簡易數(shù)字頻率計課程設(shè)計

1、一、課題名稱與技術(shù)要求<1>名稱：簡易數(shù)字頻率計<2>主要技術(shù)指標(biāo)和要求：1. 被測信號的頻率范圍100HZ100KH2. 輸入信號為正弦信號或方波信號3. 四位數(shù)碼管顯示所測頻率，并用發(fā)光二極管表示單位4. 具有超量程報警功能二、摘要 以門電路，觸發(fā)器和計數(shù)器為核心，由信號輸入、放大整形、閘門電路、計數(shù)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示等功能模塊組成。放大整型電路：對被測信號進行預(yù)處理；閘門電路：由與門電路通過控制開門關(guān)門，攫取單位時間內(nèi)進入計數(shù)器的脈沖個數(shù)；時基信號：周期性產(chǎn)生一秒高電平信號；計數(shù)器譯碼電路：計數(shù)譯碼集成在一塊芯片上，計單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)，把十進制計數(shù)器計數(shù)結(jié)果譯

2、成BCD碼；顯示：把BCD碼譯碼在數(shù)碼管顯示出來。關(guān)鍵字：比較器，閘門電路，計數(shù)器，鎖存器，邏輯控制電路三、方案論證與選擇<1>頻率測量原理與方法對周期信號的測量方法，常用的有下述幾種方法。1、測頻法（M法）對頻率為f的周期信號，測頻法的實現(xiàn)方法，是用以標(biāo)準(zhǔn)閘門信號對被測信號的重復(fù)周期數(shù)進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)結(jié)果為N時，其頻率為：f1=N1/TG。TG為標(biāo)準(zhǔn)閘門寬度，N1是計數(shù)器計出的脈沖個數(shù)，設(shè)在TG期間，計數(shù)器的精確計數(shù)值為N，根據(jù)計數(shù)器的技術(shù)特性可知，N1的絕對誤差是N1=N±1,N1的相對誤差為&N1=（N1-N）/N=（N±1-N）/N=±

3、1/N,由N1的相對誤差可知，N（或N1）的數(shù)值愈大，相對誤差愈小，成反比關(guān)系。因此，在f已確定的條件下，為減小N1的相對誤差，可通過增大TG的方法來降低測量誤差。但是，增大TG會使頻率測量的響應(yīng)時間長。當(dāng)TG為確定值時(通常取TG=1s)，則有f=N，固有f1的相對誤差：&f1=(f1-f)/f=(f±1-f)/f=±1/f由上式可知，f1的相對誤差與f成反比關(guān)系，即信號頻率越高，誤差越??；而信號頻率越低，則測量誤差越大。因此，M法適合于對高頻信號的測量，頻率越高，測量精度也越高。 測頻法原理圖2、測周法（T法）首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電頻時間和低電平

4、時間都是一個信號周期T的方波信號；然后用一個已知周期的高頻方波信號作為計數(shù)脈沖，在一個信號周期T的時間內(nèi)對此高頻信號進行計數(shù)。若在T時間內(nèi)的計數(shù)值為N2,則有T2=N2*Toscf2=1/T=1/(N2* Tosc)= fosc/N2 N2的絕對誤差為N=±1N2的相對誤差為&N2=(N2-N)/N=(N±1-N)/N=±1/N 從T2的相對誤差可以看出，周期測量的誤差與信號頻率成正比，而與高頻你標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)信號的頻率成反比。當(dāng)fosc為常數(shù)時，被測信號頻率越低，誤差越小，測量精度也就越高。 測周法原理圖<2>頻率測量方案選擇根據(jù)性能和技術(shù)指標(biāo)的要

5、求，首先需要確定能滿足這些指標(biāo)的頻率測量方法。有上述對各種方法的討論可知，M法是在給定的閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)，進行換算得出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于閘門時間和被測信號頻率。當(dāng)被測信號頻率較低時將產(chǎn)生較大誤差，除非閘門時間取得很大。這種方法比較適合測量高頻信號的頻率。T法是通過測量被測信號的周期然后換算出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于被測信號的周期和計時精度，當(dāng)被測信號頻率較高時，對計時精度的要求就很高。這種方法比較適合測量頻率較低的信號。綜合以上幾種方案的優(yōu)缺點和該課題的頻率范圍和精確度的要求，我們選擇直接測頻法。對測量頻率的最低值100Hz來說，相

6、對誤差最大為1%，可以滿足要求，隨著測量頻率的增大，相對誤差逐漸減小。四、方案的原理框圖、總體電路圖、接線圖以及說明<1>方案原理框圖 <2>總體電路圖 圖4.2<3>工作過程說明1放大整形電路任意形式信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器放大整形變成方波信號，和脈沖信號一起控制與門的開啟與關(guān)閉，2秒脈沖控制時基電路由定時器555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生，通過計算調(diào)節(jié)電阻和電容的接入值，使輸出高電平的持續(xù)時間為ls。開關(guān)閉合后與JK觸發(fā)器的Q端一起控制給計數(shù)器CLK脈沖的門電路，同時控制著計數(shù)器的清零端和鎖存器（D觸發(fā)器）的鎖存端。3計數(shù)寄存譯碼經(jīng)過整形放大后的方波信號在與門U2

7、2A開門的1秒內(nèi)給計數(shù)器提供計數(shù)脈沖，與門打開瞬間計數(shù)器74LS160N清零結(jié)束，74LS273DW 處于鎖存狀態(tài)，計數(shù)器開始計數(shù)， 當(dāng)計數(shù)值未超過四位數(shù)碼管的量程時，即U7輸出為0000，4或門U3A輸出為 0，非門U23B輸出1，小數(shù)點熄滅，74LS257N選擇低四片計數(shù)芯片，單位為Hz； 當(dāng)計數(shù)值超過四位數(shù)碼管的量程時，即U7輸出不為0000，小數(shù)點亮，74LS257選擇高四片計數(shù)芯片，單位為KHz； 當(dāng)計數(shù)值超過100KHz時，U7給JK觸發(fā)器一個脈沖，JK觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q=1，蜂鳴器報警， Q非和多諧振蕩器通過與門U22B電路輸出0，所有計數(shù)器清零，與門U22A輸出為0； 當(dāng)為、兩種情

8、況時，每經(jīng)過1S的開門時間后，下降沿通過非門U23A給74LS273一個上升沿鎖存數(shù)據(jù)，低電平使計數(shù)器全部清零，等待下輪開門時間計數(shù)； 當(dāng)出現(xiàn)時，需要手動關(guān)閉開關(guān)，給JK觸發(fā)器清零，蜂鳴器停止報警，再閉合開關(guān)使電路重新開始測頻率。4顯示電路利用DCD_HEX LED顯示器自帶譯碼功能顯示所計頻率的大小。五、單元電路設(shè)計、主要元器件選擇與電路參數(shù)計算<1>放大整形電路此設(shè)計選用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器對被測信號進行放大整形，電路圖如圖5.1.1 圖5.1.1CON端通過電阻分壓提供一個0.5V的基準(zhǔn)電壓Ua，輸入頻率信號的幅值與1/2Ua和Ua進行比較，輸出同頻率的方波。輸入輸出波形

9、圖如圖5.1.2（正弦波為輸入信號、方波為輸出信號） 圖5.1.2<2>秒脈沖控制時基電路由定時器555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生，通過計算調(diào)節(jié)電阻和電容的接入值，使輸出高電平的持續(xù)時間為ls。電路如圖5.2.1圖5.2.1555多諧振蕩器的清零端接開關(guān)，輸出端與JK觸發(fā)器的Q端通過與門U22B控制給計數(shù)器CLK脈沖的門電路，同時控制著計數(shù)器的清零端和鎖存器（D觸發(fā)器）的鎖存端。電路如圖5.2.2 圖5.2.2<3>計數(shù)器計數(shù)器由5片74LS160級聯(lián)組成，低片的進位輸出端分別作為相鄰高片的CLk輸入端。A、B、C、D、ENT、ENP、LOAD都接高電平，清零端接在一起和與門

10、U22B的輸出端相連。如圖5.3.1 圖5.3.1表5-174LS160功能表輸入輸出CLKCLRLOADENPENTDCBAQDQCQBQAX0XXXXXXX000010XXDCBADCBAX110XXXXX保持X11X0XXXX保持1111XXXX加計數(shù)由表可知，該計數(shù)器的主要功能有：（1）異步清零：當(dāng)CLR=0時，其他輸入端任意取值，計數(shù)器將被直接置零。（2）同步預(yù)置數(shù)：當(dāng)CLR=1，LOAD=0,且有CLK脈沖下降沿作用時，完成將輸入端DCBA的數(shù)值置入計數(shù)器操作，使QDQCQBQA=DCBA。（3）保持：當(dāng)CLR=LOAD=0時，若ENP*ENT=0，則計數(shù)器保持輸出原狀態(tài)不變，不管

11、有無CLK脈沖作用。不過ENT=0時，進位輸出RCO=0.（4）計數(shù)：當(dāng)CLR=LOAD=0，若ENP=ENT=1時，處于計數(shù)狀態(tài)，對CLK脈沖下降沿進行十進制加計數(shù)。 圖5.3.2 74LS160邏輯管腳圖<4>單位轉(zhuǎn)換由74LS257和門電路組成單位轉(zhuǎn)換電路。4片257的使能端G都接地，數(shù)據(jù)選擇控制端A/B連在一起與非門U23B的輸出相連，數(shù)據(jù)端A、B連接圖5.4.1 圖5.4.1若最高位計數(shù)器為零，小數(shù)點熄滅，門電路給A/B高電平，選擇低四片計數(shù)器輸出，單位為Hz；當(dāng)數(shù)值超過四位數(shù)碼管的量程時，即U7輸出不為0000，小數(shù)點亮，74LS257選擇高四片計數(shù)芯片，單位為KHz；

12、實現(xiàn)單位的自動轉(zhuǎn)換。表5-274LS257功能輸入輸出GA/B1A2A3A4A1B2B3B4B1Y2Y3Y4Y1XXXXXXXXXZZZZ01XXXX1B2B3B4B1B2B3B4B001A2A3A4AXXXX1A2A3A4A由表可知，74LS257具有以下特點：(1) G=1時，輸出高阻態(tài)。(2) G=0，A/B=1時，選擇將B口值賦給Y口輸出，1Y2Y3Y4Y=1B2B3B4B。(3) G=0，A/B=0時，選擇將A口值賦給Y口輸出，1Y2Y3Y4Y=1A2A3A4A。圖5.4.2 74LS257的邏輯管腳圖<5>數(shù)據(jù)鎖存數(shù)據(jù)鎖存電路由兩片8D觸發(fā)器74LS273組成。每片27

13、3 的8個輸入端分別與兩片257的輸出端相連，8個輸出端分別與兩個DCD_HEX數(shù)碼管相連，清零端CLR都接高電平，脈沖CLK端接非門U23A的輸出端。如圖5.5.1 圖5.5.1每來一個上升沿，273就會把輸入端的值賦給輸出端，并保持到下一個上升沿的到來。74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器， 1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8Q為數(shù)據(jù)輸出端，上升沿觸發(fā)，低電平清除，常用作數(shù)據(jù)鎖存器,地址鎖存器。表5-3輸入輸出CLRCLKD1D2D3D4D5D6D7D8Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q80XXXXXXXXX000000001D1D3D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D81X

14、XXXXXXXXQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q874LS273功能表注：CLR=1時，CLK的X表示除上升沿的其他狀態(tài)。由表可知，74LS273具有以下特點：（1）清零：CLR=0時，芯片被清除，輸出全為0（低電平）；（2）觸發(fā)：CLR=1，CLK為上升沿觸發(fā)時， D1D8的數(shù)據(jù)通過芯片輸出給Q1Q8；（3）鎖存：CLR=1，CLK不是上升沿觸發(fā)時，將數(shù)據(jù)鎖存，D0D7的數(shù)據(jù)不變。圖5.5.2 74LS273邏輯管腳圖<6>超量程報警和復(fù)位超量程報警由JK觸發(fā)器和蜂鳴器和開關(guān)電路組成。如圖5.6.1 圖5.6.1置“1”端和J、K都接高電平，Q端接蜂鳴器（加了一個燈顯示蜂鳴器是否處

15、在報警狀態(tài)），Q非接與門U22B的一個輸入端，清零端接開關(guān)電路，CLK接計數(shù)器最高位的進位端。電路連接如圖5.6.2 圖5.6.2接通電源前，JK觸發(fā)器清零，同時使555多諧振蕩器清零，當(dāng)接通電源后，Q端保持低電平，Q非保持高電平，振蕩器開始工作，計數(shù)器可以計數(shù)；當(dāng)計數(shù)不超量程時，最高位沒有進位信號，Q保持低電平，蜂鳴器不響；當(dāng)計數(shù)器超量程時，最高位進位信號給JK觸發(fā)器的CLK，使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q輸出高電平，燈亮，蜂鳴器報警，Q非輸出低電平，使與門U22B和U22A都輸出低電平，所有計數(shù)器清零。只有手動斷開開關(guān)才能結(jié)束報警。表5-474LS112功能表 圖5.6.3 74LS112邏輯管腳圖&l

16、t;7>材料清單芯片LM555兩個74LS160五個74LS257四個74LS273兩個74LS04一個74LS08一個4072BD一個顯示管DCD_HEX四個二極管發(fā)光一個蜂鳴器200Hz一個開關(guān)一個電容10uF一個10nF一個電阻108.2K一個36.08K一個4.7K一個300三個 六、心得體會及存在的問題 回顧起此次課程設(shè)計， 至今我們?nèi)愿锌H多， 的確，從理論到實踐，在整整一星期的日子里，學(xué)到很多很多的的東西。我們不僅可以鞏 固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。從圖書館、 網(wǎng)上查找資料對電路設(shè)計及制作的成型， 都對我們所學(xué)專業(yè)知識進行了檢驗， 我們也從中懂得了理論與實際相結(jié)合的重要性，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中難免會遇到過各種各樣的問題，可以說得是困難重重，發(fā)現(xiàn)自己的不足還有很多，比如對 以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，遇到了一些以前沒有用過的元件， 穩(wěn)壓管管腳不懂怎么放置， 不懂得分二極管的正負(fù)極，但是通過查找資料來學(xué)習(xí)這些元件的功能和使用，進一步得到了提升。制作過程是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，馬虎。 在設(shè)計過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)