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工程师摇篮基础班培训资料
课程实验安排
课程一 常用元器件的识别 （2课时）
仪器、仪表的使用 （1课时）
课程二 电源电路原理图 （2课时）
课程三 555原理及应用电路 (3课时)
课程四 八段数码管显示 (2课时)
课程五 数字逻辑电路计数器 (2课时)
课程六 集成运算放大器（功放制作） (3课时)
课程七 数字频率计 （综合实验） (4课时)
课程八 AVR单片机I/O口的应用 (3课时)

课程一 常用元器件的识别
仪器、仪表的使用（主讲人：连刘雷）
主要讲解示波器、信号发生器等常用仪器仪表的使用，
电路焊接的基础（不懂焊接）
一、常用元器件的识别
(一)：电阻
电阻在电路中用“R”加数字表示，如：R1表示编号为1的电阻。电阻在电路中的主要作用为分流、限流、分压、偏置等。

1、参数识别：电阻的单位为欧姆（Ω），倍率单位有：千欧（KΩ），兆欧（MΩ）等。换算方法是：1兆欧=1000千欧=1000000欧
电阻的参数标注方法有3种，即直标法、色标法和数标法。
a、数标法主要用于贴片等小体积的电路，如：
472 表示 47×100Ω（即4.7K）； 104则表示100K
b、色环标注法使用最多，现举例如下：
四色环电阻 、五色环电阻（精密电阻）

2、电阻的色标位置和倍率关系如下所示：
颜色 有效数字 倍率 允许偏差（%）
银色 / x0.01 ±10
金色 / x0.1 ±5
黑色 0 +0 /
棕色 1 x10 ±1
红色 2 x100 ±2
橙色 3 x1000 /
黄色 4 x10000 /
绿色 5 x100000 ±0.5
蓝色 6 x1000000 ±0.2
紫色 7 x10000000 ±0.1
灰色 8 x100000000 /
白色 9 x1000000000 /
（二）、电容
1、电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C13表示编号为13的电容）。电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。
电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。容抗XC=1/2πf c (f表示交流信号的频率，C表示电容容量)
电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。

2、识别方法：电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。其中：
1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法
容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10 uF/16V
容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示
字母表示法：1m=1000 uF 1P2=1.2PF 1n=1000PF
数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。如：
102表示10×102PF=1000PF 224表示22×104PF=0.22 uF
3、电容容量误差表
符号： F G J K L M
允许误差 ±1%、 ±2%、±5%、 ±10%、 ±15%、 ±20%
如：一瓷片电容为104J表示容量为0. 1 uF、误差为±5%。
（三）、晶体二极管
晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如： D5表示编号为5的二极管。
1、作用：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。正因为二极管具有上述特性，无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。
电话机里使用的晶体二极管按作用可分为：整流二极管（如1N4004）、隔离二极管（如1N4148）、肖特基二极管（如BAT85）、发光二极管、稳压二极管等。
2、识别方法：二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。
3、测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。
4、常用的1N4000系列二极管耐压比较如下：
型号 1N4001、1N4002、1N4003、 1N4004 、1N4005、 1N4006 、1N4007
耐压（V） 50、100 、200 、400、600 、800 、1000
电流（A） 均为1
（四）、稳压二极管
稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：ZD5表示编号为5的稳压管。
1、稳压二极管的稳压原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
2、故障特点：稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这三种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。
常用稳压二极管的型号及稳压值如下所示：
型 号：1N4728、 1N4729、 1N4730、 1N4732、 1N4733 、1N4734 、1N4735、 1N4744 、1N4750、 1N4751 、1N4761
稳压值：3.3V 、3.6V 、3.9V 、4.7V 、5.1V、 5.6V 、6.2V 、15V、 27V 、30V 、75V
（五）、电感
电感在电路中常用“L”加数字表示，如：L6表示编号为6的电感。电感线圈是将绝缘的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。直流可通过线圈，直流电阻就是导线本身的电阻，压降很小；当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感的特性是通直流阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。电感在电路中可与电容组成振荡电路。
电感一般有直标法和色标法，色标法与电阻类似。如：棕、黑、金、金表示1uH（误差5%）的电感。电感的基本单位为：亨（H） 换算单位有： 1H=103mH=106uH。
（六）、变容二极管
变容二极管是根据普通二极管内部 “PN结” 的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。
变容二极管在无绳电话机中主要用在手机或座机的高频调制电路上，实现低频信号调制到高频信号上，并发射出去。在工作状态，变容二极管调制电压一般加到负极上，使变容二极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。
变容二极管发生故障，主要表现为漏电或性能变差：
（1）发生漏电现象时，高频调制电路将不工作或调制性能变差。
（2）变容性能变差时，高频调制电路的工作不稳定，使调制后的高频信号发送到对方被对方接收后产生失真。
出现上述情况之一时，就应该更换同型号的变容二极管。
（七）、晶体三极管
晶体三极管在电路中常用“Q”加数字表示，如：Q17表示编号为17的三极管。
1、特点：晶体三极管（简称三极管）是内部含有2个PN结，并且具有放大能力的特殊器件。它分NPN型和PNP型两种类型，这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。
电话机中常用的PNP型三极管有：A92、9015等型号；NPN型三极管有：A42、9014、9018、9013、9012等型号。
2、晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，在常见电路中有三种接法。为了便于比较，将晶体管三种接法电路所具有的特点列于下表，供大家参考。

名称：
共发射极电路
共集电极电路（射极输出器）
共基极电路
输入阻抗：
中（几百欧～几千欧）
大（几十千欧以上）
小（几欧～几十欧）
输出阻抗
中（几千欧～几十千欧）
小（几欧～几十欧）
大（几十千欧～ 几百千欧）
电压放大倍数
大
小（小于1并接近于1）
大

电流放大倍数
大（几十）
大（几十）
小（小于1并接近于1）
功率放大倍数

大（约30～40分贝）

小（约10分贝）
中（约15～20分贝）

频率特性
高频差
好
好
应用

多级放大器中间级，低频放大
输入级、输出级或作阻抗匹配用
高频或宽频带电路及恒流源电路

（八）、场效应晶体管
1、场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。
2、场效应管分成结型和绝缘栅型两大类，其控制原理都是一样的。如图1-1-1是两种型号的表示符号。
3、场效应管与晶体管的比较
（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，选用晶体管。
（2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。
（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。
（4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。
二、主要讲解示波器、信号发生器等常用仪器仪表的使用
三、二极管实现流水灯（选做）

课程二 电源电路原理图（主讲人：张涛）
一、 目的
1、 了解电源的内部电路组成及工作原理。
2、 熟练掌握电源的使用。
二、 仪器及器件
双12伏变压器、W7812 、 W7912 、W7805 、 W7905
电容 、电阻、整流桥或整流二极管、发光二极管。
三、 原理及内容
集成稳压电源的分类
三端集成稳压器 可分为可调与不可调（固定）
不可调的由负稳压W79XX系列与正稳压W78XX系列两部分。（注：型号后XX两位数字代表输出电压值）。输出电压额定电压值有: 5V、9V、12V 、18V、 24V等 。

W7800系列稳压器外形 W7900系列稳压器外形
1端: 输入端 1端: 公共端
2端: 公共端 2端: 输入端
3端: 输出端 3端: 输出端

输出为固定正压时的接法如图所示

注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！
输入端接电容Ci可以进一步滤除纹波，输出端接电容Co能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。Ci，Co最好是用漏电流小的钽电容，要是用电解电容，则要比图中数值多10倍。

下图为输出正负电压的实际电路图

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课程三 555原理及应用电路（主讲人：赵彦奇）
一、 目的
3、 了解定时器的内部电路组成及工作原理。
4、 掌握用定时器单稳态电路，多谐振蒎器，施密特触发器等电路。
5、 学习用双踪示波器测量脉冲波形的幅度，脉宽，周期的方法。
二、 仪器及器件
稳压电源，实验板，双踪示波器，数字万用表各一块，集成块，555定时器一块，电阻，电容。
三、 原理及内容
555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器.广泛应用于信号的产生、变换、控制与检测。

555内部原理图

5G1555时基集成电路为例，说明其各脚功能：
         5G1555时基电路有两种结构。一种为金属圆壳封装（型号为5G1555），其外貌与管脚排列如图39-1中（a）所示；另一种为陶瓷双列封装（型号为5G1555C），其外貌与管脚排列如图39-1中（b）所示。

无论是进口或国产的时基555集成电路，还是用何种材料封装，其内部电路原理和管脚的功能则是完全一致的。其各管脚功能如下：
①脚接电源地线，即电源的负极；②脚为低电位触发端，简称低触发端；③脚为输出端，可将继电器、小电动机及指示灯等负载的一端与它相连，另一端接地或电源的正极；④脚为低电位复位端；⑤脚为电压控制端，主要是用来调节比较器的触发电位；6脚为高电位触发端，简称高触发端；⑦脚为放电端；⑧脚接电源正极。弄清各管脚的功能后，正确运用555时基集成电路就十分容易了。
四、555电路应用
时基集成电路555并不是一种通用型的集成电路，但它却可以组成上百种实用的电路，可谓变化无穷，故深受人们的欢迎。
555时基电路具有以下几个特点：
（1）555时基电路，是一种将模拟电路和数字电路巧妙结合在一起的电路；
（2）555时基电路可以采用4．5～15V的单独电源，也可以和其它的运算放大器和TTL电路共用电源；
（3）一个单独的555时基电路，可以提供近15分钟的较准确的定时时间；
（4）555时基电路具有一定的输出功率，最大输出电流达200mA，可直接驱动继电器、小电动机、指示灯及喇叭等负载。
          因此，555时基电路可用作：脉冲发生器、方波发生器、单稳态多谐振荡器、双稳态多谐振荡器、自由振荡器、内振荡器、定时电路、延时电路、脉冲调制电路、仪器仪表的各种控制电路及民用电子产品、电子琴、电子玩具等。振荡周期的计算T=0.7(R1+2R2)。
例:555定时器构成的占空比可调的方波发生器。
电路图如下：

此电路利用D1，D2将电容器C充放电回路分开。再加上电位器调节，便构成占空比可调的方法发生器。Ucc通过R1，D1向电容C充电，充电时间为：
tPH=0.7RAC电容C通过D2，R2及555中的三极管T1放电,放电时间为tPL=0.7RBC
因而，振荡频率为：f=1/( tPH + tPL) = 1.43/(RA+RB)C输出波形的占空比为：q=RA/(RA+RB)
该电路Ucc为5V电源。用示波器观察波形。调节R2输出波形的占空比可调，并用示波器读出振荡频率f。

课程四 八段数码管显示（主讲人：杨会攀）
一、目的：
1、熟悉数码管的基本结构，使用方法；
2、 熟悉译码器的使用方法；
3、 提高综合实验的技能；
二、仪器及器件：
稳压电源 一台 共阴数码管 共阳数码管 电阻 74LS47 74LS48
导线若干
二、内容及实验步骤：
1、LED显示器结构及分类
通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。
2、LED显示器结构
基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。可实现0～9的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。

1） 反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。
2） 反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可靠性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。
3） 条形七段式数码管属于混合封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来。
4） 单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。
5） 符号管、米字管的制作方式与数码管类似。
6） 矩阵管（发光二极管点阵）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。
3、LED显示器分类
（1）按字高分：笔画显示器字高最小有1mm（单片集成式多位数码管字高一般在2～3mm）。其他类型笔画显示器最高可达12.7mm（0.5英寸）甚至达数百mm。
（2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。
（3）按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。
（4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。
所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极（即P区）是公共的，而阴极互相隔离。
所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的。如图所示。

4、 LED显示器的参数
由于LED显示器是以LED为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于LED显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数：
发光强度比
a.由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在1.5～2.3间，最大不能超过2.5。
b.脉冲正向电流
若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。
5、译码 显示电路
1）74LS47驱动共阳八段码如图：

2）74LS48驱动共阴八段码
由于74LS48内置限流电阻，所以可直接驱动。

6、原理图
下面的两个电路图是由拨码开关SWDIP-8提供二进制数的，供给74LS48与74LS47来驱动共阴与共阳的数码管。

三、总结：
学习熟悉数码管的使用，了解74LS47，74LS48芯片的使用，其是数字电路的基础，也是常用电路。
课程五 数字逻辑电路计数器（主讲人：支东升）
一、 目的
1、 熟悉计数器、译码器和显示器的使用方法。
2、 提高综合实践的技能。
3、 设计十进制，并用译码器和显示器，显示计数结果。
二、 仪器及器件
稳压电源 一台， 实验板一块， 面包板一块。
集成电路 74LS90、74LS160、74LS47 共阳极数码管。
三、 内容及实验步骤
计数器是利用二进制代码进行工作的数字设备基本部件，其应用范围非常广泛。在许多场合，常常需要把记数、计算、测量或处理的结果直接用十进制形式显示出来。要达到这个目的，则必须有译码电路将计数器的二进制信息“翻译”成十进制信息，再由数码管显示出来。
译码器是将二进制译成十进制的器件。这是我们选用的74LS47是BCD码七段译码器兼驱动器，其驱动共阳极数码管。使用共阳极数码管时，公共端接电源正极，其他七个端a、b、c、d、e、f、g由相应的译码器的输出驱动。驱动共阴极数码管可用74LS48等译码器驱动器驱动。
将计数器、译码驱动器、数码管连接起来，组成显示电器，如下图所示，图中7490由CP加入单次脉冲观察数码管的计数器显示功能。

该电路是一个典型的数字逻辑电路，通过对该电路的练习，可使学到的理论知识与实践联系起来，达到加深理解和学会应用的目的。

课程六 集成运算放大器（主讲人：郝飞）
目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。
LM1875制作功放电路
  LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。
1、LM1875主要参数：
         电压范围：16～60V
         静态电流：50MmA
         输出功率：25W
         谐波失真：＜0.02%，当f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W时
         额定增益：26dB，当f=1kHz时
         工作电压：±25V
         转换速率：18V/μS
2、电路原理：
         LM1875功放板由一个高低音分别控制的衰减式音调控制电路和LM1875放大电路以及电源供电电路三大部分组成，音调部分采用的是高低音分别控制的衰减式音调电路，其中的R02，R03，C02，C01，W02组成低音控制电路；C03，C04，W03组成高音控制电路；R04为隔离电阻，W01为音量控制器，调节放大器的音量大小，C05为隔直电容，防止后级的LM1875直流电位对前级音调电路的影响。放大电路主要采用LM1875，由1875，R08，R09，C066等组成，电路的放大倍数由R08与R09的比值决定，C06用于稳定LM1875的第4脚直流零电位的漂移，但是对音质有一定的影响，C07，R10的作用是防止放大器产生低频自激。本放大器的负载阻抗为4→16Ω。
  为了保证功放板的音质，电源变压器的输出功率不得低于80W，输出电压为2*25V，滤波电容采用2个2200UF/25V电解电容并联，正负电源共用4个2200UF/25V的电容，两个104的独石电容是高频滤波电容，有利于放大器的音质。
3、装配与调试：
   工具准备：20W电烙铁一把，万用电表一个，尖嘴钳一把，螺丝刀一把，焊锡丝和松香水若干。
   准备焊接：焊接时先焊接跳线，再焊接电阻，再焊电容，再焊整流管，再焊电位器，最后焊LM1875，焊接LM1875前须先把LM1875用螺丝固定在散热片上，否则在最后装散热片时螺丝很难打进去。LM1875与散热片接触的部分必须涂少量的散热脂，以利散热。焊接时必须注意焊接质量，对于初学者，可先在废旧的电路板上多练习几次，然后再正式焊接。
   调试：本功放板调试特别简单，电路板焊好电子元件后，要仔细检查电路板有无焊错的地方，特别要注意有极性的电子零件，如电解电容，桥式整流堆，一旦焊反即有烧毁元器件之险，请特别注意。接上变压器，放大器的输出端先不接扬声器，而是接万用电表，最好是数显的，万用表置于DC*2V档。功放板上电注意观察万用电表的读数，在正常情况下，读数应在30mV以内，否则应立即断电检查电路板。若电表的读数在正常的范围内，则表明该功放板功能基本正常，最后接上音箱，输入音乐信号，上电试机，旋转音量电位器，音量大小应该有变化，旋转高低音旋钮，音箱的音调有变化。
   值得一试的实验：将C6短路，用万用表测LM1875输出端的直流电位，看是否是在30MV以内，然后接上音箱试两小时，用万用表测LM1875输出端的直流电位，看直流电位是否在30MV以内，如果是的话，则C6这个电容可以省掉，这样的话，此放大板就成一个纯直流功放了。

课程七 数字频率计的设计与制作（主讲人：原瑞彬）
一、问题的引入：
在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。
二、设计目的：
本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。
三、设计要求：
设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下：
（ 1 ）频率测量范围： 10 ～ 9999Hz 。
（ 2 ）输入电压幅度 >300mV 。
（ 3 ）输入信号波形：任意周期信号。
（ 4 ）显示位数： 4 位。
（ 5 ）电源： 220V 、 50Hz
四、所需仪器设备与器件
示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪、直流稳压电源。
五、设计内容、方法与步骤：
1 ．设计内容
1 ）数字频率计的基本原理
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（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，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内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。
2 ）系统框图
从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图 13.4 所示的电路框图。

图 13.4 数字频率计框图
下面介绍框图中各部分的功能及实现方法
（ 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、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。
（ 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。按国家标准，市电的频率漂移不能超过 0.5Hz ，即在 1 ％的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对 50Hz 交流市电进行全波整流，得到如图 13.5 （ a ）所示 100Hz 的全波整流波形。波形整形电路对 100Hz 信号进行整形，使之成为如图 13.5(b) 所示 100Hz 的矩形波。

图 13.5 全波整流与波形整形电路的输出波形
波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。
（ 3 ）分频器
分频器的作用是为了获得 1S 的标准时间。电路首先对图 13.5 所示的 100Hz 信号进行 100 分频得到如图 13.6 （ a ）所示周期为 1S 的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图 13.6 （ b ）所示占空比为 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 时间内通过控制门的被测脉冲的数目。

图 13.6 分频器的输出波形
分频器可以采用第 5 章介绍过的方法，由计数器通过计数获得。二分频可以采用 触发器来实现。
（ 4 ）信号放大、波形整形电路
为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对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。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。
（ 5 ）控制门
控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。
（ 6 ）计数器
计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为 9999Hz ，应采用 4 位十进制计数器。可以选用现成的 10 进制集成计数器。
（ 7 ）锁存器
在确定的时间（ 1S ）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的 8 位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。
（ 8 ）显示译码器与数码管
显示译码器的作用是把用 BCD 码表示的 10 进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。
选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。
3 ）实际电路
根据系统框图，设计出的电路如图 13.7 所示。
图中，稳压电源采用 7805 来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求
对 100Hz 全波整流输出信号的分频采用 7 位二进制计数器 74HC4024 组成 100 进制计数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在 74HC4024 的 Q7 、 Q6 、 Q3 端通过与门加入反馈清零信号，当计数器输出为二进制数 1100100 （十进制数为 100 ）时，计数器异步清零。实现 100 进制计数。为了获得稳定的分频输出，

图 13.7 数字频率计电路图
清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时保持一段时间（ 10mS ）为高电平。
电路中采用双 JK 触发器 74HC109 中的一个触发器组成 触发器，它将分频输出脉冲整形为脉宽为 1S 、周期为 2S 的方波。从触发器 Q 端输出的信号加至控制门，确保计数器只在 1S 的时间内计数。从触发器 端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。
被测信号通过 741 组成的运算放大器放大 20 倍后送施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出，通过由 74HC11 组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。
频率计数器由两块双十进制计数器 74HC4511 组成，最大计数值为 9999Hz 。由于计数器受控制门控制，每次计数只在 JK 触发器 Q 端为高电平时进行。当 JK 触发器 Q 端跳变至低电平时， 端的由低电平向高电平跳变，此时， 8D 锁存器 74HC374 （上升沿有效）将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可对计数器清零。由于 74HC4518 为异步高电平清零，所以将 JK 触发器的 同 100Hz 脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（ 10mS ）以后再进行。
显示译码器采用与共阴数码管匹配的 CMOS 电路 74HC4511 ,4 个数码管采用共阴方式，以显示 4 位频率数字，满足测量最高频率为 9999Hz 的要求。
2 ．方法与步骤
1) 器件检测
用数字集成电路检测仪对所要用的 IC 进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对 LED 数码管进行检测，检测方法由自己确定。
2) 电路连接
在自制电路板上将 IC 插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接 IC 等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插 IC 。
3) 电源测试
将与变压器连接的电源插头插入 220V 电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为＋ 5V 。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图 13.5(a) 所示波形。
4) 基准时间检测
关闭电源后，插上全部 IC 。依次用示波器检测由 U1(74HC4024) 与 U3A 组成的基准时间计数器与由 U2A 组成的 触发器的输出波形，并与图 13.6 所示波形对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对 U1 、 U3,U2 各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。
5) 输入检测信号
从被测信号输入端输入幅值在 1V 左右频率为 1KHz 左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。
6 ）输入放大与整形电路检测
用示波器观测整形电路 U1A(74HC14) 的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为 5V 左右的矩形波。如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不对，则应检测这一部分电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。
7) 控制门检测
检测控制门 U3C(74HC11) 输出信号波形，正常时，每间隔 1S 时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常 , 并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。
8) 计数器电路的检测
依次检测 4 个计数器 74HC4518 时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差 10 倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。
9) 锁存电路的检测
依次检测 74HC374 锁存器各引脚的电平与波形。正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。其中，第 11 脚的电平每隔 1S 钟跳变一次。如不正常，则应检查电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。
10) 显示译码电路与数码管显示电路的检测
检测显示译码器 74HC4511 各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析找出故障。

课程八 AVR单片机I/O口的应用
绪论 1、什么是单片机？
2、单片机的用途
3、 二进制的转换
4、

一、 实验目的：
1、了解IO口的结构；
2、熟悉IO口的特性；
3、掌握IO口的控制。
二、实验仪器：ATmage16实验板 一块
PC机 一台
三、 实验原理：
作为通用数字I/O 使用时，AVR 所有的I/O 端口都具有真正的读- 修改- 写功能。这意味着用SBI 或CBI 指令改变某些管脚的方向( 或者是端口电平、禁止/ 使能上拉电阻) 时不会改变其他管脚的方向( 或者是端口电平、禁止/ 使能上拉电阻)。输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出或吸收大电流，直接驱动LED。所有的端口引脚都具有与电压无关的上拉电阻。并有保护二极管与VCC 和地相连，如 Figure23 所示。在控制I/O时，分别由方向寄存器