数控分频器讲义培训.docx

一 题目要求与方案论证 2
1.1程序计数分频器 2
1.1.1题目要求 2
1.1.2 方案论证 2
1.2（实训题题目）波形发生器与计数器 4
1.2．1题目要求 4
1.2.2方案论证 4
二 电子线路设计与实现 6
2.1程序计数分频器电路设计 6
2.2波形发生器与计数器电路设计 6
三 结果与分析 8
3.1程序计数分频器的实现 8
3.2.1波形发生与计数器的实现 8
3.2.2 实际效果 10
四 总结与体会 12
参考文献 13
附录 14
波形发生与计数器焊接PCB图 15
一 题目要求与方案论证
1.1程序计数分频器
1.1.1题目要求
用已经掌握的mulitisim的相关知识，在mulitisim的运行环境下设计并仿真一个程序计数分频器的实验，利用74LS138以及两片74LS195构成模值为2-8的程序计数分频器，要求实现的功能如下：
表1 程序计数分频器功能表
C
B
A
n分频脉冲
L
L
H
2
L
H
L
3
L
H
H
4
H
L
L
5
H
L
H
6
H
H
L
7
H
H
H
8

1.1.2 方案论证

脉冲信号
控制信号输入模块
信号判断及处理模块
显示模块

图1 系统整体模块图

表2 74LS138功能表
输入
输入
输出
G1 G2A G2B
C B A
Y0 Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Y7
X H X
X X X
H H H H H H H H
X X H
X X X
H H H H H H H H
L X X
X X X
H H H H H H H H
H L L
L L L
L H H H H H H H
H L L
L L H
H L H H H H H H
H L L
L H L
H H L H H H H H
H L L
L H H
H H H L H H H H
H L L
H L L
H H H H L H H H
H L L
H L H
H H H H H L H H
H L L
H H L
H H H H H H L H
H L L
H H H
H H H H H H H L

表3 74LS195D功能表

OPERATING MODES
INPUTS
OUTPUTS
MR
PE
J
K
Pn
Q0
Q1
Q2
Q3
ASYNCHRONOUS
L
X
X
X
X
L
L
L
L
SHIFT,SET FIRST STAGE
H
H
h
h
X
H
q
q
q
Shift, reset first
H
h
l
l
l
L
q
q
q
Shift,Toggle First Stage
H
h
h
l
l
q
q
q
q
Shift,Retain First Stage
H
h
l
h
h
q
q
q
q
Parallel load
H
l
X
X
Pn
p
p
p
p

由功能表可知，74LS138的G2A和G2B输入端中只要有一个是高电平，不管G1和CBA是高电平还是低电平，Y0~Y7输出的都是高电平，若G1输入低电平，Y0~Y7输出的也都是高电平，在G1、G2A以及G2B端输入的是H、L、L时，输出端Y0~Y7受CBA三个输入端控制，并且Y输出低电平有效,而且是呈阶梯状分布，这样可实现3线-8线译码器的功能，再通过该译码器适当地控制芯片74LS195就可实现程序计数分频器。
至于74LS195，当输入端MR是低电平时，不论PE、J、K、输入低电平还是高电平，输出端Q~ Q都是低电平，所以MR端是高电平有效，并且当PE输入是高电平时，该芯片具有移位寄存器的功能（看图1的时序图可知），但是当PE端输入是低电平时，不论JK端输入什么电平，输出端，正是因为该芯片有移位寄存器的功能，再加上译码器，要实现分频器的功能就不成问题了，所以要实现分频器的关键在移位寄存器上。

图2 74LS195时序图
1.2（实训题题目）波形发生器与计数器
1.2．1题目要求 　
根据给定的用LM324及其给定参数的电阻、电位器、电容组成的方波－三角波产生电路原理图及其PCB板，分析电路结构，要求如下： (1)根据模拟电路和数字电路理论分析电路基本功能，得到方波和三角波频率计算式； (2)用Multisim 软件进行电路仿真，改变电位器的阻值，查看计数器的输出状态；并在电容C1为1uF,电位器R21阻值为100K和50K 时用虚拟示波器记录方波和三角波的波形，并分别记录其频率。 (3)焊接电路并测试。在电容C1为1uF,电位器R21阻值为100K和50K时用数字示波器记录方波和三角波的波形，并分别记录其频率。当计数显示以1HZ频率时，计下当前电位器的阻值。
1.2.2方案论证

表3 74LS90芯片功表

图3 74LS90芯片

分析74LS90芯片的引脚图和功能表可知。要实现计数功能，必须将74LS90的2、3引脚中的任意一个和6、7引脚中的任意一个接低电平，剩下的两脚随意接。为此在设计计数部分电路的时候，将2、3引脚和6、7引脚分别连接起来。6、7引脚接低电平，2、3引脚接于有开关控制的高电平。当开关闭合时，2、3引脚接入的是高电平，实现不了计数功能。当开关断开时，2、3引脚接入低电平，满足74LS90芯片要实现计数功能的要求。这样将引脚8、9、11、12通过相应的元器件连接到数码管便可计数了。
对于波形发生器部分，结合模电学习过程中学习到的相关知识，要产生一个矩形波，可在迟滞比较器的基础上，增加一个由Rf、C组成的积分电路，把输出电压经Rf、C反馈到比较器的反相端。电路图如图4 。

图4 矩形波产生电路 图5 波形转化得到三角波
而三角波部分，可在矩形波产生电路的右侧加接一个形如图5的电路。
要观察产生的矩形波和三角波的波形，可将V0端和U0端分别接到示波器上。为了观察计数功能，必须将波形产生端和计数器端连接起来，这样完整的波形发生器与计数器电路就形成了。而为了观察电阻阻值对波形的影响，可接入一滑动变阻器，通过改变接入阻值来观察波形。
二 电子线路设计与实现
2.1程序计数分频器电路设计

图6程序计数分频器设计电路图
程序计数分频器的设计主要有一片74LS138D和两片74LS195D构成。74LS138D是3—8线译码器。C、B、A为译码器的信号输入端。通过译码器所需频比C、B、A译成八位二进制数,其中有一位为0，其余全为1.它代表译码器输入的分频比，再通过两片4位移位寄存器74LS195D对二进制信息进行移位操作，当被移到输出时，说明输出开始变化，产生下降沿；在下一脉冲到来时输出又回到原来的高电平，产生一负脉冲，说明被移到电路已经实现分频。让对两片两片4位移位寄存器74LS195D重新计数开始以为循环。
2.2波形发生器与计数器电路设计
本波形发生与计数器的设计可以分为两个部分：波形发生部分及程序计数部分。
波形发生部分主要是迷你电路，主要由两个LM324运算放大器构成，分别产生了矩形波和三角波，三角波由矩形波通积分电路得到。图中电位器，通过调节其阻值可以改变矩形波和三角波的频率，通过数字部分的数码显示部分可以直观的观察频率的变化。
数码显示部分主要是数字电路，主要有两片74LS90D、两片4511BP_5V和两个数码管构成。

图7 波形发生器与计数器仿真图
分析左侧波形产生部分。在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯属偶然。设输出电压偏于正向饱和值，加到电压比较器同相端的电压为+FVz,而加于反相器的电压，由于电容器C上的电压Vc不能突变，只能有输出电压V0通过电阻R19按指数规律向C充电来建立。显然，当加到反相器的电压Vc略正于+FVz时，输出电压便立即从正饱和值（+Vz）迅速翻转到负饱和值（—Vz），—Vz又通过R19对C进行反向充电，直到Vc略负于—FVz值时，输出状态在翻转回来。如此循环，便形成了矩形波输出。将滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统。比较器输出的矩形波经积分器积分便可得到三角波。
分析右侧计数电路部分。计数部分采用74LS90芯片结合接地电源和接开关的5V电源来控制完成计数功能。计数器采用下降沿触发计数，当波形达到下降沿时，计数器累加。
数码管由00到99进行累加计数。累加速度和左侧波形变化速度保持一致。
根据模拟电路和数字电路理论分析电路基本功能，得到方波和三角波频率计算式:
电路的振荡频率：
方波的幅值：
三角波的幅值：

三 结果与分析
3.1程序计数分频器的实现
通过译码器所需频比C、B、A译成八位二进制数,其中有一位为0，其余全为1。例如：当CBA输入111时，输出01111111。它代表译码器输入的分频比，再通过两片4位移位寄存器74LS195D对二进制信息进行移位操作，当被移到输出时，说明输出开始变化，产生下降沿；在下一脉冲到来时输出又回到原来的高电平，产生一负脉冲，说明被移到电路已经实现分频。让对两片两片4位移位寄存器74LS195D重新计数开始以为循环。

图8 程序分频器仿真结果（八分频）

3.2.1波形发生与计数器的实现
（1）在电容C1为1,电位器阻值为100时用数字示波器记录方波和三角波的波形，并分别记录其频率：
，

图9 =100时的波形图
（2）在电容C1为1,电位器阻值为50时用数字示波器记录方波和三角波的波形，并分别记录其频率：

图10 =100时的波形图
（3）当计数显示以1频率时，计下当前电位器的阻值。=120

图11 =1时的波形
3.2.2 实际效果
焊接完成的电路，在接入0.5V电压下实现计数功能的效果图和多圈电位器的阻值调到50和100情况下的波形图如下。
如图12 所示，该图为焊接完成的电路在接入5V电压下实现的计数功能。实际观察时，可以发现数码管从0计数到99。当按下按钮后，
从0开始重新计数。
如图9和图10分别是多圈电位器的阻值在50和100情况下的波形图。由图9观察可知，此时波形周期T=5.0*50ms=250ms，即其频率为f=4Hz；而图10 的波形周期为T=5.1*100ms=510ms，即其频率为f=1.96Hz。分析 图12电路板实物图
可知，改变多圈电位器的阻值可以改变波形的周期。

图13 =100情况下波形

图14 =50情况下波形

图15 =1的波形图

四 总结与体会
两周的数电实训让我们对数电方面的知识以及芯片74LS138、74LS195D有了更深的了解，也让我们认识到了数电是怎样运用到实际方面的，在做数电设计时所用到的mulitisim仿真软件更是做数电设计时必不可少的好助手。这次做的程序计数分频器的结构主要包括一块74LS138芯片和两块74LS195D芯片，虽然看上去结构有点简单，但它实现的功能却不简单，它可以通过控制开关来实现程序计数的分频，该程序计数分频器可实现2-8的分频，另外做的波形发生器和计数器虽然一半是模拟电路一半是数字电路，但它却让我们看到了模电和数电的融合，这就暗示了我们在学好数电的同时还得学好模电，因为模拟和数字的结合在现在的电子领域中运用非常广泛，学好了数电和模电肯定会在以后的工作中大有帮助的。
参考文献

[1] 74LS138芯片介绍，
[2] 康华光，陈大钦等.电子技术基础模拟部分[m].高等教育出版社，2008
[3] 康华光，邹寿彬等.电子技术基础数字部分[m].光通信技术，2008
[4] 黄志伟,李传奇等.电子电路计算机仿真设计与分析[m].电子工业，2008

附录
波形发生与计数器焊接元件清单（元件标号是指在仿真图中的元件的标号）
名称
参数
单套数量
名称
参数
单套数量
电阻
300Ω 1%,0.125
14
芯片
74HC90
2
电阻
1kΩ 1%,0.125
1
芯片
74HC4511
2
电阻
2kΩ 1%,0.125
1
按钮
轻触4.5mm*4.5mm
1
电阻
10kΩ 1%,0.125
2
稳压二极管
4.7V
1
电阻
20kΩ 1%,0.125
1
数码管
共阴
2
电阻
50kΩ 1%,0.125
1
DIP座子
14脚
3
多圈电位器
3296，200kΩ
1
DIP座子
16脚
2
电容
0.022uF
1
PCB板

1
电容
0.1uF
1
PCB光绘网架等

电容
1uF
1
松香

芯片
LM324
1
焊锡丝

波形发生与计数器焊接PCB图

课程设计独创性声明：

学生签名：
指导教师评语：

课程设计成绩： 指导教师签名：
教研室意见：

教研室主任签名：

.（.....）成立于2004年，专注于企业管理培训。