課程設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)1

簡(jiǎn)易電子琴電路設(shè)計(jì)2四人搶答電路設(shè)計(jì)3數(shù)控步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)4數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)1簡(jiǎn)易電子琴電路 1.設(shè)計(jì)目的

(1)掌握用NE555組成多諧振蕩器的方法； （2)了解簡(jiǎn)易電子琴的組成原理。

2．設(shè)計(jì)設(shè)備與器材

IC芯片NE555兩片 揚(yáng)聲器1個(gè)， 琴鍵開關(guān)（或用常用按鈕代替）8個(gè)， 電阻、電容若干， 二極管（4148）1只，

+5V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)， 示波器1臺(tái)。 3．設(shè)計(jì)原理 用555組成多諧振蕩器的電路如圖1.1所示。圖1.1NE555構(gòu)成的振蕩器

產(chǎn)生的方波的頻率為

簡(jiǎn)易電子琴電路如圖1.2所示。圖1.2簡(jiǎn)易電子琴電路 4.接上電源，分別按下S1~S8開關(guān)，試聽C調(diào)的1，2，3，4，5，6，7，1，音調(diào)要清晰，節(jié)拍發(fā)生電路應(yīng)工作正常。

5．設(shè)計(jì)報(bào)告 （1）通過(guò)改變C1的值改變輸出信號(hào)的頻率可不可以？與改變R2（R21~R28）的值的方法相比，哪一種更好？為什么？ （2）去掉C3，把NE555A的3腳直接接在揚(yáng)聲器上會(huì)有什么現(xiàn)象？設(shè)計(jì)2四人搶答電路 1.設(shè)計(jì)目的 （1）掌握四D觸發(fā)器74LS175的原理及使用； （2）熟悉與非門的使用； （3）掌握實(shí)踐電路的工作原理； （4）培養(yǎng)獨(dú)立分析故障及排除故障的能力。 2.設(shè)計(jì)設(shè)備與器材

74LS175一片，

74LS20一片，

74LS00一片，

NE555一片， 電阻、電容若干， 常光二極管4只， 常閉按鈕5個(gè)，

+5V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)， 蜂鳴器1個(gè)。 3.設(shè)計(jì)原理 實(shí)驗(yàn)電路如圖2.1所示。圖2.1四人優(yōu)先判決電路 4.設(shè)計(jì)步驟 （1）按圖2.1連接電路，檢查電源線、地線是否連接正確。將按鈕S1、S2、S3、S4分別按下，觀察發(fā)光管LED是否正常，蜂鳴是否發(fā)聲。 （2）按下S5按鈕，觀察工作是否正常，當(dāng)按下S5時(shí)，發(fā)光管LED全滅，蜂鳴器不發(fā)聲。 （3）如果發(fā)現(xiàn)電路工作不正常，按照原理進(jìn)行分析，用儀表檢查，找出原因加以解決。 5.設(shè)計(jì)報(bào)告 （1）發(fā)光二極管LED為什么要串聯(lián)一個(gè)電阻？發(fā)光二極管正常工作時(shí)的電流大約為多少？ （2）若發(fā)光二極管改為共陽(yáng)極接法，則電路將如何改動(dòng)？試說(shuō)明原因。 （3）如果有兩個(gè)按鍵同時(shí)按下，有兩個(gè)燈同時(shí)亮，可能是何原因？如何解決。設(shè)計(jì)3數(shù)控步進(jìn)電機(jī) 1.設(shè)計(jì)目的 （1）了解反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理； （2）掌握步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制方法； （3）理解環(huán)形脈沖分配器的作用。 2.設(shè)計(jì)設(shè)備與器材

NE555一片，

74LS742片，

74LS04一片， 發(fā)光二極管3只， 續(xù)流二極管3只， 電阻、電容若干，

+5V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)， 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（三相）1臺(tái)， 示波器1臺(tái)。 3.設(shè)計(jì)原理 電路如圖3.1所示。圖3.1數(shù)控步進(jìn)電機(jī)電路 4.設(shè)計(jì)步驟 （1）連接脈沖發(fā)生電路、環(huán)形脈沖分配電路，先不接步進(jìn)電機(jī)，用示波器測(cè)量555的輸出，調(diào)節(jié)R2，觀察R2對(duì)輸出脈沖頻率的影響。 （2）在QⅠ、QⅡ、

QⅢ端分別接上發(fā)光二極管，觀察發(fā)光二極管發(fā)光的規(guī)律是否符合單三拍方式的順序，如果不是，則仔細(xì)檢查電路。 （3）檢查無(wú)誤后，接上步進(jìn)電機(jī)電源，觀察步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律。改變R2的大小，觀察步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。（4）改變步進(jìn)電機(jī)通電的順序，觀察步進(jìn)電機(jī)是否反轉(zhuǎn)。 5.設(shè)計(jì)報(bào)告 （1）在555輸出脈沖頻率較高的情況下，怎樣保證按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，D觸發(fā)器Ⅰ不輸出連續(xù)的兩個(gè)“1”？（2）環(huán)形脈沖分配環(huán)節(jié)能否用74LS175或74LS174來(lái)代替74LS74？ （3）若要使步進(jìn)電機(jī)工作在雙三拍方式，應(yīng)該怎樣接線？設(shè)計(jì)4數(shù)字頻率計(jì)在許多情況下，要對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。利用示波器可以粗略測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率，精確測(cè)量則要用到數(shù)字頻率計(jì)。數(shù)字頻率計(jì)用到的數(shù)字技術(shù)很多。本節(jié)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目可以進(jìn)一步加深我們對(duì)數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試的方法和步驟。一、電路設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作出一種數(shù)字頻率計(jì)，其技術(shù)指標(biāo)如下：（1）頻率測(cè)量范圍：10～9999Hz。（2）輸入電壓幅度：300mV~3V。（3）輸入信號(hào)波形：任意周期信號(hào)。（4）顯示位數(shù)：4位。（5）電源：220V、50Hz。

2．?dāng)?shù)字頻率計(jì)的基本原理數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測(cè)量周期信號(hào)的頻率。頻率是在單位時(shí)間（1s）內(nèi)信號(hào)周期性變化的次數(shù)。如果我們能在給定的1s時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)波形計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來(lái)，就能讀取被測(cè)信號(hào)的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對(duì)穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，同時(shí)將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識(shí)別的脈沖信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)算這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，將其換算后顯示出來(lái)。這就是數(shù)字頻率計(jì)的基本原理。圖4.1數(shù)字頻率計(jì)框圖

3．系統(tǒng)框圖從數(shù)字頻率計(jì)的基本原理出發(fā)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，得到如圖4.1所示的電路框圖。

1）電源與整流穩(wěn)壓電路框圖中的電源采用50Hz的交流市電。市電被降壓、整流、穩(wěn)壓后為整個(gè)系統(tǒng)提供直流電源。系統(tǒng)對(duì)電源的要求不高，可以采用串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）全波整流與波形整形電路本頻率計(jì)采用市電頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，以獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)時(shí)間率漂移不能超過(guò)0.5Hz，即在1％的范圍內(nèi)。

用它作普通頻率計(jì)的基準(zhǔn)信號(hào)完全能滿足系統(tǒng)的要求。全波整流電路首先對(duì)50Hz交流市電進(jìn)行全波整流，得到如圖4.2(a）所示100Hz的全波整流波形。波形整形電路對(duì)100Hz信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為如圖4.2(b)所示100Hz的矩形波。采用過(guò)零觸發(fā)電路可將全波整流波形變?yōu)榫匦尾?，也可采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形。圖4.2全波整流與波形整形電路的輸出波形

圖4.3分頻器的輸出波形

3）分頻器分頻器的作用是為了獲得1s的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。首先對(duì)如圖4.2所示的100Hz信號(hào)進(jìn)行100分頻得到如圖4.3（a）所示周期為1s的脈沖信號(hào)。然后再進(jìn)行二分頻得到如圖4.3（b）所示占空比為50％脈沖寬度為1s的方波信號(hào)，由此獲得測(cè)量頻率的基準(zhǔn)時(shí)間。利用此信號(hào)去打開與關(guān)閉控制門，可以獲得在1s時(shí)間內(nèi)通過(guò)控制門的被測(cè)脈沖的數(shù)目。分頻器可以由計(jì)數(shù)器通過(guò)計(jì)數(shù)獲得。二分頻可以采用T′觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4）信號(hào)放大、波形整形電路為了能測(cè)量不同電平值與波形的周期信號(hào)的頻率，必須對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大與整形處理，使之成為能被計(jì)數(shù)器有效識(shí)別的脈沖信號(hào)。信號(hào)放大與波形整形電路的作用即在于此。信號(hào)放大可以采用一般的運(yùn)算放大電路，波形整形可以采用施密特觸發(fā)器。

5）控制門控制門用于控制輸入脈沖是否送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。它的一個(gè)輸入端接標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)，一個(gè)輸入端接被測(cè)脈沖?？刂崎T可以用與門或或門來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用與門時(shí)，秒信號(hào)為正時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)采用或門時(shí)，秒信號(hào)為負(fù)時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

6）計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器的作用是對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最高測(cè)量頻率為9999Hz，應(yīng)采用4位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器?？梢赃x用現(xiàn)成的十進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器。

7）鎖存器在確定的時(shí)間（1s）內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果（被測(cè)信號(hào)頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器通過(guò)觸發(fā)脈沖的控制，將測(cè)得的數(shù)據(jù)寄存起來(lái)，送顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器。為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。

8）顯示譯碼器與數(shù)碼管顯示譯碼器的作用是把用BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào)，以獲得數(shù)字顯示。顯示譯碼器的輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。

4．實(shí)際電路根據(jù)系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)出的電路如圖4.4所示。圖4.4數(shù)字頻率計(jì)電路圖

圖中，穩(wěn)壓電源采用7805來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單可靠，電源的穩(wěn)定度與波紋系數(shù)均能達(dá)到要求。對(duì)100Hz全波整流輸出信號(hào)，由7位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC4024組成的100進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻。計(jì)數(shù)脈沖下降沿有效。在74HC4024的Q7、Q6、Q3端通過(guò)與門加入反饋清零信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出為二進(jìn)制數(shù)1100100（十進(jìn)制數(shù)為100）時(shí)，計(jì)數(shù)器異步清零，實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制計(jì)數(shù)。為了獲得穩(wěn)定的分頻輸出，清零信號(hào)與輸入脈沖“與”后再清零，使分頻輸出脈沖在計(jì)數(shù)脈沖為低電平時(shí)能保持高電平一段時(shí)間（10ms）。

電路中采用雙JK觸發(fā)器74HC109中的一個(gè)觸發(fā)器組成T′觸發(fā)器。它將分頻輸出脈沖整形為脈寬為1s、周期為2s的方波。從觸發(fā)器Q端輸出的信號(hào)加至控制門，確保計(jì)數(shù)器只在1s的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)。從觸發(fā)器端輸出的信號(hào)作為數(shù)據(jù)寄存器的鎖存信號(hào)。被測(cè)信號(hào)通過(guò)741組成的運(yùn)算放大器放大20倍后送施密特觸發(fā)器整形，得到能被計(jì)數(shù)器有效識(shí)別的矩形波輸出。通過(guò)由74HC11組成的控制門送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。為了防止輸入信號(hào)太強(qiáng)損壞集成運(yùn)放，可以在運(yùn)放的輸入端并接兩個(gè)保護(hù)二極管。

頻率計(jì)數(shù)器由兩塊雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC4518組成，最大計(jì)數(shù)值為9999Hz。由于計(jì)數(shù)器受控制門控制，每次計(jì)數(shù)只在JK觸發(fā)器Q端為高電平時(shí)進(jìn)行。當(dāng)JK觸發(fā)器Q端跳變至低電平時(shí)，端由低電平向高電平跳變，此時(shí)，8D鎖存器74HC374（上升沿有效）將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)鎖存起來(lái)送顯示譯碼器。計(jì)數(shù)結(jié)果被鎖存以后。即可對(duì)計(jì)數(shù)器清零。由于74HC4518為異步高電平清零，所以將JK觸發(fā)器的同100Hz脈沖信號(hào)“與”后的輸出信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的清零脈沖。由此保證清零是在數(shù)據(jù)被有效鎖存一段時(shí)間（10ms）以后再進(jìn)行。

二、頻率計(jì)的制作與調(diào)試

1．所需儀器設(shè)備所需儀器設(shè)備有示波器、音頻信號(hào)發(fā)生器、邏輯筆、萬(wàn)用表、數(shù)字集成電路測(cè)試儀和直流穩(wěn)壓電源。

2．參考步驟

1)器件檢測(cè)用數(shù)字集成電路檢測(cè)儀對(duì)所要用的IC進(jìn)行檢測(cè)，以確保每個(gè)器件完好。如有興趣，也可對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法由自己確定。

2)電路連接在自制電路板上將IC插座及各種器件焊接好；裝配時(shí)，先焊接IC等小器件，最后固定并焊接變壓器等大器件。電路連接完畢后，先不插IC。

3)電源測(cè)試將與變壓器連接的電源插頭插入220V電源，用萬(wàn)用表檢測(cè)穩(wěn)壓電源的輸出電壓。輸出電壓的正常值應(yīng)為＋5V。如果輸出電壓不對(duì)，應(yīng)仔細(xì)檢查相關(guān)電路，消除故障。穩(wěn)壓電源輸出正常后，接著用示波器檢測(cè)產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間的全波整流電路輸出波形。正常情況應(yīng)觀測(cè)到如圖4.2(a)所示波形。

4)基準(zhǔn)時(shí)間檢測(cè)關(guān)閉電源后，插上全部IC。依次用示波器檢測(cè)由U1(74HC4024)與U3A組成的基準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)器與由U2A組成的T′觸發(fā)器的輸出波形，并與圖4.3所示波形對(duì)照。如無(wú)輸出波形或波形形狀不對(duì)，則應(yīng)對(duì)U1、U3,U2各引腳的電平或信號(hào)波形進(jìn)行檢測(cè)，消除故障。

5)輸入檢測(cè)信號(hào)從被測(cè)信號(hào)輸入端輸入幅值在1V左右，頻率為1kHz左右的正弦信號(hào)，如果電路正常，數(shù)碼管可以顯示被測(cè)信號(hào)的頻率。如果數(shù)碼管沒(méi)有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號(hào)頻率，則做進(jìn)一步檢測(cè)。

6）輸入放大與整形電路檢測(cè)用示波器觀測(cè)整形電路U1A(74HC14)的輸出波形。正常情況下，可以觀測(cè)到與輸入頻率一致、信號(hào)幅值為5V左右的矩形波。

7)控制門檢測(cè)檢測(cè)控制門U3C(74HC11)輸出信號(hào)波形。正常時(shí)，每間隔1s時(shí)間，可以在熒屏上觀測(cè)到被測(cè)信號(hào)的矩形波。如觀測(cè)不到波形，則應(yīng)檢測(cè)控制門的兩個(gè)輸入端的信號(hào)是否正常,并通過(guò)進(jìn)一步的檢測(cè)找到故障電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測(cè)計(jì)數(shù)器電路。

8)計(jì)數(shù)器電路的檢測(cè)依次檢測(cè)4個(gè)計(jì)數(shù)器74HC4518時(shí)鐘端的輸入波形。正常時(shí)，相鄰計(jì)數(shù)器時(shí)鐘端的波形頻率依次相差10倍。正常情況時(shí)，各電平值或波形應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。如頻率關(guān)系不一致或波形不正常，則應(yīng)對(duì)計(jì)數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測(cè)鎖存器電路。

9)鎖存電路的檢測(cè)依次檢測(cè)74HC374鎖存器各引腳的電平與波形。正常情況時(shí)，各電平值應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。其中，第11腳的電平每隔1s跳變一次。如不正常，則應(yīng)檢查電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測(cè)鎖存器電路。

10)顯示譯碼電路與數(shù)碼管顯示電路的檢測(cè)檢測(cè)顯示譯碼器74HC4511各控制端與電源端引腳的電平，同時(shí)檢測(cè)數(shù)碼管各段對(duì)應(yīng)引腳的電平及公共端的電平。通過(guò)檢測(cè)與分析找出故障。附錄資料：不需要的可以自行刪除氫氧燃料電池一、制作氫氧燃料電池的設(shè)想

燃料電池是一種新型的化學(xué)電源，是現(xiàn)在最引人注目的能源裝置之一，是高中化學(xué)教材新增添的學(xué)習(xí)內(nèi)容。但教材沒(méi)有安排燃料電池的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)。因此我們就想自己研制燃料電池。我們首先查閱了大量的有關(guān)燃料電池的資料，做了大量的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不斷改進(jìn)，最終研制出了一種不需用貴重金屬的簡(jiǎn)易氫氧燃料電池。二、燃料電池的定義

燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過(guò)發(fā)生在正極和負(fù)極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于，它工作時(shí)需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，只要持續(xù)供應(yīng)，燃料電池就會(huì)不斷提供電能。三、燃料電池的工作原理

燃料電池由正極、負(fù)極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成，其工作原理與普通電化學(xué)電池類似，燃料在負(fù)極氧化，氧化劑在正極還原，電子從負(fù)極通過(guò)負(fù)載流向正極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電流。燃料