數(shù)字電路頻率計課設(shè)說明書

1、目 錄1. 設(shè)計任務及主要技術(shù)指標和要求12. 總體設(shè)計方案12.1設(shè)計思路12.2設(shè)計方案和原理框圖12.3方案比較 23. 電路設(shè)計33.1放大整形電路33.2時基電路53.3計數(shù)譯碼顯示電路83.4報警電路113.5閘門電路124. 組裝調(diào)試125. 心得體會14參考文獻15 附錄總電路圖16附錄元件清單171. 選題背景數(shù)字頻率計是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器，其功能是測量正弦信號，方波信號，尖脈沖信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量，因此已經(jīng)成為電路設(shè)計的常用器件之一，它有不可取代的地位。在電子技術(shù)中，頻率與許多電參量的測量方案，測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻

2、率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種，其中數(shù)字計數(shù)器測量頻率具有精度高，使用方便，測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是測量頻率的重要手段之一。1.1設(shè)計任務設(shè)計一個能夠測量正弦波信號頻率的電路。具體要求如下：（1）測頻范圍為0999Hz，精度為1Hz。（2）用數(shù)碼管顯示測頻結(jié)果。（3）設(shè)有超量程顯示（信號頻率>=1KHZ時）。發(fā)揮部分：進一步擴大頻率計的測評范圍，設(shè)計超量程換擋。說明：在輸入正弦波信號峰值為100mv的情況下測試2. 總體設(shè)計方案 2.1 設(shè)計思路：頻率，是單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，所以我們的設(shè)計是將輸入的信號進行放大整形之后輸入到計數(shù)器，計算出一

3、秒內(nèi)通過的脈沖數(shù)量，然后經(jīng)由譯碼器將對應的頻率通過數(shù)碼管顯示出來。2.2 設(shè)計方案和原理框圖：我們打算采用數(shù)電技術(shù)來完成設(shè)計，該數(shù)字頻率計主要由放大整形電路、閘門電路、時基電路、計數(shù)器電路、譯碼顯示電路幾部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖：被測信號X放大整型電路Y時基電路Z閘 門A計數(shù)器譯碼器七段顯碼管圖2-1 數(shù)電頻率計原理框圖從原理圖可知，被測信號X在不影響其頻率的情況下經(jīng)放大整形電路變成計數(shù)器需求的方波信號Y。由555構(gòu)成的多諧振蕩器提供標準時間基準信號Z，信號Z經(jīng)主控電路產(chǎn)生門控脈沖A，方波時基信號A作為閘門的一個輸入端，控制閘門的開放時間，被測信號X從閘門另一端輸入，被測信號頻率為f,閘門寬度為

4、T，若在閘門時間內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N，則被測信號頻率f=N/THz。邏輯控制電路的作用有兩個：一是控制4511譯碼器對顯示數(shù)據(jù)進行鎖存；二是控制計數(shù)器的清零，保證下一次計數(shù)從零開始。1）放大整形電路的選擇對信號的放大功能由三極管放大電路實現(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)器是一種特殊的數(shù)字器件，一般的數(shù)字器件當輸入超過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當輸入小于這個閾值時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)。方案一：放大電路采用TL082二級運放來實現(xiàn)，整形電路則采用4093，即帶有施密特觸發(fā)器的與非門。方案二：放大電路同樣采用TL082二級運放，在整形方面可以采用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器來達

5、成。2）時基電路的選擇方案一：時基電路的作用是產(chǎn)生一個標準的時間信號（高電平持續(xù)時間為1s）可用555構(gòu)成的多諧振蕩器作為時基電路。多諧振蕩器又稱方波發(fā)生器，電路不具有穩(wěn)定的狀態(tài)，但是具有兩個暫穩(wěn)態(tài)，當電路由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)時，其“觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部充（放）電提供的，因此無需外部觸發(fā)脈沖，電路工作就是在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，其脈寬由電阻和電容決定。用555定時器組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。其電路圖如下：圖2-2 555時基電路方案二：時基電路可用晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成。晶振頻率取32768Hz，晶振產(chǎn)生脈沖經(jīng)分頻器14級二分頻后輸出2Hz脈沖（高

6、低電平各持續(xù)1s）。2.3方案比較1）放大整形電路方案比較555定時器的靈敏度較高，輸出驅(qū)動電路大，但考慮到涉及的是簡易頻率計對精度要求不高英雌沒必要使用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，而且用4093直接整形相比而言使電路更加簡易因此選用方案一2）時基電路方案比較 方案二晶振分頻產(chǎn)生的標準時間精度要高于方案一中的555多諧振蕩器產(chǎn)生的標準時間。但是555定時器電路元件較少結(jié)構(gòu)簡單使用方便，而且由于設(shè)計要求精度不是很高，所以選用方案一。3. 電路設(shè)計本次設(shè)計電路由以下幾部分構(gòu)成：1）放大整型電路：對被測信號進行放大然后整形為方波；2）時基電路：產(chǎn)生一個高電平時長為1s的信號；3）閘門電路：通過時基

7、電路產(chǎn)生的時基信號來控制計數(shù)器的計數(shù)清零以及譯碼器的鎖存；4）計數(shù)譯碼顯示電路：計數(shù)器計算脈沖數(shù)量然后輸入到譯碼器，把十進制計數(shù)器計數(shù)結(jié)果譯成BCD碼，然后通過數(shù)碼管顯示出來。5）報警電路：在測量時如果被測信號的頻率超出量程，則會給予警示31 放大整形電路放大整形電路作用是將測試信號放大整形成相應的方波脈沖作為計數(shù)脈沖，其電路圖如圖3-1所示：圖3-1放大整形電路 放大整形電路采用TL082運算放大器，由于輸入信號幅值為100mV左右，所以這里采用雙級放大，共需放大50倍。由運放虛短虛斷性質(zhì)知：放大倍數(shù)=R2/R1*R4/R3，從而選R1=R3=10K，R2=100K，R4=50K，為保證零輸

8、入運放平衡同相輸入所接電阻取R5=R6=10K。其引腳圖以及仿真波形圖如下圖所示(波形圖由上至下依次為被測信號，一級放大，二級放大)：圖3-2 TL082引腳圖及仿真波形圖CD4093是集成施密特觸發(fā)器，它由四個2輸入端施密特觸發(fā)器電路組成。每個電路均為在兩輸入端具有施密特觸發(fā)功能的2輸入與非門。4093用于對放大器的輸出信號進行整形，使之成為對應的矩形脈沖。4093接法及仿真波形：圖3-3 4093接法及仿真波形其引腳圖為3-1-4所示：圖3-4 4093引腳圖3.2.時基電路時基電路主要產(chǎn)生1S的時基信號，這里采用了由555集成芯片構(gòu)成的多諧振蕩器集成芯片。555是一種能夠產(chǎn)生時間延遲和多

9、種脈沖信號的控制電路，是數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路。電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成多諧振蕩器，廣泛應用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。圖3-5時基電路電源接通時，555的3腳輸出高電平，同時電源通過R1、R2向電容C2充電，當C2上的電壓到達555集成電路6腳的閥值電壓（2/3電源電壓）時，555的7腳把電容里的電放掉，3腳由高電平變成低電平。當電容的電壓降到1/3電源電壓時，3腳又變?yōu)楦唠娖?，同時電源再次經(jīng)R1、R2向電容充電。這樣周而復始，形成振蕩。根據(jù)設(shè)計需要，該多諧振蕩器應輸出一個高電平持續(xù)時間T1為1s的方波信號，而低電平持續(xù)時間T2合理即可。振蕩周期T=

10、T1+T2充電時間：T1=(R1+R2)*C2*ln2放電時間：T2=R2*C2*ln2經(jīng)計算我們決定采用：R1=50K，R2=14K，C2=22F3.3計數(shù)譯碼顯示電路該部分由計數(shù)器，譯碼器，顯碼管三部分組成，總電路圖如圖：圖3-6計數(shù)譯碼顯示電路74LS160是中規(guī)模集成同步十進制加法計數(shù)器，具有異步清零和同步預置數(shù)的功能，通過置零法或置數(shù)法可以實現(xiàn)任意進制的計數(shù)，所以我們采用了74LS160作為十進制計數(shù)器。根據(jù)設(shè)計任務要求最大輸入信號頻率為999Hz，而且需要達到超量程顯示的功能故選4個74LS160計數(shù)器，其引腳及功能如圖：圖3-7 74LS160引腳圖1) RCO為進位輸出端，當計

11、數(shù)達到進位時從該端輸出信號至下一位計數(shù)器，即可達到進位計數(shù)；2) ENP和ENT為計數(shù)控制端，LOAD為同步并行置入端(低電平有效)，當它們都為高電平時計數(shù)器可以從0000開始計數(shù)直到1111然后進位；3) QA,QB,QC,QD為輸出端分別與4511譯碼器的A,B,C,D連接；4) CLK為時鐘輸入端，時基電路產(chǎn)生的時基信號和被測信號通過與非門后接入CLK，當它為高電平時開始計數(shù)低電平時停止計數(shù)；5) CLR為異步清零端(低電平有效)當它為低電平時計數(shù)器清零。表3-1 74LS160引腳及其功能圖輸入輸出CLK CLRLOADENPENTABCDQAQBQCQDX0XXXXXXX0000高1

12、0XXabcdabcdX1101XXXX保持X11X0XXXX保持高1111XXXX計數(shù)譯碼驅(qū)動電路使用CD4511。CD4511譯碼器用于驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管，它是將鎖存、譯碼、驅(qū)動三種功能集于一身的電路。CD4511引腳圖為：圖3-8 CD4511引腳圖1) AD為二進制數(shù)據(jù)輸入端；2) BL為輸出消隱控制端，低電平時各筆段均消隱；3) LE為數(shù)據(jù)鎖定控制端，高電平時鎖存，低電平時正常傳輸數(shù)據(jù)；4) LT為測試端，當輸入高電平時顯示器正常顯示，輸入低電平時顯示器一直顯示8，各筆段均被點亮，以檢測顯示器是否故障；5) VDD和VSS分別為電源端和接地端；6) ae為數(shù)據(jù)輸出端，用來控制顯示

13、器的各個筆段。其真值表如下：表3-2 CD4511真值表輸入輸出LEBLLTDCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隱01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隱0111011000000001111000000000011110100000000111110000

14、000001111110000000111XXXX鎖 存由于最大量程為999Hz，所以在顯示方面我們使用了三個七極共陰式數(shù)碼管其引腳圖如下：圖3-9七極共陰數(shù)碼管引腳圖3.4報警電路本設(shè)計要求最大顯示值為999Hz，當超出該值應有報警顯示超量程，為了簡化報警電路我們使用了一個發(fā)光二極管，為使二極管在計數(shù)器剛好計到1000時發(fā)光，應在最后一位計數(shù)器后再串行一個計數(shù)器，然后再接一個譯碼器，利用譯碼器的鎖存功能將超量程顯示與數(shù)據(jù)一起鎖存住，發(fā)光二極管接到該譯碼器的b或者c輸出端，這樣當超出量程時，譯碼器輸出對應數(shù)字1的信號，即b，c端為高電平可以將發(fā)光二極管點亮。圖3-10報警電路電路圖3.5閘門電

15、路閘門電路需要一個非門和一個與非門，與非門采用74HC00其輸入分別接整形后的被測信號和時基信號，輸出接計數(shù)器CLK腳；當時基信號輸出高電平時，閘門打開，計數(shù)器可以接收到被測信號并且開始計數(shù)，輸出低電平時閘門關(guān)閉計數(shù)器停止計數(shù)并清零。非門采用40106輸入接時基信號，輸出接譯碼器的鎖存腳LE，用來控制數(shù)據(jù)的鎖存，當其為高電平時正常計數(shù)，低電平時鎖存數(shù)據(jù)。其引腳圖如下：圖3-11 40106引腳圖圖3-12 74HC00引腳圖4. 組裝調(diào)試1.通電準備 打開電源之前，先按照系統(tǒng)原理圖檢查制作好的電路板的通斷情況，并取下電路板上的芯片，然后接通電源，用萬用表檢查板上的各點電源電壓值，確認無誤之后再

16、關(guān)掉電源，插上芯片。2.單元電路檢測1)基準時間檢測 依次用示波器檢測由555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的基準時間和輸出波形。輸出波形應為高電平寬度為1s的信號，如果波形寬度不對，則調(diào)整電容C；如果輸出時間不對，則調(diào)整R1，R2;如果無輸出波形，應對555各引腳的電平或信號波形進行檢測。2) 輸入檢測信號 從被測信號輸入端輸入幅值在100mV左右頻率為100Hz左右的正弦信號，如果電路正常，數(shù)碼管可以顯示被測信號的頻率。如果數(shù)碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號頻率，則作進一步檢測。 3) 輸入放大與整形電路檢測 用示波器同時觀測輸入信號與整形電路CD4093的輸出波形，正常情況下，可以觀測到與輸

17、入頻率一致、信號幅值為5V左右的矩形波。如觀測不到輸出波形，或觀測到的波形形狀與幅值不對，則應檢測兩級放大電路，用示波器觀察放大器TL082一二級輸出端電壓是否滿足要求，然后消除故障。 4）計數(shù)器電路的檢測 依次檢測4個計數(shù)器74ls160時鐘端的輸入波形，正常時，相鄰計數(shù)器時鐘端的波形頻率依次相差10倍。如頻率關(guān)系不一致或波形不正常，則應對計數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進行檢測。正常情況各電平值或波形應與電路中給出的狀態(tài)一致。通過檢測與分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。 5）顯示譯碼電路與數(shù)碼管顯示電路的檢測 首先檢測顯示譯碼器CD45

18、11各控制端與電源端引腳的電平，其次對LT端輸入高電平，如果數(shù)碼管顯示為8，則數(shù)碼管與譯碼器連接正常，如發(fā)現(xiàn)故障，首先檢測故障筆段與譯碼器對應引腳的連接，其次檢測數(shù)碼管各段對應引腳的電平及公共端的電平。通過檢測與分析找出故障。6）系統(tǒng)調(diào)試在放大電路輸入端加入Vpp=100mV ，f=100Hz 的正弦信號，用示波器觀察放大電路和整形電路的輸出波形，顯示應為100Hz的方波信號，顯示器上的讀數(shù)應為 100Hz 。再輸入頻率為999Hz的正弦信號，以此來確定頻率計的最大量程，以及誤差的大小。最后輸入1000Hz以上的正弦信號，以此來檢測頻率計的超量程顯示功能，如果工作正常則發(fā)光二極管會被點亮5.心

19、得體會總體來說我們這次的課程設(shè)計是比較成功的，在整個設(shè)計過程中我們也遇到了各種各樣的問題和挫折，最初，在仿真電路成功的基礎(chǔ)上我們依舊無法成功的完成設(shè)計，后來經(jīng)過我們多方查證各種資料，根據(jù)實際情況對元件和電路圖進行了數(shù)次調(diào)整和測試才徵宮的完成了我們的設(shè)計。我們的電路在總體設(shè)計上來看是比較簡潔明了的，而且在電路原理上也盡量進行了簡化，但是由于現(xiàn)實中元件的限制導致我們的實驗結(jié)果缺乏一定的精確度，不過我們還是可以滿足設(shè)計要求的準確度的，而且由于設(shè)計方面的缺陷我們設(shè)計的頻率計并不能手動控制工作，而且在報警電路的部分設(shè)計的并不完美，額外使用了一個譯碼器，造成了一定程度上的浪費，在這方面我們?nèi)孕柽M一步的改進

20、。我們的設(shè)計出現(xiàn)問題最多的地方就是時基電路的部分，我們一方面要控制時基電路輸出正確的信號，這是比較復雜的一部分，我們既要考慮到現(xiàn)實元件的限制也要考慮到實驗的需求，為了同時滿足這兩點我們不停地試驗了近十種電容和電阻的組合，最終才找到了比較完美的一種。電子技術(shù)課程設(shè)計是電子技術(shù)課程的實踐性環(huán)節(jié)，這次頻率計的設(shè)計不僅綜合了數(shù)字模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的基本理論知識，而且還需要獨立思考的能力，并要求具有較強的動手能力，因此做好這個課題設(shè)計受益非淺。下面就本次課程設(shè)計的收獲和體會做幾點總結(jié)。 在設(shè)計電路圖的過程中，對數(shù)模電相關(guān)知識進行了一次全面系統(tǒng)地復習，并通過查閱資料掌握了一些常用元器件的功能及用法。繪制電路的過程中，學習了一些重要軟件如proteus、multsim、protel的使用方法，同時也在無形中加強了分析器件、分析電路圖的能力。組裝調(diào)試過程是最費時間的一個階段，它需要我們各方面的綜合能力，對原理是不是清楚，對芯片的工作狀態(tài)是不是了解，以及分析解決問題的能力。這次的課設(shè)，讓我深深的感悟到課本上的知識只是理論，只看書思維永遠只定格在了“廣”，而無法對其真正的了如指掌，運用自