南昌航空大學(xué)數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)名稱： 數(shù)字電路課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目： 數(shù)字頻率計(jì) 學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 評(píng)分： 教師： 20 11 年 10 月 5 日 數(shù)字電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20 11 20 12 學(xué)年 第 1 學(xué)期第 1 周 2 周 題目數(shù)字頻率計(jì)內(nèi)容及要求基本要求： 采用基本數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)制作簡易數(shù)字頻率計(jì)，要求測(cè)量頻率范圍為09999Hz，測(cè)量分辨率為10Hz，并使用LED數(shù)碼管顯示。提高要求：1、討論測(cè)量誤差的形成原因并提出改進(jìn)方案2、提高測(cè)頻范圍的方案3、輸入保護(hù)4、輸入信號(hào)為正弦波、三角波、方波的情況進(jìn)度安排 1. 布置任務(wù)、

2、查閱資料、選擇方案，領(lǐng)儀器設(shè)備：第一周 2天； 2. 領(lǐng)元器件、焊接、制作：第一周 3天 3調(diào)試：第二周 2天 4. 驗(yàn)收：第二周 0.5天 5.寫報(bào)告：本學(xué)期37周學(xué)生姓名：指導(dǎo)時(shí)間2011.8.29-2011.9.10指導(dǎo)地點(diǎn)： E 樓 311室任務(wù)下達(dá)2011年 8 月 29 日任務(wù)完成2011 年 9 月 日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作 4.其它指導(dǎo)教師王忠華系（部）主任摘要 在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測(cè)量方案，測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量就顯的更為重要。測(cè)量頻率的方法有很多種，其中數(shù)字頻率計(jì)具有精度高，使用方便，測(cè)量迅速，以及便

3、于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段。數(shù)字頻率計(jì)是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要測(cè)量工具之一，同時(shí)也是其他許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測(cè)量儀器。數(shù)字頻率計(jì)是在規(guī)定的基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)把測(cè)量的脈沖數(shù)記錄下來，換算成頻率并以數(shù)字形式顯示出來。數(shù)字頻率計(jì)用于測(cè)量信號(hào)（方波，正弦波或其他周期信號(hào)）的頻率，并用十進(jìn)制數(shù)字顯示，它具有精度高，測(cè)量速度快，讀數(shù)直觀，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵字：整形電路、邏輯控制電路、譯碼顯示電路目 錄 前 言 5第一章 設(shè)計(jì)要求 6第二章 設(shè)計(jì)方案 7第三章 系統(tǒng)組成及工作原理 9第四章 單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算 104.1整形電路 104.2時(shí)基電路 104.3閥門電路 114.4邏輯控置電路

4、 114.5計(jì)數(shù)電路 124.6譯碼顯示電路 13第五章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及結(jié)果分析 14第六章 心得體會(huì)15參考文獻(xiàn) 16附錄一 17附錄二 18附錄三 19 前言 數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量儀器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量儀器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。 頻率計(jì)的基本原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置，應(yīng)用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)

5、的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱閘門時(shí)間為1秒。閘門時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門時(shí)間越長，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門時(shí)間越長則沒測(cè)一次頻率的間隔就越長。閘門時(shí)間越短，測(cè)的頻率值刷新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響。它以測(cè)量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測(cè)量。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎梢詫?duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試，比如機(jī)械振動(dòng)的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。因此，數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性

6、和速度。 集成電路的類型很多，從大的方面可以分為模擬電路和數(shù)字集成電路2大類。數(shù)字集成電路廣泛用于計(jì)算機(jī)、控制與測(cè)量系統(tǒng)，以及其它電子設(shè)備中。一般說來，數(shù)字系統(tǒng)中運(yùn)行的電信號(hào)，其大小往往并不改變，但在實(shí)踐分布上卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個(gè)特點(diǎn)。數(shù)字集成電路作為電子技術(shù)最重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品之一，已廣泛地深入到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域第一章 設(shè)計(jì)要求基本要求： 采用基本數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)制作簡易數(shù)字頻率計(jì)，要求測(cè)量頻率范圍為09999Hz，測(cè)量分辨率為10Hz，并使用LED數(shù)碼管顯示。提高要求：1、 討論測(cè)量誤差的形成原因并提出改進(jìn)方案2、 提高測(cè)頻范圍的方案3、 輸入保護(hù)4、 輸入信號(hào)為正弦波、三角波、方

7、波的情況5、 與集成信號(hào)發(fā)生器的合成主要參考元器件： 74LS390、74LS247、CD4060、74LS00、74LS74第二章 設(shè)計(jì)方案 2.1 測(cè)頻法測(cè)頻法的基本思想是：對(duì)頻率為f的周期信號(hào)，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)，對(duì)被測(cè)信號(hào)的重復(fù)周期數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)果為N時(shí)，其信號(hào)頻率為f=N/TG如圖2.1所示：被測(cè)信號(hào)f閘門信號(hào)計(jì)數(shù)值NTG圖2.1 測(cè)脈寬法的原理框圖測(cè)頻法的測(cè)量誤差與信號(hào)頻率有關(guān)：信號(hào)頻率越高，誤差越??；而信號(hào)頻率越低，則測(cè)量誤差越大。因此，測(cè)頻法適合于對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量，頻率越高，測(cè)量精度也越高。2.2 測(cè)周法首先把被測(cè)信號(hào)進(jìn)行二分頻，獲得一個(gè)高電平時(shí)間或低電平時(shí)間都是一個(gè)信號(hào)

8、周期的方波信號(hào)，然后用一個(gè)已知周期Ts的高頻方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，在一個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間內(nèi)對(duì)fs信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如圖2.2所示被測(cè)信號(hào)f信號(hào)二分頻T高頻信號(hào)fs-NTs 若在T時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值為N，則有 T=N.Ts即 f=1/T=1/N.Ts=fs/N 側(cè)周法測(cè)量的誤差與信號(hào)頻率成正比，而與高頻率標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)信號(hào)的頻率成反比。當(dāng)fs為常數(shù)時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率越低，誤差越小，測(cè)量精度也就越高。2.3方案比較：測(cè)頻法能比較直觀的測(cè)出待測(cè)信號(hào)的頻率，而測(cè)周法所獲得的信號(hào)周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運(yùn)算才能得到信號(hào)頻率，而二進(jìn)制數(shù)據(jù)的求倒數(shù)運(yùn)算中小規(guī)模數(shù)字集成電路卻較難實(shí)現(xiàn)，因此，測(cè)周法不適合本設(shè)計(jì)要求。2.4原理框圖

9、：譯碼顯示電路計(jì)數(shù)鎖存電路閥門電路時(shí)基電路邏輯控制電路圖2.3原理框圖第三章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1、整形電路 整形電路主要由一個(gè)SR鎖存器構(gòu)成，當(dāng)輸入正弦波、三角波和方波信號(hào)時(shí)輸出都為方波信號(hào)，而且輸入與輸出信號(hào)波形的周期沒有改變。3.2、時(shí)基電路時(shí)基電路由555芯片構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，其作用是產(chǎn)生一個(gè)秒信號(hào)，用來計(jì)算一秒內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，即待測(cè)信號(hào)的頻率。3.3、閥門電路 閥門電路由74LS00與非門組成，只有在秒信號(hào)到來時(shí)閥門才會(huì)開啟，此時(shí)便會(huì)對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，其他時(shí)候閥門關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。3.4、計(jì)數(shù)鎖存電路此電路由四個(gè)74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成，四個(gè)160芯片接成10000進(jìn)制計(jì)數(shù)

10、器，用來對(duì)09999Hz的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)；74LS160芯片自身有計(jì)數(shù)和保持功能，只要通過邏輯電路輸入相應(yīng)的控制信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和鎖存功能。3.5、譯碼顯示電路該電路由4片CD4511芯片構(gòu)成，對(duì)74LS160計(jì)數(shù)器的信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后對(duì)譯碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣譯碼管就能顯示出待測(cè)信號(hào)的頻率值。3.6、邏輯控制電路 邏輯控制電路的主要器件是CD4017芯片，該芯片在輸入周期脈沖信號(hào)時(shí)，其輸出端Q0-Q9會(huì)依次出現(xiàn)高電平，因而可構(gòu)成十進(jìn)制順序脈沖發(fā)生器；這樣便可產(chǎn)生計(jì)數(shù)和鎖存信號(hào)，而芯片本身具有清零功能，因而可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、鎖存和清零的循環(huán)。第四章 單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1、整形電路 整形電路圖如下：圖

11、4.1整形電路圖向輸入端輸入周期信號(hào)，在信號(hào)的正半周時(shí)，由SR鎖存器的特性表可知輸出端為高電平；在輸入信號(hào)的負(fù)半周，鎖存器的輸出為低電平；這樣就把一個(gè)周期信號(hào)轉(zhuǎn)變成了方波信號(hào)。4.2、時(shí)基電路 時(shí)基電路圖如右圖所示： 時(shí)基電路由555芯片接成多諧振蕩器，該振蕩器可產(chǎn)生秒信號(hào)。 當(dāng)直流電源接通后，電源通過R1.R2對(duì)電容C1充電。當(dāng)電容C1充電到電源電壓的2/3 VCC時(shí)，電容開始經(jīng)R2、管腳7對(duì)地放電。當(dāng)電容C1放電到電源電壓的1/3 VCC時(shí)，7腳內(nèi)部斷開，電源又開始對(duì)電容充電。如此重復(fù)上述過程，在3腳可輸出矩形波。其周期為: 圖4.2 時(shí)基電路圖 T=0.69(R1+2R2)C=0.69*

12、（120K+20K）*10uF=0.966s 4.3、閥門電路閥門電路圖如下：圖4.3閥門電路閥門電路由與非門構(gòu)成，只有在秒信號(hào)內(nèi)閥門才開啟，這時(shí)待測(cè)信號(hào)的每一個(gè)周期都會(huì)使閥門電路輸出一個(gè)高電平，送入計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)。4.4、邏輯控制電路 控制電路圖如右圖所示： 控制電路的主體是CD4017芯片，當(dāng)輸入端CP0輸入連續(xù)的周期信號(hào)時(shí)其輸出端Q0-Q9依次輸出高電平。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)秒信號(hào)到來時(shí)，Q0端為高電平，其他端都為低電平，這時(shí)Q0端的信號(hào)輸入到閥門電路，閥門開啟，進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)诙€(gè)秒信號(hào)到來時(shí)，Q1端為高電平，Q0端就為低電平，所以閥門關(guān)閉計(jì)數(shù)停止，上一秒所計(jì)的脈沖個(gè) 圖4.4 邏輯控制電路數(shù)得到

13、鎖存；當(dāng)?shù)谌齻€(gè)秒信號(hào)到來的瞬間，Q2端出現(xiàn)瞬間的高電平，Q2端端接CD4017芯片的清零端，使CD4017清零，然后又進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣便實(shí)現(xiàn)了 計(jì)數(shù)、鎖存和清零的循環(huán)。同時(shí)清零信號(hào)還會(huì)接到74LS160計(jì)數(shù)器的清零端使計(jì)數(shù)器清零。它們有3個(gè)輸入端：復(fù)位端R，時(shí)鐘端CP和CPE（也叫EN）。有十個(gè)譯碼輸出端：Q0Q9。在復(fù)位狀態(tài)時(shí)，只有Q0表現(xiàn)為高電平“1”狀態(tài)，其它端均為低電平“0”狀態(tài)。另外還有進(jìn)位輸入端CO，可作為級(jí)聯(lián)時(shí)使用。CD4017的管腳排列及真值表分別如圖4.5和表4-1所示：CPCPER輸出QN0*0N*10N100N+1110N+11*0N*10N*1Q0 圖4.5 表4-14.

14、5、計(jì)數(shù)電路 計(jì)數(shù)電路如下圖所示: 圖4.6計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)電路由4片74LS160芯片以置零法接成10000進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用來對(duì)0-9999進(jìn)行計(jì)數(shù)，脈沖信號(hào)到來時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，然后輸出到譯碼器，當(dāng)清零信號(hào)來時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)進(jìn)行清零。4.6、譯碼顯示電路 譯碼顯示電路圖如下： 圖4.7譯碼顯示電路 該電路由4片CD4511驅(qū)動(dòng)4個(gè)共陰譯碼管構(gòu)成，CD4511接受計(jì)數(shù)器的信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)譯碼管進(jìn)行顯示。（在實(shí)際制作時(shí)，數(shù)碼管要加限流電阻，不然會(huì)燒壞數(shù)碼管） CD4511是BCD鎖存/7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器。 圖4.8引腳圖CD4511引腳功能： BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)

15、是怎么樣的，七段數(shù)碼管都會(huì)處于消隱也就是不顯示的狀態(tài)。 LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。LT：3腳是測(cè)試信號(hào)的輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮全部顯示。它主要用來檢測(cè)數(shù)7段碼管是否有物理損壞。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。第五章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析本次設(shè)計(jì)所用芯片均加5V直流電壓，待測(cè)信號(hào)由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供；在上電和加待測(cè)信號(hào)后數(shù)碼管上有數(shù)字顯示，但就是不會(huì)清零。

16、這說明了計(jì)數(shù)器在正常工作，譯碼管也在正常工作，但是并沒有清零信號(hào)輸入，所以沒有進(jìn)行清零，那么問題就出在555芯片上或者是CD4017控制電路部分；如果555沒有進(jìn)行振蕩，那么便不會(huì)有清零信號(hào)產(chǎn)生，或者，如果CD4017芯片沒有正常工作的話，邏輯控制電路也不會(huì)正常產(chǎn)生清零信號(hào)。用示波器檢測(cè)各部分的輸出信號(hào)，555芯片可以產(chǎn)生方波信號(hào)，說明其在進(jìn)行振蕩，那么問題應(yīng)該是出現(xiàn)在了控制電路上面。用示波器去測(cè)CD4017，確實(shí)沒有信號(hào)輸出，這可能是芯片壞了，或者是出現(xiàn)了虛焊使得芯片沒有工作，換了一片新的CD4017芯片，然后將該芯片的各個(gè)管腳用烙鐵燙了一遍，這樣便將問題解決了；頻率計(jì)可以正常工作，但是存在

17、一定的測(cè)量誤差。誤差的來源主要是555芯片產(chǎn)生的秒信號(hào)不準(zhǔn)，秒信號(hào)有誤差，那么一秒內(nèi)所測(cè)的脈沖個(gè)數(shù)肯定會(huì)有偏差。而555多諧振蕩的周期與其所選的電阻和電容的值有著直接的聯(lián)系，改變電阻或電容的值就可改變周期的大小，而電容的值不好改變，所以串聯(lián)一個(gè)小阻值的電位器，調(diào)節(jié)電位器便能降低秒信號(hào)的誤差，也就可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。測(cè)試時(shí)，用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入方波信號(hào)時(shí)準(zhǔn)確度高些，而三角波等則誤差要偏大，這應(yīng)該是整形電路部分產(chǎn)生的誤差，輸入信號(hào)的周期與輸出信號(hào)的周期并不是一樣的，這里也存有誤差；SR鎖存器構(gòu)成的整形電路，其結(jié)構(gòu)較簡單，整形的效果也并不是特別理想。測(cè)試時(shí)還有一個(gè)明顯的問題，由于CD4511譯碼器

18、并沒有接上拉電阻，因而通過該芯片的電流較大，使得CD4511芯片發(fā)熱很明顯，而且通過數(shù)碼管的電流也很大，電路工作時(shí)間一長，LED數(shù)碼管很容易燒壞掉，所以為了保險(xiǎn)起見，接上拉電阻是很有必要的。第六章 心得體會(huì) 在上完脈沖數(shù)字電路之后，做一次課程設(shè)計(jì)是很有必要的，這樣可以將書本上的知識(shí)用于實(shí)際的應(yīng)用中去。這是一個(gè)綜合性的設(shè)計(jì)，并不是單靠某一章節(jié)的內(nèi)容就能完成的，這需要將個(gè)部分的知識(shí)連貫起來應(yīng)用才能完成設(shè)計(jì)，理論與實(shí)踐的結(jié)合，這對(duì)于工科學(xué)生是很有幫助的。首先在仿真部分就遇到了不少麻煩。整體的電路圖較以往所接觸的電路來說要復(fù)雜一些，因?yàn)闇y(cè)頻范圍09999Hz，所以本次設(shè)計(jì)所用到的芯片較多，這使得焊接會(huì)比較復(fù)雜；電路的計(jì)數(shù)、譯碼、驅(qū)動(dòng)部分都比較