自動換擋型數(shù)字頻率計設(shè)計(純數(shù)字電路)

1、電子技術(shù)課程設(shè)計實驗報告 題 目: 自動換擋型數(shù)字頻率計 專 業(yè): 級 電子信息工程 姓 名： 學(xué) 號： 同組成員： 目錄一、設(shè)計目的二、設(shè)計目標1、 整體功能要求2、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求3、 電氣指標三、方案比較四、理論分析1、 基本原理2、 整體框圖五、單元電路設(shè)計和整體電路圖1、 信號整形電路設(shè)計2、 時基電路設(shè)計3、 閘門電路設(shè)計4、 控制電路設(shè)計5、 小數(shù)點顯示電路設(shè)計6、 整體電路圖六、電路仿真結(jié)果記錄及分析七、元器件列表八、心得體會自動換擋型1HZ999KHZ數(shù)字頻率計一、 設(shè)計目的本次課程設(shè)計主要是配合模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)理論課程而設(shè)置的一門實踐性課程，起到鞏固所學(xué)知識，加強綜

2、合能力，培養(yǎng)電路設(shè)計能力，提高實驗技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。二、 設(shè)計目標1、整體功能要求頻率計主要用于測量正弦波、矩形波等周期信號的頻率值。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求數(shù)字頻率計（自動換擋）自動輸入信號顯示結(jié)果數(shù)字頻率計的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測信號為外部信號，送入測量電路進行處理、測量，自動換擋指的是超量程自動換高檔，低量程自動換低檔。 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3、電氣指標（1）被測信號波形：正弦波、矩形波。（2）被測信號的頻率范圍：1Hz999KHz，共分為4個檔位： 1Hz檔位： 1Hz999HZ10Hz檔位： 10Hz9.99KHZ100Hz檔位： 100Hz99.9KHZ1000Hz檔位：1KH

3、z999KHZ（3）測量精度：用3位數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)，用3個發(fā)光二極管表示單位，分別對應(yīng)3個高檔位。測量誤差小于10%。（4）具有自檢功能，即用儀器內(nèi)部的標準脈沖校準測量精度。（5）具有自動換擋功能，即超量程能換高檔，欠量程換低檔。三、方案比較方案一：1、 采用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ的脈沖信號，然后在通過三個十進制分頻器產(chǎn)生100HZ、10HZ、1HZ的脈沖信號，用74LS151選擇器選擇閘門信號。2、利用二輸入端四與非施密特觸發(fā)器74LS132作為控制電路產(chǎn)生清零、鎖存、計數(shù)信號來控制電路分別輸入到計數(shù)器和鎖存器的對應(yīng)端口。3、采用74LS160十進制計數(shù)器計數(shù)，送到譯

4、碼器4511BD，4511BD不僅可以把十進制譯成對應(yīng)的二進制，還具有鎖存的功能，當(dāng)計數(shù)器計數(shù)的時候數(shù)碼管就不會一直閃，等計數(shù)完成鎖存的是最終結(jié)果。4、顯示器使用三個數(shù)碼管，當(dāng)測量的頻率從999HZ升到1000HZ以后，個位數(shù)就被四舍五入了，即產(chǎn)生了誤差，而且量程越大誤差也越大。5、 自動換擋選用74160N作為自動換擋的核心，A,B,C,D四個信號輸入端全部接地信號輸入數(shù)字頻率計后，從最低擋開始計數(shù)，換擋信號由計數(shù)部分的最高位所用的74160芯片的進位輸出信號作為自動換擋部分74160芯片的CLK信號。方案二：1、采用晶體振蕩器產(chǎn)生1000HZ的脈沖信號。2、用三個JK觸發(fā)器使閘門信號發(fā)生不

5、同的延時再加上幾個非門分別產(chǎn)生清零、計數(shù)、鎖存信號。3、 把鎖存和譯碼分開，用74LS273做鎖存器、7448N做譯碼器。4、自動換擋部分仍然采用方案一的換擋方式。方案三：1、 采用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ的脈沖信號，但是采用與方案一不同的占空比可調(diào)的多諧振蕩器然后在通過三個十進制分頻器產(chǎn)生100HZ、10HZ、1HZ的脈沖信號，用74LS151選擇器選擇閘門信號。2、在設(shè)計自動換擋部分時，將計數(shù)電路和換擋電路一起考慮，設(shè)置閘門信號時，多一個信號專門用作換擋用。同時，利用芯片74192的移位寄存功能，作超量程能換高檔，欠量程換低檔的核心部分。3、把閘門信號輸?shù)?4LS160的

6、CLK端，把74160的輸出端A、B輸?shù)?4LS139的輸入端，其輸出就能產(chǎn)生計數(shù)、鎖存、換擋、清零控制信號。4、計數(shù)，鎖存，顯示，整形等部分與方案一一致。方案選擇：我們選用的是方案三。用555定時器這個芯片連接構(gòu)成振蕩器用的器件比較少，連接簡單，使用靈活、方便，而晶體振蕩器由晶體外加許多電容、電感、電阻組成，用的器件多而雜容易接錯。而兩個555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器相比，考慮到數(shù)字頻率計的實際應(yīng)用的功能拓展，需要對其占空比有所考慮，因而選用方案三的多諧振蕩器?？刂撇糠忠彩?，從設(shè)計思路方面講，方案一和方案二都是立足于“先計數(shù)再換擋”的習(xí)慣性想法，這無形中給自動換擋部分的實現(xiàn)帶來了麻煩，就是我們

7、需要在各種各樣的信號中選擇信號或者信號的組合以實現(xiàn)換擋功能。而方案三則是在開始設(shè)計時就將計數(shù)和換擋放在一起統(tǒng)一考慮，這樣能直接給換擋帶來方便。譯碼器4511BD兼有鎖存的功能，不僅減少了成本，而且使得電路結(jié)構(gòu)簡單不少，而使用其他芯片時則是只能實現(xiàn)其中一種功能，需要使用較多的芯片，而這些在實際情況里帶來的問題是延時和散熱問題。四、理論分析1、 基本原理數(shù)字頻率計用于測量正弦信號、矩形信號等周期信號波形的頻率，其概念是單位時間里的脈沖個數(shù)，如果用一個定時時間T控制一個閘門電路，時間T內(nèi)閘門打開，讓被測信號通過而進入計數(shù)譯碼，可得到被測信號的頻率fx=，若T=1秒，則fx=N。（1）控制電路原理：

8、控制電路里面要產(chǎn)生計數(shù)清零信號和鎖存控制信號，清零開始鎖存開始，清零結(jié)束計數(shù)開始，計數(shù)結(jié)束鎖存結(jié)束，控制電路還要包括自動換擋。（2）計數(shù)顯示電路原理：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。（3）小數(shù)點顯示原理：當(dāng)沒有小數(shù)點亮?xí)r表示單位為HZ，有小數(shù)點亮的時候表示單位為KHZ，當(dāng)數(shù)碼管的小數(shù)點控制端口輸入高電平時小數(shù)點自動點亮。（4）自動換擋原理 首先先設(shè)定，在顯示部分的三個顯示屏上全部為非零的數(shù)，且計數(shù)最高位的芯片74160N的進位輸出端沒有進位時，認為此時的擋位是合適的擋位。所以，超量程換高檔

9、的原理為：計數(shù)最高位的芯片74160N的進位輸出端有進位時，應(yīng)該使當(dāng)前的檔位提高一個檔位增大量程；而欠量程換低檔的原理則是：只要三個顯示器的最高位沒有顯示數(shù)字或者說僅僅是顯示0時即第二個計數(shù)器沒有進位，應(yīng)該使當(dāng)前的檔位降低一個檔位減小量程。2、 整體框圖計數(shù)器鎖存器譯碼器時鐘電路10進制分頻器顯示器整形正弦波矩形波自檢控制電路閘門1s0.001s數(shù)字頻率計原理框圖 五、單元電路設(shè)計和整體電路圖1、信號整形電路設(shè)計 由于我們設(shè)計的是要在定時時間T內(nèi)計算脈沖個數(shù)，而有些信號例如正弦信號、三角波信號就不滿足要求，所以要將這些信號整形后產(chǎn)生同頻率的方波信號才能進入閘門進行計數(shù)。我們讓信號經(jīng)過運放放大，

10、在經(jīng)過一個有555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器就可以達到整形的效果。 圖1-1 信號整形電路圖1-2 正弦波經(jīng)信號整形電路后的方波2、時基電路設(shè)計它包括兩個部分：脈沖產(chǎn)生電路和分頻電路脈沖產(chǎn)生電路：它是由555定時器和RC元件組成的振蕩器,要求其產(chǎn)生1000Hz的脈沖.圖中，和是定時電容C的充電電阻，和R4是電容C的放電電阻。當(dāng)電源接通后放電段截至，通過、和對C充電，電路翻轉(zhuǎn)時，放電導(dǎo)通，C通過、和放電。輸出端輸出矩形脈沖信號的周期為：頻率為 脈沖產(chǎn)生電路圖為圖2-1 脈沖產(chǎn)生電路 分頻電路：主要由十進制計數(shù)器74LS160組成，因為振蕩器產(chǎn)生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而

11、時基信號要求為0.001s、0.01s、0.1s和1s。脈沖信號經(jīng)過一個74LS160后就被十分頻了，我們用了三個74LS160，所以555產(chǎn)生的1kHz的信號經(jīng)過三次分頻后得到3個74LS160的輸出信號頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz。圖2-2 分頻電路3、 控制信號產(chǎn)生電路把閘門信號輸?shù)?4LS160的CLK端，把74160的輸出端A、B輸?shù)?4LS139的輸入端，其輸出就能產(chǎn)生計數(shù)、鎖存、換擋、清零控制信號。4、 閘門產(chǎn)生和換擋控制電路設(shè)計 我們是通過74LS153雙4選一數(shù)據(jù)選擇器來選擇所要的脈沖信號即閘門信號，由74LS153接換擋電路的A,B來對脈沖信號的選擇進行控制。當(dāng)B

12、A輸入00時74LS151輸出的方波的頻率是1Hz；當(dāng)BA輸入01時74LS151輸出的方波的頻率是10Hz；當(dāng)BA輸入10時74LS151輸出的方波的頻率是100Hz，當(dāng)BA輸入11時74LS151輸出的方波的頻率為1000HZ。然后將74LS151輸出的方波作用到控制信號產(chǎn)生電路的CLK端，將1Y0，1Y1，1Y2，1Y3輸出的信號分別接到相應(yīng)端口，完成控制功能。同時，如同在換擋原理中所說，計數(shù)最高位的芯片74160N的進位輸出端有進位時，應(yīng)該使當(dāng)前的檔位提高一個檔位；而只要三個顯示器的最高位沒有顯示數(shù)字或者說僅僅是顯示0時，應(yīng)該使當(dāng)前的檔位降低一個檔位。按照一個控制周期內(nèi)，計數(shù)，鎖存，換

13、擋，清零的順序依次進行。換擋的實現(xiàn)：首先必須說明,換擋電路（1）中的兩個D觸發(fā)器的應(yīng)用:當(dāng)D觸發(fā)器如下圖一樣的連接時，其輸出信號會如此變化：每一個控制周期開始時，前一個周期的清零信號使D觸發(fā)器的輸出端Q=0，=1;之后，第1個脈沖信號輸入時，Q和都會有一個跳變，分別表現(xiàn)為：Q輸出端為向上的跳變，為向下的跳變。另外，換擋電路（2）中的74192N的UP和DOWN的輸入端是上升沿觸發(fā)（1）低檔到高檔：此時計數(shù)最高位的芯片74160N的進位輸出端有進位，計數(shù)中間位的芯片74160N的進位輸出端一直有進位，這時，需要使換擋電路中的UP觸發(fā)，而不能使DOWN觸發(fā)，則決定了要使UP輸入端接的是輸出的信號，

14、因為的輸出信號在第1次進位脈沖輸入時就已經(jīng)完成了向下的跳變，而這不會使DOWN觸發(fā)。同時，在觸發(fā)之后，一直為低電平，和經(jīng)過非門的換擋信號進行與運算之后，仍然輸出為低電平。而與之相反，Q端輸出的波形完成了向上跳變，在和同樣經(jīng)過非門的換擋信號與運算后，一定會有向上的跳變，可以使UP觸發(fā)。（2）高檔換低檔：高位到低位時，計數(shù)最高位的芯片74160N和計數(shù)中間位的芯片74160N的進位輸出端都沒有進位，這時，不能使換擋電路中的UP觸發(fā)，而要使DOWN觸發(fā)。當(dāng)?shù)妮敵鲂盘栐跊]有進位脈沖輸入時就保持高電平，但在和經(jīng)過非門的換擋信號進行與運算之后，一定會有向上的跳變，可以使DOWN觸發(fā)。同時，Q的輸出信號在沒

15、有進位脈沖輸入時就保持低電平，和換擋信號進行與運算之后，仍然輸出為低電平，沒有跳變，UP沒有觸發(fā)。同時需要對74192N中各個輸入輸出端進行說明：（1） A,B,C,D四個輸入端中，C，D兩個輸入端不用，接地即可，A，B兩個輸入端則是用預(yù)先選擇檔位，圖中的A,B兩個輸入端接高電平，表示選擇1000Hz的檔位。（2） QA,QB,QC,QD四個輸出端中，QA,QB直接接到量程選擇電路中數(shù)據(jù)選擇器的A,B端，QC這樣的連接是為了當(dāng)QA, QB，QC輸出的信號組合將為為001時，保持選擇1000Hz檔位時的結(jié)果。（3） B0（或C0）中的輸出信號表示，在QA，QB為00的組合時，不出現(xiàn)11的組合形式

16、（74192N為一個16進制的可逆移位寄存器，所以，在出現(xiàn)低兩位出現(xiàn)00組合時，繼續(xù)減會出現(xiàn)11的組合）。（a） 信號選擇電路 （b）閘門產(chǎn)生電路（c）換擋電路（1）（d）換擋電路（2）圖3-1 信號選擇電路和閘門產(chǎn)生電路 閘門產(chǎn)生電路產(chǎn)生的信號如下圖所示，往下依次為計數(shù)器計數(shù)電路中的PT端控制信號波形、CLR段清零信號波形、4511鎖存端波形，波形CLR低電平的時候，計數(shù)器清零。在一個控制周期內(nèi)，計數(shù)之前對計數(shù)器進行了清零。根據(jù)4511BD的功能表可以知道，因為74160的PT端為上升沿觸發(fā)，CLR端為下降沿觸發(fā)，4511BD的LE輸入端為下降沿觸發(fā)的特點和在換擋電路對換擋信號的要求，除了清

17、零信號為，其余控制信號全部要通過一個非門之后才能實現(xiàn)其功能。圖3-2 閘門產(chǎn)生電路的輸出信號波形5、 計數(shù)、鎖存、顯示電路 如圖4所示，由于題目所要求的數(shù)碼管數(shù)量和檔位設(shè)置計數(shù)部分我們采用了三個十進制計數(shù)器74LS160，鎖存部分用了三個4511BD，顯示部分用了三個7段帶小數(shù)點的數(shù)碼管。三個74LS160的ENP和ENT端均同時接計數(shù)器CP信號，LOAD端均接高電平，CLR均接清零信號，第一個74LS160的CLK端接的是通過閘門的被測信號，而第一個74LS160的進位輸出RCO端接到第二個的CLK端，第二個的RCO端則接到第三個的CLK端。當(dāng)被測信號進入閘門接到第一個74LS160的CLK

18、端且CP為高電平時計數(shù)器開始計數(shù)，鎖存部分的4511BD兼有鎖存和譯碼的功能，LE端均接鎖存信號，BI、LT端均接高電平，4511BD的輸入端為4個二進制數(shù)通過譯碼后輸出高低不同的電平接至數(shù)碼管控制LED燈的亮與暗而使數(shù)碼管顯示不同的十進制數(shù)。圖4 計數(shù)、鎖存、顯示電路6、量程顯示電路 顯示電路主要是依靠74LS13924譯碼器的作用，當(dāng)AB的組合為00，01，10和11時，使顯示1Hz,10Hz,100Hz,1000Hz的發(fā)光二極管發(fā)光。6、 自檢電路設(shè)計各個開關(guān)分別接1KHZ、100HZ、10HZ、1HZ、待測信號，當(dāng)接到這四個閘門信號的其中一個時都可以作為自檢，只要結(jié)果顯示跟接入信號一樣

19、就說明我們的電路設(shè)計是正確的。7、 總電路圖6、 電路仿真結(jié)果記錄及分析1、 整形電路的調(diào)試輸入信號為1000Hz的正弦波信號，輸出的圖形如下：正弦波經(jīng)信號整形電路后的方波2、脈沖產(chǎn)生電路的調(diào)試 我們采用一個555定時器和RC電容電阻元件組成一個多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ的方波信號，我們用一個示波器接在555定時器的輸出端測量產(chǎn)生信號的波形，我所設(shè)置的橫坐標參數(shù)為1ms/DIV，剛好產(chǎn)生信號的周期為1ms,即f=1000HZ，所以測試結(jié)果正確。 脈沖信號波形和測量探針顯示的結(jié)果3、 分頻電路的調(diào)試 左圖表示的是1Hz的信號和10Hz信號的波形，右圖表示的是100Hz的信號和1000Hz信號的波

20、形，4、 控制電路的測試我們用邏輯分析儀測試芯片74139N的四個個輸出端的波形結(jié)果如下圖所示，能夠?qū)崿F(xiàn)計數(shù)、鎖存、換擋、清零的控制，當(dāng)計數(shù)器CP信號下降沿時鎖存信號也到達下降沿，計數(shù)、鎖存結(jié)束顯示器顯示，測量結(jié)果正常?？刂菩盘柌ㄐ?、計數(shù)、鎖存電路的測試將74160的CLR端，LD端都接高電平，3個74160級聯(lián)，構(gòu)成異步十進制計數(shù)器，同時4511的5端要接0，接好后給最低位的74160一個CP信號，讓函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個適當(dāng)頻率的方波。這樣，計數(shù)器就開始計數(shù)了。6、顯示電路的測試將4511BD的BI、LT接高電平，LE端接地，2、1、7腳均接高電平，6腳接低電平，二進制數(shù)為0111，即為

21、十進制的7，如圖測試結(jié)果顯示為十進制的七，這樣顯示器就可以應(yīng)用了顯示電路測試連接圖7、 自動換擋電路的測試 （1）、換擋電路1的測試：圖1-1 測試電路 圖1-2 左圖為初始波形，右圖為整體波形從圖中可以清楚的看到：當(dāng)D觸發(fā)器的CLK輸入端為高電平，且有進位時，Q的輸出信號有一個向上的跳變，之后一直為高電平，而為低電平。圖2-1 測試電路 圖2-2 左圖為初始波形，右圖為整體波形從圖中可以清楚的看到：當(dāng)D觸發(fā)器的CLK輸入端為低電平，且有進位時，Q的輸出信號為低電平，而有一個向上的跳變，之后一直為高電平。圖3-1 測試電路 圖3-2 左圖為初始波形，右圖為整體波形從圖中可以清楚的看到：當(dāng)D觸發(fā)

22、器的CLK輸入端為高電平，且沒有進位時，Q的輸出信號為低電平，而有一個向上的跳變，之后一直為高電平。圖4-1 測試電路 圖4-2 左圖為初始波形，右圖為整體波形從圖中可以清楚的看到：當(dāng)D觸發(fā)器的CLK輸入端低高電平，且沒有進位時，Q的輸出信號為低電平，而有一個向上的跳變，之后一直為高電平。綜上可知：如此連接電路圖時，Q只會在既有進位信號輸入，又是D觸發(fā)器的CLK為高電平時才會觸發(fā)，產(chǎn)生向上的跳變。當(dāng)CLK輸入為低電平有效時，則是與Q的情況完全相反，則用Q 的輸出信號做高檔換低檔的控制信號，的輸出信號做低檔換高檔的控制信號?？芍鹤詣訐Q擋電路1是可以實現(xiàn)預(yù)定的功能的。（2）、自動換擋電路2的測試

23、 調(diào)節(jié)各個控制開關(guān)，使R=0，“UP”接時鐘脈沖，“DOWN”和“LOAD”接高電平。仿真開始，計數(shù)器工作在十進制加法模式，由“9 0”，且在“CO”端產(chǎn)生進位信號，進位邏輯指示燈亮；重新 調(diào)節(jié)各個控制開關(guān)，使R=0，“DOWN”接時鐘脈沖，“UP”和“LOAD”接高電平。仿真開始，計數(shù)器工作在十進制減法模式，在“ 0 9”之間來回變換。7、 元器件列表：八、心得體會 經(jīng)過三個星期的努力研究，我們小組終于順利設(shè)計出了數(shù)字頻率計。這個過程當(dāng)中，每一次的小小突破，都給我們帶來巨大的喜悅，真可謂皇天不負苦心人，三個星期來的汗水沒有白流。這次課程設(shè)計給了我們一次鍛煉自己，提高自己動手和思考分析以及解決問題的能力，我們不僅收獲了