數字頻率計設計-數字電子技術課程設計實驗報告

1、電子技術基礎課 程 設 計 題目名稱：數字頻率計設計 評語： 成績： 重慶大學電氣工程學院 2015年7月6日目錄摘要11、設計的目的及要求21.1、設計目的21.2、設計要求22、設計思路及方案選擇22.1、設計思路22.2、設計方案選擇23、設計及仿真33.1、總體框圖33.2、各模塊功能實現及介紹3（1）整形電路3（2）時鐘產生及分頻電路4（3）T觸發(fā)器5（4）單穩(wěn)觸發(fā)器6（5）計數器7（6）鎖存器8（7）顯示8（8）小數點功能的實現83.3全部電路及功能測試104、焊接規(guī)劃及實物設計124.1、邏輯設計圖轉換124.2、電路VCCGND端共線設計124.3、焊接元器件及排針124.4、

2、元件接線及電流引入125、總結與感想12參考文獻13數字頻率計設計摘要作為數字電子技術、模擬電子技術中最常用的基本參數，頻率經常會被應用到各種數據的計算當中。這就導致數字頻率計在電子技術領域應用廣泛，其作為一種最基本的測量儀器以其測量精度高、速度快、操作簡便、數字顯示等特點被廣泛應用。本文主要介紹制作簡易數字頻率計的原理、方法以及設計思路。以74LS系列常用電子集成電路為例，分析如何利用整形、計數、分頻、譯碼電路實現對于矩形波、三角波、方波等信號的頻率分析及顯示。本文以作者二人小組的設計為藍本，分享設計經驗，為有制作需求及意愿的人提供施行經驗。關鍵字：頻率計 整形電路 分頻電路 計數方式1、設

3、計的目的及要求1.1、設計目的1）、掌握數字頻率計的設計方法；2）、掌握常用數字集成電路的功能和使用。1.2、設計要求設計一簡易數字頻率計，其基本技術要求是：1)測量頻率范圍1kHz10MHz，量程分為4檔，即×1，×10，×100，×1000。2)頻率測量準確度.3)被測信號可以是正弦波、三角波和方波。4)顯示方式為4位十進制數顯示。 2、設計思路及方案選擇2.1、設計思路回歸數字頻率計本質，我們將設計的主要目的定位于它的主要功能，即測量周期信號的頻率上，爭取在設計合理、可靠的基礎上，努力實現生產經濟化、功能齊全化、技術先進化，向工程師看齊，減小誤差，

4、不出現任何功能方面的錯誤。頻率是單位時間（1s）內信號發(fā)生周期變化的次數，因而要求電路能在給定的1S時間內對信號波形計數，并將技術結果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。首先，必須以特定電路獲得相對穩(wěn)定的時間，同時運用整形電路將被測信號轉換成幅度與波形均能被識別的脈沖信號，然后通過計數器計算這一段時間間隔內的脈沖個數，將其換算后顯示出來，最后的工作即為再將計數器清零，重新計數。2.2、設計方案選擇在熟練掌握了數字電子技術基礎知識后，我們發(fā)現要實現數字頻率計的計數、分量程、數值顯示功能，可以使用多種方式，不同的思路可以帶來多種不同的思考結果。盡管有老師給的元件提示、制作原理PPT、Word輔導文檔

5、，但是團隊內仍然存在兩到三種設計方法，選取的元件不同，設計方法也截然不同。在我看來，根據老師提供的元器件，通過3片74LS160對1KHZ的信號進行分頻，可以實現對量程的控制，這是一種比較可行且可靠的設計方法。1KHz的時鐘脈沖，對其進行3次10分頻，每個10分頻器的輸出信號頻率分別為100Hz，10Hz，1Hz三種時間基準信號。對應于以1Kz，100Hz，10Hz，1Hz的信號作為時間基準信號時，相應的量程為×1000，×100，×10，×1。但是隊友王洪一卻通過仿真過程進行可行性論證，使用3片160會使電路更為復雜，對于后期的制作會產生影響。于是便對

6、電路進行了討論，最后決定采用他所提供的設計方法，直接在555時鐘產生電路中，通過調節(jié)不同的電容值來決定輸出的信號頻率，如此便大大簡化了電路，提高了后期制作的效率，也為實際制作中成本控制提供了節(jié)約方法。3、設計及仿真3.1、總體框圖3.2、各模塊功能實現及介紹（1）整形電路整形電路是將待測信號整形變成計數器所要求的脈沖信號。電路形式采用由555定時器所構成的施密特觸發(fā)器，輸入信號整形電路輸出方波，二者頻率相同。在測試功能時，我們在認真考慮施密特觸發(fā)器跳變節(jié)點、電阻阻值后，最終確定的功能實現以及功能測試如圖（輸入為正弦波整形為方波）。（2）時鐘產生及分頻電路時鐘信號是控制計數器計數的標準時間信號，

7、其精度很大程度上決定了頻率計的頻率測量精度。當要求頻率測量精度較高時，應使用晶體振蕩器通過分頻獲得。在此頻率計中，時鐘信號采用555定時器構成的多諧振蕩器電路，產生頻率為1Kz的信號，然后再進行分頻，分頻功能通過采用不同的電容對1KHz的信號進行分頻。其中根據公式可取R1=43K,R2=51K，調整C的大小得到頻率為1KHz，100HZ，10HZ，1HZ的脈沖。電路及1KHz信號產生圖如圖所示。（3）T觸發(fā)器T觸發(fā)器電路是用來將分頻帶器的輸出窄脈沖整形為方波，因為計數器需要用方波來控制其計數/保持狀態(tài)的切換。整形后方波的頻率為頻器輸出信號頻率的一半，則對應于1Kz，100Kz，10Kz，1Hz

8、的信號，T觸發(fā)器輸出信號的高電平持續(xù)時間分別為0.001s,0.01s,0.1s,1s。T觸發(fā)器采用D觸發(fā)器7474為實現，根據公式將時鐘輸出信號和T觸發(fā)器輸出進行異或運算即可得到T觸發(fā)器。電路圖及功能測試如圖所示。（4）單穩(wěn)觸發(fā)器單穩(wěn)觸發(fā)器用于產生一窄脈沖，以觸發(fā)鎖存器，使計數器在計數完畢后更新鎖存器數值。為了保證系統(tǒng)正常工作，單穩(wěn)電路產生的脈沖寬度不能大于該量程分頻帶器輸出信號的周期。例如，計數器的最大量程是×1000，對應分頻帶器輸出的時間基準信號頻率為1000Hz，周期是1ms。取單穩(wěn)電路輸出脈沖寬度TW=0.1ms。單穩(wěn)觸發(fā)器電路采用555定時器實現。根據Tw=1.1RC=

9、0.1ms可取C=0.01uf，R=9K，微分電路取R2=1K，C3=0.01uf。電路圖及功能測試如圖所示。（5）計數器在T觸發(fā)器輸出信號的控制下，對經過整形的待測信號進行脈沖計數，所得結果乘以量程即為待測信號頻率。根據精度要求，采用4個十進制計數器級聯(lián)，構成N=10000計數器。十進制計數器仍采用74LS160實現。其中清零信號由單穩(wěn)態(tài)電路輸出提供，控制信號由T觸發(fā)器提供。計數器輸出結果送入鎖存器。電路圖如圖所示。（6）鎖存器再確定時間內將計數器的計數結果鎖定后即可顯示穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測得的數據寄存起來，送至顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器

10、。（7）顯示 采用7448以及4個七段數碼管顯示測試信號的頻率，采用的數碼管需有小數點顯示功能以便調節(jié)范圍的時候使用。在使用過程中，分頻后的電路信號通過運放放大電壓，用以激活數碼管DP腳，實現小數點的顯示。（8）小數點功能的實現 在選擇量程的時候須有小數點顯示功能，將其使能端接到經放大后的選擇電路上即可實現。3.3全部電路及功能測試（1） 輸入5KHz的正弦波信號，采用第一檔。(2)輸入10.5KHz三角波信號，采用第二檔。 4、焊接規(guī)劃及實物設計4.1、邏輯設計圖轉換首先將仿真軟件中邏輯設計圖轉換為管腳圖，每個元件按照連接順序畫出，這種轉換思路對于管教較多、電路較為復雜的電路來說比較實用，可

11、以將電路中元器件連接方式比較直白的表示出來，避免直接從邏輯圖進入電路規(guī)劃焊接時的慌亂，同時更會避免了線路雜亂造成的認錯線路、少連線等問題。在此之后根據邏輯圖顯示方式，在所需焊接的電路板上規(guī)劃元器件位置，確保距離近、連線時曲線少、VCC接入點少而全、接地線走線簡潔等。4.2、電路VCCGND端共線設計在電路中，不僅存在元件1輸出端接元件2輸入端的情況，在考慮到元件之間接出、引入的情況，合理走線，還要保證電源線、地線在使用中安排合理，確保布線合理，留出相應的共線端，將所有的線集中成總線，簡化布局。4.3、焊接元器件及排針規(guī)劃完畢后，先按照管腳圖及規(guī)劃圖，將元器件按照順序依次焊接入電路板中，需注意排

12、針的焊接，有些引腳接出多次，這時要留出足夠引腳，確保焊點充足，為后期連線留存空間。為了保證焊接過程安全、合理，必須嚴格遵守焊接相關規(guī)定，安全操作，既保證合理使用電烙鐵，又要保證焊點正常使用，而不存在接觸不良等情況。4.4、元件接線及電流引入最后一步即為接線工作，用杜邦線按照元件順序，由左及右或由上及下，在一個元件連線完畢后，務必要檢查一遍，避免漏腳未連線等問題。5、總結與感想雖然在大一大二期間，我們學習了各種電器基礎課，從電路原理到電磁場種種，使我基本熟悉了電學領域的各種基本原理，但是很難做到學以致用，對于課程的理解也僅僅停留在課本之中，解題之上，但是本次的課程設計可以說是理論運用到實際的過程

13、，在老師講解的基礎上，必須要綜合運用自己所學的知識，與隊友合作，一起完成工程量相對算是巨大的數字頻率計設計工作。作為一個為期兩周的課程設計，我們將時間分配規(guī)劃成兩部分，第一周完成理論設計，即成功運用計算機進行仿真分析，模擬出最后電路功能實現的初步結果；第二周進行實體電路設計，完成電路元器件的采購、焊接。在二人的初步合作中，我們在最開始就對設計方向的選擇產生了沖突，究竟是選擇老師的提示進行設計，求穩(wěn)求全；抑或根據自己的知識儲備，大膽創(chuàng)新，探索一條適合我們的道路，從大局出發(fā)。這樣的爭論我們進行了半天，最終是通過仿真原理來證明，究竟是用三塊74LS160還是一塊555對于設計電路簡化的作用大。而這一

14、次的探討，也促進了我們之間的磨合，讓我們明白了一個道理，在合作當中，無論是幾個人，總要有一個人占主導地位，無論是任何情況，如果沒有一個人拿最后的主意，那么所有的事情都會變成無休止的爭論，這是課程設計給我上的第一課，所以在這種情況下，我們二人協(xié)商電路設計一切都以他的意見為主，尊重他的設計思路，保留我的意見；而在電路焊接過程中，一切以我為主導，分工合作，這樣每個人的注意力都有所轉移，站在旁觀者角度給建議，反而容易一語中的，讓實施者思路清晰起來。可能在電路設計過程中，雖然我也查資料，進行輔助性工作，但是我感觸最大的，還是焊電路的工作，這一部分在我看來雖然艱苦，卻充滿了樂趣，考驗動手能力，也考驗一個人

15、能否坐得住的耐力。起初我們是打算做PCB板來完成制作的，這樣工作量變小，也使可靠性增加許多，但是最后看到制作周期大概需要4-5天，時間長，對于時間緊張的課程設計來說不是很合適，再說作為一名工科生，如果焊電路的手藝都不行，那也不好意思說自己學電的了。我們的電路看設計圖，大小集成電路元件合起來有22個，加上電容電阻以及杜邦線所需的排針，也就意味著我需要焊接450多個焊點，光焊接過程就十分困難，一直被松香、焊錫加熱后所產生的煙包圍，眼睛、鼻子都受到巨大考驗，細小的焊點對于眼力考驗十分巨大，有時焊錫連接在一起了，又需要一大部分功夫改電路，除去電路板上的規(guī)劃多余焊錫。這是我工作中的挑戰(zhàn)，但是就算不是為了課程設計，我也要把它完成，男生對于電路都是存在一種熱愛，從小到大拆各種電子器件，這是正兒八經全程自己設計、制作。最后的接線過程也是很復雜，相比于數字電子技術實驗課上的電路連線，這種來連線雖然管腳熟悉，但是杜邦線細小但棱角多，電路板空間狹小，許多線重疊，嚴重影響了視線，也讓接線變得異常復雜，必須按照順序，連接玩一個元件同時必須檢查電路，若整個都完成再出問題，就會追悔莫及，也非常難排查故障。這一次的課程設計，讓我深刻體會到了我現在學習的知識所能做到的事情已經很多了，學以致用已經不是夢想，而且知識已經不能算是基礎課了，我們要嚴格按照工程師的要