電子技術(shù)課程設(shè)計報告數(shù)字頻率計

1、電子技術(shù)課程設(shè)計報告設(shè)計題目： 數(shù)字頻率計 學(xué) 院： 專業(yè)年級： 姓 名： 學(xué) 號： 組 號： 指導(dǎo)老師： 目錄前言-11.設(shè)計目的及功能分析-22.系統(tǒng)概述-32.1設(shè)計方案的選擇-32.1.1 計數(shù)法-32.1.2 計時法-33.單元電路設(shè)計-53.1放大電路設(shè)計-53.1.1 555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器-63.2時基電路設(shè)計-83.2.1 555多諧振蕩器電路-83.2.2 分頻電路-93.3控制電路-103.4自動換擋設(shè)計-113.5顯示部分電路-123.5.1計數(shù)器電路-13鎖存電路-133.5.3譯碼電路-133.6整體電路圖-144.實物制作-154.1 PCB板制作-154.2

2、實物展示-185.設(shè)計小結(jié)-195.1設(shè)計完成情況-195.2心得體會-19參考資料-20前言電子線路設(shè)計是大學(xué)一門重要的設(shè)計實驗，目的在于加深我們對書本知識的理解，增強我們的動手能力和設(shè)計能力。本次設(shè)計是基于TTL系列芯片的簡易數(shù)字頻率計,用所學(xué)的數(shù)字電路和模擬電路的知識進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，所有電路仿真均基于Proteus仿真軟件。本課程設(shè)計介紹了簡易頻率計的設(shè)計方案及其基本原理，并著重介紹了頻率計各單元電路的設(shè)計思路，原理及仿真，整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。設(shè)計共有三大組成部分：一是原理電路的設(shè)計，本部分詳細講解了電路的理論實現(xiàn)，是關(guān)鍵部分；二是性能測試，這部分用于測試設(shè)

3、計是否符合任務(wù)要求。三是對本設(shè)計實物的制作及調(diào)試。關(guān)鍵字：頻率計、TTL芯片、時基電路、邏輯控制、分頻、計數(shù)1.設(shè)計目的及功能分析使用在數(shù)模電理論課上學(xué)過或沒學(xué)過的集成器件和必要的門電路構(gòu)建簡易頻率計，用數(shù)碼管顯示頻率計數(shù)值，要求完成的主要任務(wù)：(1) 被測信號的頻率為1Hz999KHz，分為4個檔位：1Hz,10Hz,100Hz,KHz。(2) 具有自檢功能，即用儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)脈沖校準(zhǔn)測量精度。(3) 用3為數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)，測量誤差小于10%。(4) 用3個發(fā)光二極管表示單位，分別對應(yīng)3個高檔位。(5) 具有自動換擋功能，即超量程能換高檔，欠量程換低檔。2.系統(tǒng)設(shè)計概述2.1設(shè)計方案的選

4、擇信號的頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其表達式為f=N/T，其中f為被測信號的頻率，N為計數(shù)器所累計的脈沖個數(shù)，T為產(chǎn)生N個脈沖所需的時間。計數(shù)器所記錄的結(jié)果，就是被測信號的頻率。如在1s內(nèi)記錄1000個脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。測量頻率的基本方法有兩種：計數(shù)法和計時法，或稱測頻法和測周期法。2.1.1計數(shù)法計數(shù)法是將被測信號通過一個定時閘門加到計數(shù)器進行計數(shù)的方法，如果閘門打開的時間為T，計數(shù)器得到的計數(shù)值為N1，則被測頻率為f=N1/T。改變時間T，則可改變測量頻率范圍。（如圖2-1-1）圖 2-1-1 測頻法測量原理 設(shè)在T期間，計數(shù)器的精確計數(shù)值應(yīng)為N,根據(jù)計數(shù)

5、器的計數(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=1/N。由N1的相對誤差可知，N的數(shù)值愈大，相對誤差愈小，成反比關(guān)系。因此，在f以確定的條件下，為減少N的相對誤差，可通過增大T的方法來降低測量誤差。當(dāng)T為某確定值時（通常取1s），則有f1=N1,而f=N，故有f1的相對誤差：¬f1=(f1-f)/f=1/f從上式可知f1的相對誤差與f成反比關(guān)系，即信號頻率越高，誤差越小；而信號頻率越低，則測量誤差越大。因此測頻法適合用于對高頻信號的測量，頻率越高，測量精度也越高。2.1.2計時法 計時法又稱為測周期法，測周期法使用被測信號來控制閘門的開閉，而將

6、標(biāo)準(zhǔn)時基脈沖通過閘門加到計數(shù)器，閘門在外信號的一個周期內(nèi)打開，這樣計數(shù)器得到的計數(shù)值就是標(biāo)準(zhǔn)時基脈沖外信號的周期值，然后求周期值的倒數(shù)，就得到所測頻率值。首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電平時間是一個信號周期T的方波信號；然后用一個一直周期T1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T1信號進行計數(shù)，如圖（2-1-2）圖 2-1-2 計時法測量原理若在T時間內(nèi)的計數(shù)值為N2,則有：T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2 N2的絕對誤差為N2=N+1N2的相對誤差為N2=(N2-N)/N=1/NT2的相對誤差為T2=(T¬2-T)/T=(N2

7、*T1-T)/T=f/f1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，而與高頻標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)信號的頻率成反比。當(dāng)f1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。 根據(jù)本設(shè)計要求的性能與技術(shù)指標(biāo)，首先需要確定能滿足這些指標(biāo)的頻率測量方法。由上述頻率測量原理與方法的討論可知，計時法適合于對低頻信號的測量，而計數(shù)法則適合于對較高頻信號的測量。但由于用計時法所獲得的信號周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運算才能得到信號頻率，而求倒數(shù)運算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路較難實現(xiàn)，因此，計時法不適合本實驗要求。測頻法的測量誤差與信號頻率成反比，信號頻率越低，測量誤差就越大，信號頻率越高，其誤差就越小。但用測

8、頻法所獲得的測量數(shù)據(jù)，在閘門時間為一秒時，不需要進行任何換算，計數(shù)器所計數(shù)據(jù)就是信號頻率。因此，本實驗所用的頻率測量方法是測頻法。整體框圖及原理 輸入電路：由于輸入的信號可以是正弦波，方波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為方波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成方波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。頻率測量：被測信號經(jīng)整形后

9、變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由石英晶體多諧振蕩器電路產(chǎn)生，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的時基信號，作為閘門開通的基準(zhǔn)時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達到了測量頻率的目的。計數(shù)顯示電路：在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字?？刂齐娐罚嚎刂齐娐沸枰刂茙讉€模塊，因而要產(chǎn)生幾個控制信號，包括計數(shù)器清零信號，鎖存器鎖存信號，換檔控制信號。通過產(chǎn)生控制信號控制所要控制的模塊，同時會產(chǎn)生清零信號和鎖存信號，使顯示器顯

10、示的測量結(jié)果穩(wěn)定。3.單元電路設(shè)計3.1放大電路設(shè)計對信號的放大功能由三極管構(gòu)成放大電路來實現(xiàn)，對信號整形的功能由施密特觸發(fā)器來實現(xiàn)。施密特觸發(fā)器電路是一種特殊的數(shù)字器件，一般的數(shù)字電路器件當(dāng)輸入起過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當(dāng)輸入小于這個閾值時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)，而施密特觸發(fā)器不是單一的閾值，而是兩個閾值，一個是高電平的閾值，輸入從低電平向高電平變化時，僅當(dāng)大于這個閾值時才為高電平，而從高電平向低電平變化時即使小于這個閾值，其仍看成為高電平，輸出狀態(tài)不這；低電平閾值具有相同的特點。有兩種方案可供選擇：（1）放大整形電路由三極管與與非門組成。三極管構(gòu)成的放大器將輸入頻率為fx 的周期信號如正

11、弦波、三角波、等進行放大。將電源電壓設(shè)為5V,當(dāng)輸入信號幅值比較大時，會出現(xiàn)線性失真，將放大后的波形幅度控制在5V以內(nèi)。與非門構(gòu)成施密特觸發(fā)器對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。（2）放大部分同方案一，整形部分是由555構(gòu)成的施密特整形電路。通過對比發(fā)現(xiàn)用與非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器因為閾值電壓易受受溫度、電源電壓及干擾的影響，穩(wěn)定性較差。而555定時器的比較器靈敏度高，輸出驅(qū)動電路大，并且且555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡單，而且抗干擾能力比用與非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器要強，因此選用方案二。3.1.1 555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器將555定時器的uI6和uI2輸入端連在一起作信號的輸入端

12、，即可組成施密特觸發(fā)器。如圖（3-1-1）所示。為了濾除高頻干擾，提高比較器參考電壓的穩(wěn)定性，通常將5腳通過0.01F電容接地。如果輸入信號電壓是一個三角波，當(dāng)uI從0逐漸增大時，若uI UCC/3時，比較器C1輸出高電平，C2輸出低電平，使基本RS觸發(fā)器置1，則輸出u0=1；若uI增加到uI2UCC/3時，比較器C1輸出低電平，C2輸出高電平，使基本RS觸發(fā)器置0，則輸出u0=0。當(dāng)uI高電平逐漸下降到UCC/3uI2UCC/3 時，比較器C1和C2輸出均為1，基本RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)，進而使u0=0不變。若uI繼續(xù)減小到uIUCC/3時，比較器C2輸出0，基本RS觸發(fā)器置1，輸出u0也隨之

13、跳為高電平1。如此連續(xù)變化，在輸出端就得到一個矩形波，其工作波形如圖（3-1-2）所示。從工作波形上可以看出：上限閾值電壓UT+=2UCC/3，下限閾值電壓UT- =UCC/3，回差電壓U=UT+ -UT- =UCC/3。如果在5腳uIC上加控制電壓，則可改變的U值?；夭铍妷篣越大，回路的抗干擾能力越強。各引腳名稱：1、GND 地2、TRI 觸發(fā)端3、OUT 輸出端 4、RST 復(fù)位端5、CON 外接控制電壓端6、THR 閾值端7、DIS 放電端8、VCC 電源端圖 3-1-1 555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器圖 3-1-2 工作波形放大整形電路圖，如圖（3-1-3）圖（3-1-3）放大整形電路3.2

14、 時基電路設(shè)計時基電路由兩部分組成，第一部分為由555多諧振蕩器電路；第二部分為分頻電路。3.2.1 555多諧振蕩器電路555定時器主要是與電阻、電容構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。這就很方便地構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路，可方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變換電路 時基電路的作用是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的時間信號，可以由555組成的振蕩器產(chǎn)生，若時間精度要求較高時，可采用晶體振蕩器。由555定時器構(gòu)成的時基電路包括脈沖產(chǎn)生電路和分頻電路兩部分。由個555定時器產(chǎn)生一個脈沖信號，將555定時器產(chǎn)生的脈沖信號送入邏

15、輯控制電路，再由邏輯控制電路送入計數(shù)器。 本設(shè)計時基電路采用的是555振蕩器產(chǎn)生1000HZ，周期為1ms的脈沖信號的電路如圖所示。如圖（3-2-1）所示。 圖 3-2-1 振蕩電路3.2.2分頻電路振蕩器產(chǎn)生1khz的脈沖，閘門時間為1s、100ms 10ms、 1ms選用4518x34作為分頻電路。4518為雙BCD加計數(shù)器，由兩個相同的同步4級計數(shù)器構(gòu)成，計數(shù)器級為D型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)，在單個運算中，EN輸入保持高電平，且在CP上升沿進位，CR線為高電平時清零。計數(shù)器在脈動模式可級聯(lián)，通過將Q³連接至下一計數(shù)器的EN輸入端可實現(xiàn)

16、級聯(lián)，同時后者的CP輸入保持低電平。分頻電路如圖（3-3）所示 圖 3-2-3 分頻電路3.3 控制電路控制電路需要控制幾個模塊，因而要產(chǎn)生幾個控制信號，包括計數(shù)器清零信號，鎖存器鎖存信號，換檔控制信號。通過產(chǎn)生控制信號控制所要控制的模塊，同時會產(chǎn)生清零信號和鎖存信號，使顯示器顯示的測量結(jié)果穩(wěn)定。電路圖如圖（3-3-1）。電圖 3-3-1 控制電路控制電路主要由74ls160、74ls139和74ls04組成，工作中由74ls160接收來自數(shù)據(jù)選擇器的分頻信號而輸出00 01 10 11四個循環(huán)信號，然后信號被74ls139譯碼器譯碼產(chǎn)生如圖2-3-2的控制信號。圖 3-3-2 控制信號信號分

17、別控制清零，鎖存，閘門，換擋。由于考慮到高低電平和上升延、下降延的跳變，在控制信號輸出時相應(yīng)的加上了非門74ls04。3.4自動換檔設(shè)計自動換擋電路部分主要由74ls192、74ls00、74ls74等元件組成，電路圖如圖3-4-1。 圖 3-4-2 自動換擋電路工作原理：自動換擋主要由計數(shù)器部分的百位和個位進位信號來進行升檔與降檔控制。升檔與降檔由74ls192完成，當(dāng)要超量程時百位和個位都有進位信號，此時74ls192的4號端被置為高電位，5號端由控制信號中的換檔信號與百位進位信號共同控制，這兩個信號所產(chǎn)生的效果由74ls00 圖中U19:A進行與非運算得到，因為此時的百位有進位信號，U1

18、9:A的2端被置成高電位，當(dāng)控制信號中的換檔信號沒有到來時74ls192的5號端被置為1，當(dāng)控制信號中的換檔信號到來時5端被置為0，控制信號結(jié)束時又被置為1，同時完74ls192輸出加一，實現(xiàn)升檔位的過程。降量程的過程與升量程的過程類似，只是此時的此時74ls192的5號端被置為高電位，4號端由控制信號中的換檔信號與個位進位信號共同控制。最終實現(xiàn)檔位變換由數(shù)據(jù)選擇器完成，數(shù)據(jù)選擇器接收192的檔位信號進行檔位選擇，檔位如下：00-1s (1-999)Hz01-0.1s (1-999)10Hz10-0.01s (1-999)100Hz 11-0.001s (1-999)KHz3.5 顯示部分電路

19、顯示部分主要由計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、七段數(shù)碼管、LED燈等組成。如圖3-5-1.圖 3-5-1 顯示部分電路3.5.1計數(shù)器電路 采用4個74LS90二-五-十進制計數(shù)器，該芯片無需額外的元器件就可實現(xiàn)十進制計數(shù)，所以首選。計數(shù)器依次從個位開始計數(shù)，向上為發(fā)出進位信號而是高位開始計數(shù)。3.5.2 鎖存電路 在確定的時間內(nèi)（如1s）,計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值.鎖存器的作用通過觸發(fā)脈沖控制.將測得的數(shù)據(jù)寄存起來,送顯示譯碼器.鎖存器可以采用8位并行輸入寄存器.為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定,采用邊沿觸發(fā)方式的器件. 選用2個8位鎖存器74LS374完成上述功能.當(dāng)鎖存信號CP的正跳變來到時

20、,鎖存的輸出等于輸入,從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端,.高電平結(jié)束后,無論D是何值,輸出端狀態(tài)保持不變,所在計數(shù)期間內(nèi),計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。3.5.3 譯碼電路 采用BCD8421集成共陰七段數(shù)碼管譯碼器74LS47。譯碼顯示器的作用是把用BCD碼表示的十進制數(shù)轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號,從而獲得數(shù)字顯示.選取顯示譯碼器時其輸出方式必須與數(shù)碼管相比配。3.6整體電路圖 4.實物制作4.1 PCB板制作1.建立原理圖。選擇元器件時，要注意元器件的封裝格式（PCB預(yù)覽）。例如選擇74ls192要注意PCB的預(yù)覽。如下圖: 選好元器件后，進行原理圖布線，如下圖所示。 2.進入PCB設(shè)計界面,自動布局,自動布線。 整體部好線后如圖由于元件過多，將所有元件放在一個電路板上，電路板過大，飛線過多，操作復(fù)雜，所以實物制作過程中采用了分模塊制作，以減小工作難度。如下圖4.2 實物展示 5.設(shè)計小結(jié)5.1設(shè)計完成情況經(jīng)過幾個周的課程設(shè)計，小組基本完成了本次設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)。由于首次接觸課程設(shè)計，很多問題都不是很懂。為了提高效率，我們小組采取集中討論，分開制作的方法。在實際的操作中，先連好時基電路，分頻電路測試通過后，再把顯示電路和計數(shù)電路連好，調(diào)測符合要求。最后搞定控制電路的連接。最后在實物電路板制作中，采用分模塊制作的方法，經(jīng)過小組成員的細心調(diào)試，它所實現(xiàn)的功能