數(shù)字頻率計的設(shè)計作業(yè) (2)

1、學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 所在學(xué)院：專業(yè)班級： 電子信息工程中國·、 2014年 6 月信息技術(shù)學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書 信息技術(shù) 院 專業(yè) 級，學(xué)號 075103 姓名 一、課程設(shè)計課題：二、課程設(shè)計工作日自 14 年 6 月 4日至 14 年 6 月 25 日三、課程設(shè)計進行地點： 四、 程設(shè)計任務(wù)要求： 1.課題來源: 老師下發(fā) 2.目的意義: (1)會運用電子技術(shù)課程所學(xué)到的理論知識，獨立完成設(shè)計課題。 (2)學(xué)會將單元電路組成系統(tǒng)電路的方法。 (3)熟悉中規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體顯示器件的使用方法。 (4)通過查閱手冊和文獻資料，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力。培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)

2、真工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)發(fā)展。3.基本要求: 測量信號:方波 測量頻率范圍:1Hz9999Hz; 10Hz10KHz；顯示方式:4位十進制數(shù)顯示;時基電路由555定時器及分頻器組成,555振蕩器產(chǎn)生脈沖信號,經(jīng)分頻器分頻產(chǎn)生的時基信號,其脈沖寬度分別為:1S, 0.1S; 當(dāng)被測信號的頻率超出測量范圍時,報警.課程設(shè)計評審表指導(dǎo)教師評語：成績： 簽字： 日期： 目錄 1 設(shè)計任務(wù)要求. 2 方案比較. 3單元電路設(shè)計 .  4元件選擇（要求計算元件參數(shù)）.  5整體電路（標(biāo)出原元件型號和參數(shù)、畫出必要波形圖）6說明電路工作原理 7 困難問題及解決措施.8 總結(jié)與體會9 致謝.

3、10參考文獻.1、設(shè)計任務(wù)要求 1.1 可測量方波信號頻率。 1.2 測量頻率范圍在1Hz9999Hz; 10Hz10KHz之間。 1.3 以4位十進制數(shù)顯示。 1.4 時基電路由555振蕩器產(chǎn)生脈沖信號,經(jīng)分頻器分頻產(chǎn)生時基信號,其脈沖寬為1s，0.1s。 1.5 當(dāng)被測信號的頻率超出測量范圍時,報警。 1.6 用protel設(shè)計硬件線路。 1.7 按單元電路詳細(xì)說明硬件線路設(shè)計思路，元件參數(shù)，選取根據(jù)。 1.8 要求電源電路等附屬電路也要自行設(shè)計。2、方案比較 方案一：  系統(tǒng)采用MCS51系列單片機8032作為控制核心，門控信號由8032內(nèi)部的計數(shù)定時器產(chǎn)生，單位為1 

4、1;s。由于單片機的計數(shù)頻率上限較低(12MhZ晶振時約500khz)，所以需對高頻被測信號進行硬件欲分頻處理，8032則完成運算、控制及顯示功能。由于使用了單片機，使整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展與改進。 方案二： 運用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路，使其產(chǎn)生時鐘脈沖，即為有一定頻率或周期的方波信號，再使用一個555定時器構(gòu)成的施密特電路對待測波形進行調(diào)整，無論待測信號為方波、尖頂波還是正弦波都可以調(diào)成同一周期的方波信號，然后用一個與門將兩個555產(chǎn)生的不同方波連接起來再與兩個計數(shù)器連接。因為時基電路輸出的信號為循環(huán)信號，為了得到不重復(fù)的單穩(wěn)態(tài)信號，在計數(shù)器上接

5、D觸發(fā)器，能控制計數(shù)器的正向輸出。計數(shù)器的輸出連接一個鎖存器，能將所需數(shù)字正確鎖定，最后是譯碼器和七段顯示器，顯示出正確的頻率。如果一次循環(huán)結(jié)束，將電源斷開即計數(shù)結(jié)束。 由于本課程設(shè)計要求用555定時器，所以選擇方案二。3、單元電路設(shè)計 3.1放大整形電路 放大整形電路由晶體管放大器與74LS00等組成，放大器將輸入頻率為的周期信號如正弦波、三角波等進行放大。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。放大整形電路由晶體三極管3DG100與74LS00等組成。其中3DG100組成放大器將輸入頻率為fx的周期信號如正弦波、三角波等進行放大。與非門74LS0

6、0構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進行整形，從而得到方波脈沖。3.2計頻顯示單元 這部分電路是頻率計內(nèi)作重要的電路部分，由計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、顯示器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成。 其中計數(shù)器按十進制計數(shù)，由2個異步十進制計數(shù)器74ls90構(gòu)成，一次從個位開始計數(shù)，向上位發(fā)出進位信號進而使高位開始計數(shù)。計數(shù)輸出如果電路中不接鎖存器，則顯示器上的顯示數(shù)字就會隨計數(shù)器的狀態(tài)不停地變化，要使計數(shù)器停止計數(shù)時，顯示器上的數(shù)字顯示能穩(wěn)定，就必須在計數(shù)器后接入鎖存器。鎖存器的工作是受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制的。門控信號的下降沿使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1進入暫穩(wěn)態(tài)，單穩(wěn)1的上升沿作為鎖存器的時鐘脈沖。為了使計數(shù)器穩(wěn)定、準(zhǔn)確的計

7、數(shù)，在門控信號結(jié)束后，鎖存器將計數(shù)結(jié)果鎖存。單穩(wěn)1的暫態(tài)脈沖的下降沿使單穩(wěn)2進入暫態(tài)，利用2的暫態(tài)對計數(shù)器清零，清零后的計數(shù)器又等待下一個門控信號到來重新計數(shù)。 鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時所得的數(shù)進行鎖存，使顯示器穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。1s計數(shù)時間結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號，將此時計數(shù)器的值送至數(shù)碼顯示器。選用鎖存器74LS273可以完成上述功能。當(dāng)時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D，從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。 鎖存器在一個有

8、效脈沖到來后將計數(shù)器輸出信號鎖存，并輸出到數(shù)碼管譯碼器，4片譯碼器用74LS48實現(xiàn)。3.3閘門電路 測量控制電路（閘門電路）：用于控制輸入脈沖是否送給計數(shù)器計數(shù)。 由一個數(shù)字邏輯元件與非門來獨立完成，其一端輸入高電平持續(xù)時間為1s（0.1s）的時基信號，另一端輸入經(jīng)過放大整形后的未知頻率的待測信號，與非門的輸出端接低位計數(shù)器的信號輸入端。3.4時基電路時基電路的作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)時間信號，高電平持續(xù)時間是1s，由定時器555構(gòu)成的多諧震蕩器產(chǎn)生，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間的精度要求較高時，應(yīng)通過晶體震蕩器分頻獲得。若震蕩器的頻率，其中。由公式和，可計算出電阻R1、R2及電容C的值。若取電容C=10uF，則k

9、 k所以取為36 k，為107 k。3.5邏輯控制電路主要元件參數(shù)、用途數(shù)量Dpy Red-CC共陰極數(shù)碼管474LS484線8線譯碼器474LS273鎖存器274LS90計數(shù)器474LS123邏輯控制電路274LS00與非門874LS04非門174LS160計數(shù)器1蜂鳴器報警用1555定時器生成脈沖1電阻1k，3.3k,5.1k，10k,18k，39k，47k 10 電容001,0.1,4.7,10 ,100,22009 可變電阻10K，1K32N3904三級管2高壓器電源1整流橋電源整流1L7805穩(wěn)壓三極管1開關(guān)單刀雙擲、單刀單擲2 在時基信號結(jié)束時產(chǎn)生的負(fù)跳變用來產(chǎn)生鎖存信號，鎖存信號

10、的負(fù)跳變又用來產(chǎn)生清“0”信號。脈沖信號可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LSl23產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。 設(shè)鎖存信號和清“0”信號的脈沖寬度相同，如果要求tw=0.02s ，則有tw=0.45Rx/Cx=0.02s，若取Rx=10k，則Cx=tw/0.45Rx=4.4uf，取標(biāo)稱值4.7uf,由74LSl23的功能表可得，當(dāng), 觸發(fā)脈沖從 1A端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端1Q可獲得一正脈沖端,一非Q端可獲得一負(fù)脈沖，其波形關(guān)系正好滿足要求。四、元件選擇主要元器件清單 三極管的選擇一般要考慮兩個問題：一是放大器輸入信號的幅度，放大器需要放大多少倍，其輸出才能滿足數(shù)字電路

11、的觸發(fā)電平。二是放大電路的設(shè)計。假定給出具體電路（考慮到被測頻率的高頻段頻率較高，故選用高頻管3DG，100。當(dāng)輸入信號過小時，應(yīng)增加放大器的級數(shù)。 74LS48是輸出高電平有效的譯碼器，內(nèi)部有升壓電阻，因此可以直接與顯示器相連接。為了使整數(shù)數(shù)值最前面的零不顯示，將數(shù)碼管顯示器最高位的脈沖消隱輸入接地，并將高位的脈沖消隱輸出與低位的脈沖消隱輸入相連。五、整體電路譯碼顯示器鎖存器計數(shù)器邏輯控制電路閘門電路時基電路放大整形電路 六、說明電路工作原理 所謂頻率，就是周期性信號在單位時間內(nèi)變化的次數(shù)若在一定時間間隔t內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為n，則其頻率可表示為 若在閘門時間1S內(nèi)計數(shù)器計得

12、的脈沖個數(shù)為n，則被測信號頻率等于nHz。 數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。它一般由放大整形電路、時基電路、邏輯控制電路、閘門電路、計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。其基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。計數(shù)信號并與鎖存信號和清零復(fù)位信號共同控制計數(shù)、鎖存和清零三個狀態(tài)，然后通過數(shù)碼顯示器件進行顯示。七、困難問題及解決措施 在設(shè)計的555構(gòu)成多諧振蕩器輸出的方波信號，由于電路里面使用的電容元件，在實驗的時候，隨著實驗室里面

13、溫度的變化，輸出信號的頻率也會發(fā)生變化，這是造成誤差的一個原因，為了在驗收的時候提高測量的準(zhǔn)確性，所以在測量前要調(diào)節(jié)電位器，把產(chǎn)生的方波信號接示波器，測量其輸出頻率，調(diào)節(jié)電位器，使輸出的信號非常接近1KHz，這樣的話在后面的測量中會減小誤差。在調(diào)測計數(shù)顯示電路的時候，在連接4511元件的時候忘記了將4511的5端接地，導(dǎo)致數(shù)碼管無法計數(shù)，在實驗的過程中，連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒反應(yīng)，然后通過示波器一個一個檢測元件的輸入和輸出信號，看看是不是和理論的一樣。找出不符合理論的那部分，對照電路圖進行檢查修改，最后發(fā)現(xiàn)有的芯片的使能端沒有接地，導(dǎo)致元件的功能沒有實現(xiàn)。所以在連接電路的時候要細(xì)心，這也是要改

14、進的地方。不然的話就會出現(xiàn)一個又一個的連接上面的問題。在最終測量頻率很低的時候，那么本次電路測量頻率的算法就有了一定的缺點。例如，當(dāng)被測信號為0.5Hz時，其周期為2s，這時閘門的脈沖仍為1s顯然是不行的。故應(yīng)該加寬閘門脈沖的寬度假設(shè)閘門脈沖寬度加至10S，則閘門導(dǎo)通期間可計數(shù)5次，由于計數(shù)值5是10s的計數(shù)結(jié)果，故在顯示之間必須將計數(shù)值除以10.加寬閘門信號也會帶來一些問題：計數(shù)結(jié)果要進行除以10的運算，每次測量的時間最少要10s，時間過長不符合人們的測量習(xí)慣，由于閘門期間計數(shù)值過少，測量的精度也會下降。為了克服測量低頻信號時的不足，可以使用另一種算法。將被測信號送入被測信號閘門產(chǎn)生電路，該

15、電路輸出一個脈沖信號，脈寬與被測信號的周期相等。再用閘門產(chǎn)生電路輸出的閘門信號控制閘門電路的導(dǎo)通與開斷。設(shè)置一個頻率精度較高的周期信號（例如10KHz）作為時基信號，當(dāng)閘門導(dǎo)通時，時基信號通過閘門到達計數(shù)電路計數(shù)。由于閘門導(dǎo)通時間與被測信號周期相同，則可根據(jù)計數(shù)器計數(shù)值和時基信號的周期算出被測信號的周期T。T=時基信號周期*計數(shù)器計數(shù)值。再根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關(guān)系，算出被測信號的頻率f。這里面就提供一個思想。沒有通過實踐去驗證。不可避免，這個算法也有它自己的缺陷。 還有就是從手動換擋，到只可進或只可退的自動換擋，最后改進成了可進可退的自動換擋，其中的路途是非常曲折的，主要不同的就

16、是換擋計數(shù)器的選擇，例如用了74LS160做出來的就是可進的自動換擋，用74LS192做出來的才是可進可退的自動換擋。八、總結(jié)與體會 在這次課程設(shè)計中，使我體會到了學(xué)有所用，真正把課堂上數(shù)電的知識用到了其中，讓我對數(shù)電有了跟進一步的了解，剛開課的時候都不知道模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)是干嘛的，雖然說課本上的一些理論都知道，卻也不知道有什么實用，這次的課程設(shè)計做了頻率計后，了解到了現(xiàn)在所學(xué)的東西不要自己以為現(xiàn)在沒用就不去學(xué)，其實一些知識是有很大的用處的，只是我們現(xiàn)在不知道而已，也許現(xiàn)在所學(xué)的就是自己感興趣的，看到自己親手做出來的頻率計后有種莫名的成就感，從一定程度上提高了以后學(xué)習(xí)的積極性，也使我

17、體會到了設(shè)計電路的趣味性，爭強了我對這個專業(yè)的喜歡，還有連接電路與調(diào)試電路過程中的苦與甜，連接電路的過程是一個考驗人耐心的過程不能有絲毫的馬虎和急躁，得靜下心來一根一根的去連接，不然錯一根會給后面的調(diào)試造成很大的影響，只有踏踏實實的一步一步的走，才能提高效率，最終才能成功，這次課程設(shè)計還要求我們對課外的知識也要注意積累，在這次課程設(shè)計中有幾個芯片是我們在課上沒學(xué)過的，要求我們到圖書館、網(wǎng)上去找到該芯片的使用方法，對該芯片的功能有一個深刻的理解，這樣在連電路的時候就能得心應(yīng)手，才能真正掌握電路的原理。這次課程設(shè)計還要求我們的團隊協(xié)作能力，因為這次頻率計是兩個人一起完成，為了提高效率，就得兩個一人做一塊板，兩個人先規(guī)劃好板，然后一起做，帶兩塊板都連接好后在一起來測試、調(diào)試，遇到問題時一起討論，一起思考，這樣既能培養(yǎng)我們的團隊協(xié)作能力，又能提高效率。9、 致謝致謝 通過本次課程設(shè)計，我收獲頗豐，一方面使自己各方面能力在一定程度上得到提升，另一方面是自己切身體會到數(shù)字電子技術(shù)的實用性和有效性，增加了自己對數(shù)電學(xué)習(xí)和電子制作的興趣。同時在讓我體會到了設(shè)計的艱辛的同時,更讓我體會到成功的喜悅和快樂。 本課題在選題及進行過程中得到梁老師的悉心指