1、北京工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告（數(shù)電課設(shè)題目） 直流電機(jī)測(cè)速 班 級(jí)： 130242 學(xué) 號(hào)： 13024212 姓 名： 王栩暉 組 號(hào)： 19 2015 年 4 月一設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)要求（一）設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)能對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)速和測(cè)速的電路。（二）基本要求設(shè)計(jì)一個(gè)脈寬調(diào)速電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。利用光電脈沖轉(zhuǎn)換、整形、門(mén)控電路和計(jì)數(shù)電路測(cè)出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并顯示在數(shù)碼管上。要求轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分以下，越低越好。（三）擴(kuò)展要求在完成基本要求的基礎(chǔ)上加光耦脈沖計(jì)數(shù)和相位判別電路，進(jìn)而識(shí)別電機(jī)的轉(zhuǎn)向，并由LED顯示轉(zhuǎn)向的正反。三設(shè)計(jì)框架方波發(fā)生器100HZ脈寬調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路脈沖整形脈沖顯

2、示電路計(jì)數(shù)器門(mén)控電路光電脈沖轉(zhuǎn)換電路直流電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)向電路控制轉(zhuǎn)向電路四.設(shè)計(jì)方案選擇及方案比較 總體設(shè)計(jì)思路 由555組成的方波發(fā)生器提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方波，再經(jīng)由脈寬調(diào)整電路改變脈沖的寬度，從而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 驅(qū)動(dòng)電路由達(dá)林頓三極管及開(kāi)關(guān)組成，達(dá)林頓三極管放大電流以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 開(kāi)關(guān)選擇雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，使得電路橋式導(dǎo)通，以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)向的目的。 光電脈沖轉(zhuǎn)換電路有光耦組成，用來(lái)計(jì)數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出的信號(hào)通過(guò)脈沖整形后輸入計(jì)數(shù)器電路。 計(jì)數(shù)器電路分為60秒計(jì)時(shí)器和轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器兩部分，后面會(huì)詳細(xì)介紹。各方案比較 經(jīng)查詢(xún)資料，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)上提示的單穩(wěn)觸發(fā)器CD14538,雙比較器LM393，整流二極管及5

3、V穩(wěn)壓二極管都不需要使用，所以實(shí)驗(yàn)方案以上述方案為準(zhǔn)。五系統(tǒng)選用的元器件NE555 * 2達(dá)林頓三極管TIP122 * 1槽型光耦 * 1微型直流電機(jī) * 174LS00 * 174LS161 * 5雙刀雙擲開(kāi)關(guān) * 1 電阻，導(dǎo)線(xiàn)，電容 * x 主要芯片說(shuō)明（1）NE555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。組成的施密特觸發(fā)器可用于脈沖的整形，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于調(diào)整脈沖的寬度，多諧振蕩器可用于提供方波信號(hào)。因而NE555廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。其工作原理如下： 555電路的內(nèi)部電路方框圖如右圖所示。它含有兩個(gè)電壓

4、比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開(kāi)關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過(guò)時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開(kāi)關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開(kāi)路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制

5、，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來(lái)的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 如右圖為由555定時(shí)器和外接定時(shí)元件R、C構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。D為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時(shí)555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通，輸出端Vo輸出低電平，當(dāng)有一個(gè)外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號(hào)加到Vi端。并使2端電位瞬時(shí)低于，低電平比較器動(dòng)作，單穩(wěn)態(tài)電路即開(kāi)始一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，電容C開(kāi)始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng)Vc充電到時(shí)，高電平比較器動(dòng)作，比較器A1翻轉(zhuǎn)，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開(kāi)關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C上

6、的電荷很快經(jīng)放電開(kāi)關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)定，為下個(gè)觸發(fā)脈沖的來(lái)到作好準(zhǔn)備。波形圖如下：暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間Tw（即為延時(shí)時(shí)間）決定于外接元件R、C的大小，Tw=1.1RC 。 通過(guò)改變R、C的大小，可使延時(shí)時(shí)間在幾個(gè)微秒和幾十分鐘之間變化。當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計(jì)時(shí)器時(shí)，可直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器，并可采用復(fù)位端接地的方法來(lái)終止暫態(tài)，重新計(jì)時(shí)。此外需用一個(gè)續(xù)流二極管與繼電器線(xiàn)圈并接，以防繼電器線(xiàn)圈反電勢(shì)損壞內(nèi)部功率管。 構(gòu)成多諧振蕩器如圖3-4，由555定時(shí)器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過(guò)R1、R2向C

7、充電，以及C通過(guò)R2向放電端放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在和之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對(duì)應(yīng)的波形如圖3-5所示。圖3-4 555構(gòu)成多諧振蕩器 圖3-5 多諧振蕩器的波形圖輸出信號(hào)的時(shí)間參數(shù)是： T=0.7（R1+R2）C=0.7R2C其中，為VC由上升到所需的時(shí)間，為電容C放電所需的時(shí)間。 (2) 達(dá)林頓三極管tip122： （4）光電耦合管 光電耦合管是一個(gè)光感應(yīng)器，當(dāng)光通路被阻斷，則電流中斷，所以它可以用來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈即阻斷耦合管的光路一次，從而在光電耦合管的輸出端送出一個(gè)個(gè)脈沖，提供計(jì)數(shù)器的脈沖輸入。六系統(tǒng)各部分電路說(shuō)明各單元的工作原理及工作過(guò)

8、程,公式推導(dǎo), 參數(shù)計(jì)算1.方波方生器NE555組成的多諧振蕩器，用它產(chǎn)生的方波信號(hào)帶動(dòng)后面的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，3腳為輸出管腳。根據(jù)NE555組成的多諧振蕩器的性質(zhì)，由的波形可以求得電容C的充電時(shí)間和放電時(shí)間各為=2，=2故電路的振蕩周期為T(mén)=+=2，蕩頻率為f=.當(dāng)f=100Hz時(shí)，=0.0144，可令C=1f, =,則可求得=4.8k.仿真的方波周期為9.981ms，即100.2Hz。2.脈寬調(diào)整電路其是由NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，當(dāng)信號(hào)從2腳進(jìn)入后，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R3的阻值，可以改變脈沖的寬度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。根據(jù)由NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的性質(zhì)，輸出脈沖的寬度等于暫穩(wěn)

9、態(tài)的持續(xù)時(shí)間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于外接電阻R和電容C的大小。等于電容電壓在充電過(guò)程中從0上升到所需要的時(shí)間，因此得=RC=RC3=1.1RC占空比 q= tw/T利用上式，根據(jù)電路中所需的脈寬計(jì)算出相應(yīng)的電阻電容值。本實(shí)驗(yàn)中要對(duì)100Hz的脈沖進(jìn)行脈寬調(diào)整，可令 =1f,則對(duì)應(yīng)的電阻6 k即可。在此試驗(yàn)中電阻為一個(gè)型號(hào)為103的電位 器，可根據(jù)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況來(lái)適當(dāng)?shù)脑黾踊驕p少脈寬（即調(diào)節(jié)電位器的大?。?. 驅(qū)動(dòng)控制測(cè)向電路、轉(zhuǎn)向電路此電路是用達(dá)林頓三極管驅(qū)動(dòng)的，信號(hào)通過(guò)達(dá)林頓三極管，在集電極輸出，電流被放大帶動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。利用雙刀雙擲開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如下為驅(qū)動(dòng)控制電路：4 .

10、光電脈沖轉(zhuǎn)換電路在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子上接一個(gè)小紙片，以實(shí)現(xiàn)每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，遮擋一次光耦的接收端，使得光耦輸出產(chǎn)生高電平，加之未被遮擋時(shí)產(chǎn)生的負(fù)脈沖，整個(gè)電路的輸出實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周光耦輸出一次正脈沖，其余為負(fù)脈沖。通過(guò)計(jì)時(shí)電路計(jì)60秒，可以實(shí)現(xiàn)記錄每分鐘內(nèi)產(chǎn)生正脈沖次數(shù)反映電機(jī)轉(zhuǎn)速。光耦輸出后需要進(jìn)行脈沖整形，此處我們選擇了非門(mén)整形。5.計(jì)數(shù)器電路(1) 60秒計(jì)數(shù)器該模塊電路共由兩部分電路組成。計(jì)數(shù)器部分由兩片74LS161及與非門(mén)組成。由于60秒計(jì)數(shù)器需要到60秒自動(dòng)停止，所以需要鎖存信號(hào)。鎖存器由與非門(mén)及74LS20組成，鎖存信號(hào)60的十位6，即0110，所以高片的Q4、Q1需要接上與非

11、門(mén)，之后再與Q2、Q3接入四輸入與非門(mén)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)兩計(jì)數(shù)器共同計(jì)到60秒時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)低的信號(hào)給鎖存器。1HZ時(shí)鐘與鎖存信號(hào)通過(guò)與非門(mén)供給計(jì)時(shí)器CLK，通常鎖存信號(hào)為1，與非門(mén)輸出是1HZ時(shí)鐘高低電平的反，計(jì)時(shí)器正常工作。但是當(dāng)計(jì)時(shí)器到60時(shí)，鎖存信號(hào)變?yōu)榈停c非門(mén)輸出變?yōu)楹愣ǖ母?，相?dāng)于計(jì)時(shí)器的時(shí)鐘被停止，計(jì)時(shí)器停止工作，實(shí)現(xiàn)到60秒，及時(shí)停止功能。計(jì)數(shù)器時(shí)鐘接到數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱上的1HZ脈沖信號(hào)上，以實(shí)現(xiàn)一秒一個(gè)信號(hào)，按秒計(jì)時(shí)。 由于74LS161為十六進(jìn)制的芯片，而我們需要十進(jìn)制，所以每個(gè)數(shù)位上計(jì)到10，即1010時(shí)，Q2，Q4提供一個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)與非門(mén)取反后送到1管腳，是芯片清零，同時(shí)給高位芯片2管腳

12、一個(gè)信號(hào)，計(jì)數(shù)+1。（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器 由三片74LS161及74LS00組成，方法同上。輸入由經(jīng)過(guò)非門(mén)整形的光耦輸出信號(hào)提供。計(jì)數(shù)器部分總電路圖七系統(tǒng)調(diào)試1調(diào)試順序，及具體說(shuō)明八實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際連線(xiàn)圖九附錄1芯片管腳圖及功能表（1）NE555引腳位圖1-2 NE555接腳圖ne555的結(jié)構(gòu)圖Pin 1 (接地) -地線(xiàn)(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的

13、結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。Pin 8 (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。多諧振蕩器電阻R1、R2和電容C1構(gòu)成定時(shí)電路。定時(shí)電容C1上的電壓UC作為高觸發(fā)端TH（6腳）和低觸發(fā)端TL（2腳）的外觸發(fā)電壓。放電端D（7腳）接在R1和R2之間。電壓控制端K（5腳）不外接控制電壓而接入高頻干擾旁路電容C2（0.01uF）。直接復(fù)位端R（4腳）接