模块的具体作用将在方案设计中加以介绍。
3.3基本原理
数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。
频率是单位时间信号发生周期变化的次数。
如果能在给定的1S时间对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。
数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔的脉冲个数，将其换算后显示出来。
按照这个基本原理，我们可以完成设计这个数字频率计。
3.4整体方案原理图
被测信号
信号放大
显示译码器
计数器
4位LED显示
波形整形
分频器
控制门
数据锁存器
波形整形
整流稳压
电源
全波整流
图1整体方案原理图
3.5单元电路设计
1.电源与整流稳压电路
框图中的电源采用50Hz的交流市电。
市电被降压、整流、稳压后为整个频率计电路系统提供直流电源。
具体实现电路如下图所示：
图2电源与整流稳压部分原理图
我们采用9V变压器对220V市电进行降压，后通过四个IN4007整流二极管组成的全桥整流对交流电进行整流，后经过一个1000uf的极性电容进行滤波，之后通过三端稳压器L7805进行稳压，后在经过一100uf电容再次滤波，最后可以得到较稳定的5V电压，给整个频率计电路系统供电。
我们把此模块作为重点设计电路部分，具体的分析详见3.4重点设计电路部分。
2.全波整流与波形整形电路
本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。
全波整流电路首先对50Hz交流市电进行全波整流，得到100Hz的全波整流波形。
波形整形电路对100Hz信号进行整形，使之成为100Hz的矩形波。
设计的具体电路如下：
图3全波整流与波形整形电路部分原理图
通过IN4733稳压二极管进行稳压保护，后通过施密特反相器74HC14进行整形，整形后的波形为100HZ的矩形波。
3.分频器
分频器对100Hz信号进行100分频得到周期为1S的脉冲信号。
然后再进行二分频得到占空比为50%脉冲宽度为1S的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。
利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1S时间通过控制门的被测脉冲的数目。
具体实现电路如下：
图4分频器电路部分原理图
我们采用7位二进制计数器CD4024作为分频器对应的Q7，Q6，Q3接三输入与门对整形后的信号进行100分频。
然后我们采用双上升沿JK触发器CD4027对信号进行二分频后会得到占空比为50%，脉冲宽度为1S的方波信号（即0.5Hz，占空比为50%的方波）。
由此获得测量频率的基准时间去打开或关闭控制门电路。
4、信号输入，波形整形电路
通过信号放大和波形整形电路将被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号，能够被计数器识别进行计数。
具体实现电路如下图所示：
图5信号放大、波形整形电路部分原理图
我们采用了高增益单运算放大器uA741对输入信号进行放大，在信号的正向输入，我们通过2个1kΩ电阻进行分压，使得信号的基准电压从0V提升到2.5V左右，这样对测量的信号的负半周也可以放大，保证了信号放大后的稳定性，我们采用施密特反相器74HC14对放大后的信号进行整形，得到我们需要的可以测量的方波信号。
5.控制门
控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。
此处采用与门来实现。
当秒信号为正时进行计数，为负时进行锁存显示。
具体实现电路如下图所示：
图6控制门部分原理图
JK触发器的输出端Q和Q\分别接到计数时能的与门输入端和锁存清零的与门输入端，并且通过全波整流与波形整形电路的输出端相与，使其有尽5ms左右的锁存延时，保证锁存的正常进行，保证了数据的稳定性。
6.计数器
计数器的作用是对输入脉冲计数。
本实验要求测量上限为9999Hz，需采用4位十进制计数器。
具体电路如下：
图7计数器部分原理图
这里我们采用了两片双BCD加计数器CD4518分别对个十百千位进行计数，通过而输入与门74HC08作为进位控制的标志。
7.锁存器
在1S计数器的计数结果经锁定后获得稳定的值送显示译码器。
锁存器采用一般的8位并行输入寄存器。
图8锁存器部分原理图
我们选用了常用的八上升沿D触发器作为锁存器对测量的数据进行锁存显示，此部分电路比较简单。
8.显示译码器与数码管显示
显示译码器将用BCD码表示的10进制数转换成数码管正常显示的段信号以获得数字显示。
本实验采用共阴极数码管。
具体实现电路如下：
图9显示译码电路部分原理图
此电路我们采用了7段BCD锁存译码驱动器CD4511对数据进行译码显示，最后使测量的数据显示到数码管上。
3.6重点设计电路
我们选择了电源部分电路作为本次课程设计的重点设计电路部分，将对此部分电路做详细说明。
此部分电路图如下图所示：
图10电源部分原理图
电源部分我们采用了50Hz的交流市电，经过变压器降压，通过四个IN4007组成全桥整流，再经过电容滤波，后经过LM7805稳压，稳压之后再次经过整流后即得到较稳定的5V电压。
分析各部分电路的主要作用和参数：
通过计算可知通过整流桥后的电压值U1≈0.9Ui（U1表示二极管整流后的电压，Vi表示变压器降压后的电压），在滤波电容满足RL≥（3～5）T/2的情况下，滤波后的电压Uo=1.2Ui（Uo表示电容滤波后的电压）。
通过波形我们可以看到电路的每个元器件的功能和作用，此电路具有电路简单，稳定性高，调试简单等一系列的有点。
但是值得注意的是L7805输入输出端的压降不要太大，否则可能导致L7805发热量过大，影响系统的稳定性。
四、元器件的检测
4．1二极管的检测方法
1、观察外壳上的的符号标记。
通常在二极管的外壳上标有二极管的符号，
带有三角形箭头的一端为正极，另一端是负极。
2、观察外壳上的色点。
在点接触二极管的外壳上，通常标有极性色点（白
色或红色）。
一般标有色点的一端即为正极。
还有的二极管上标有色环，带色环的一端则为负极。
3、以阻值较小的一次测量为准，黑表笔所接的一端为正极，红表笔所接的一端则为负极。
4．2三极管的检测
1、测量极间电阻。
将万用表置于R×100或R×1k挡，按照红、黑表笔的六种不同接法进行测试。
其中，发射结和集电结的正向电阻值比较低，其他四种接法测得的电阻值都很高，约为几百千欧至无穷大。
但不管是低阻还是高阻，硅材料三极管的极间电阻要比锗材料三极管的极间电阻大得多。
2、对于一只型号标示不清或无标志的三极管，要想分辨出它们的三个电极，也可用万用表测试。
先将万用表量程开关拨在R×100或R×1k电阻挡上。
红表笔任意接触三极管的一个电极，黑表笔依次接触另外两个电极，分别测量它们之间的电阻值，若测出均为几百欧低电阻时，则红表笔接触的电极为基极b，此管为PNP管。
若测出均为几十至上百千欧的高电阻时，则红表笔接触的电极也为基极b，此管为NPN管。
3、在判别出管型和基极b的基础上，利用三极管正向电流放大系数比反向电流放大系数大的原理确定集电极。
任意假定一个电极为c极，另一个电极为e极。
将万用表量程开关拨在R×1k电阻挡上。
对于：
PNP管，令红表笔接c极，黑表笔接e极，再用手同时捏一下管子的b、c极，但不能使b、c两极直接相碰，测出某一阻值。
然后两表笔对调进行第二次测量，将两次测的电阻相比较，对于：
PNP型管，阻值小的一次，红表笔所接的电极为集电极。
对于NPN型管阻值小的一次，黑表笔所接的电极为集电极。
4．3发光二极管的检测
发光二极管因其工作电压低，所以用电筒电路能直观地判断其性能和质量好坏。
如果将待测发光二极管跨接入电路后发光二极管不点亮，而将其调换极性后再次接入电路时，发光二极管微微发光，那么证明该管性能良好，同时可以判断发光管与电池负极相接的管脚即为发光管的负极，另一脚为正极。
但如果通过上述两次接入电路二极管均不发光点燃，则说明该管已坏。
但反过来说，如发光管两次接入电路，虽然发光管均不亮，但电路中的小电珠却已闪亮发光，则说明该发光管已部击穿导通。
4．4数码管的检测
用数字万用表的电阻挡或二极管端接数码管的三号或八号脚。
如果红表笔接公共极，黑表笔接触其余引脚，发现数码管每次都有灯亮，则数码管都是好的，并为阳极；如果黑表笔接公共端，红表笔接其余引脚，发现数码管每次都有灯亮，则数码管时候的，并为共阴极。
4．5芯片的检测
用万用表的点阻挡或二极管端，用黑表笔接一引脚，红表笔接另外的引脚，若发现都有阻值，则说明黑表笔接的是接地端，芯片是好的；若发现大多数有阻值，则说明有引脚是坏的。
4．6电容器的检测
1、10pF以下的固定电容器容量太小，用万用表进行测量，只能定性的检查其是否有漏电，部短路或击穿现象。
测量时，可选用万用表R×10k挡，用两表笔分别任意接电容的两个引脚，阻值应为无穷大。
若测出阻值（指针向右摆动）为零，则说明电容漏电损坏或部击穿。
2、检测10PF～0．01μF固定电容器是否有充电现象，进而判断其好坏。
万用表选用R×1k挡。
把被测电容的充放电过程予以放大，使万用表指针摆幅度加大，从而便于观察。
应注意的是：
在测试操作时，特别是在测较小容量的电容时，要反复调换被测电容引脚接触A、B两点，才能明显地看到万用表指针的摆动。
3、对于0．01μF以上的固定电容，可用万用表的R×10k挡直接测试电容器有无充电过程以及有无部短路或漏电，并可根据指针向右摆动的幅度大小估计出电容器的容量。
4．7电源变压器的检测
1、通过观察变压器的外貌来检查其是否有明显异常现象。
如线圈引线是否断裂，脱焊，绝缘材料是否有烧焦痕迹，铁心紧固螺杆是否有松动，硅钢片有无锈蚀，绕组线圈是否有外露等。
2、绝缘性测试。
用万用表R×10k挡分别测量铁心与初级，初级与各次级、铁心与各次级、静电屏蔽层与衩次级、次级各绕组间的电阻值，万用表指针均应指在无穷大位置不动。
否则，说明变压器绝缘性能不良。
3、线圈通断的检测。
将万用表置于R×1挡，测试中，若某个绕组的电阻值为无穷大，则说明此绕组有断路性故障。
4、判别初、次级线圈。
电源变压器初级引脚和次级引脚一般都是分别从两侧引出的，并且初级绕组多标有220V字样，次级绕组则标出额定电压值，如15V、24V、35V等。
再根据这些标记进行识别。
五、实物操作
5．1电路图绘制
在实物制作之前，我们要绘制电路的原理图和PCB图，我们采用了电路图设计软件Protel99SE绘制原理图和PCB，首先我们要对我们电路中的元件绘制原理图封装和PCB封装，我们均采用自己画的封装，可以把自己画的所有封装集成在一个库里供今后使用。
画好了封装图，我们便开始画作品的原理图，由于我们对整个实物理论比较熟悉，有了自己画的封装图我们画起来会比较简单，但是我们需要细心防止电路中有断路，短路或者连线网络标号设置错误现象，因为如果画的电路有较大问题的话，对我们后面的测试将会产生比较大的困难。
设计完成的电路原理图见附录1。
5.2电路焊接
电路的焊接由以下几点需要注意：
1、元件最好是从低到高，先焊接那先电阻二极管再到PIC插槽。
2、芯片先不要急于插到电路上，可以先把IC插座焊接好。
3、电源部分焊好先通电测试，确保电压在5V之后便短接A处再断电插芯片。
焊接好的电路如下图所示：
图11焊接好后的电路图和实物图
5.3电路调试
按道理来说，电路调试是和焊接一起进行的。
我们要进行的测试项目如下：
1、电源测试
电源电路和变压器焊接好了之后，我们便可以测量电源电压是否稳定了，用万用表的电压档测量P1和GND间的电压，经测量，电压为5.08V，满足要求，在固定围。
于是我们可以短接A点，插上74HC14开始检测基准时间信号。
2、基准时间信号波形检测
我们用示波器测量P5点的波形，我们发现没有我们需要的100Hz的方波输出，仅仅只有一条高电平。
我们测量整流桥后的波形，100Hz的波形，幅度9.8V。
分析原因：
可能是变压器输出的电压过高，稳压5V之后电压跳变过快，施密特触发器有一段时间的滞留，导致没有发挥功能。
解决方案：
我们把5V的稳压二极管换成了1.2K欧左右的电阻,进行直接分压这样输入施密特的波形应该会更稳定，更换之后我们继续测量施密特输出端的波形是正常、稳定的100Hz方波，正常，问题得以解决。
3、秒信号检测
我们用示波器测量P2点的波形，我们发现输出的波形不是标准的0.5Hz，占空比为50%的方波。
于是我们继续测量P7的波形，发现输出的波形没有1Hz，只有接近920Hz左右。
我们继续测分频器输入端的信号，100Hz正常。
分析原因：
可能是CD4024分频器分频的问题，没有达到一百分频，可能是分频电路有短路或者芯片故障。
解决方案：
经检测电路一切正常，我们尝试着换了片不同型号的CD4024芯片，秒信号正常，问题解决。
接着测量输入信号端的波形、输入信号整形后的波形。
经检测一切正常，于是我们接通B，C点插上其他芯片继续检测计数器，锁存器，译码器等部分电路。
2、计数器，锁存器，译码器等部分检测
插上所有芯片后，开始上电，频率计工作正常，证明这部分电路没有问题，但是我们发现数码管的亮度比较亮。
且L7805有发热迹象。
分析原因：
电路中，特别是数码管过的电流过大，导致数码管过量和三端稳压片发热，经检测数码管的共阴端没有接线流电阻。
解决方案：
在数码管的共阴端接上220Ω电阻，再次通电，问题解决。
经过一系列的测试调试，最后数字频率计制作成功。
六、课程设计结论
6.1设计思路
本系统的设计亮点在于电路知识涉及面较广，涵盖数、模电和电路知识各方面，注重于培养实践与理论知识的相互融合。
难易程度相当，对于我们来说，能一定程度上锻炼自己的动手能力，对学过的知识也是一种巩固和加强。
在设计上，本系统采用50Hz的市电作为基准频率是本设计的一亮点，不需要额外的时钟产生电路，且信号稳定。
减少了时钟产生电路，使电路设计更加简洁。
6.2问题及改进
此次电路设计虽然努力确保没有出问题，但是由于理论和实践终究有差别，加上仿真与实际电路的误差，还是出现了以下问题，下面就问题和解决改进方案如下：
1、由于变压器输出的电压过高，倒是稳压管稳压后的波形失真过大导致施密特没有锯齿波输出，解决方法是把稳压管换成1-1.5K左右的电阻尽可能的不要让幅度变化过快。
2、数码管的二极管不能通太大电流，否则可能导致电流过大烧坏二极管，解决办法是在共阴极端串联一个限流电阻。
6.3设计心得
在整个电路的设计制作中，从理论设计到实物实践与制作，每一个过程都使我们受益匪浅；将近两个星期的课程设计过程，巩固了我们已学过的理论知识，同时提高了我们的动手实践的能力，也让自己在课程设计的过程中发现一些问题和不足，这使得我们加强了对理论知识的深入理解。
在设计过程中让我们知道，实践是检查真理的唯一标准，理论和实际上不一定相互吻合；我们深知，作为一名电子系的学生，不断加强实践和动手能力是非常需要的，只有通过一定的实践才能锻炼能我们的能力和对理论知识的深入理解，加强实践，巩固理论知识，发现问题，解决问题。
在这样的课程设计中，我们学习到了很多书本上没有介绍的知识，这些知识对我们以后的生活、工作和学习有着非常大的用处，这不仅是增强了我们的实践动手能力，同时也培养了我们的创新制胜的理念。
当然，也促使让我们重新认识到了我们还有很多的不足，需要在今后的学习过程中不断的加强提高。
七、参考文献
[1]电子技术基础——数字部分，康华光编著，高等教育，2006年1月第5版。
[2]模拟电子技术，主编恒齐、小华、其圣，华中科技大学，2007年3月第1版。
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