數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) -數(shù)字頻率計(jì)

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)學(xué) 號(hào)0121409341721課 程 設(shè) 計(jì)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)題目-數(shù)字頻率計(jì)學(xué)專班姓院業(yè)級(jí)名信息工程學(xué)院電子信息工程電信 1404周成浩指導(dǎo)教師孟哲2016 年 07 月 01 日武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)摘 要在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，同時(shí)頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確的捕捉的頻率計(jì)是由 NE555產(chǎn)生時(shí)基信號(hào)，計(jì)數(shù)器 74LS90分頻、計(jì)數(shù)，74ls273觸發(fā)鎖存數(shù)據(jù)，七段共陽(yáng)數(shù)碼管作為顯示部分來(lái)顯示頻率。該設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，能夠測(cè)量 1-999Hz、1-9.99kHz幅度為 0-10V的正弦波、三角波、方波信號(hào)的頻率，在測(cè)量0-99

2、9Hz范圍幅度時(shí)精度為 1Hz，在測(cè)量0-9.99kHz范圍幅度時(shí)精度為 0.01kHz。關(guān)鍵詞：multisim、時(shí)基信號(hào)、計(jì)數(shù)器、施密特觸發(fā)器- 1 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)目 錄1.電路方案論證 31.1系統(tǒng)基本方案31.2各模塊方案論證與選擇31.2.1輸入電路設(shè)計(jì) 41.2.2時(shí)基產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) 51.2.3分頻電路設(shè)計(jì) 71.2.4邏輯控制電路設(shè)計(jì) 81.2.5計(jì)數(shù)與顯示電路模塊 92.電路仿真112.1 Multsim進(jìn)行仿真112.2仿真數(shù)據(jù)113.焊接與調(diào)試123.1焊接123.2調(diào)試124.參數(shù)測(cè)量與計(jì)算 135.心得體會(huì) 136.元件清單15參考文獻(xiàn) 16附錄

3、一 17附錄二 18- 2 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)1 電路方案論證1.1 系統(tǒng)基本原理 f=N/T，其中 f為被測(cè)信號(hào)的頻率；N為 T時(shí)間內(nèi)所累積的脈沖個(gè)數(shù)；T為計(jì)數(shù)時(shí)間。計(jì)定義來(lái)實(shí)現(xiàn)其測(cè)量的，其系統(tǒng)原理框圖如圖 1-1所示。放大電路時(shí)基電路閘門電路計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼顯示圖 1-1頻率計(jì)數(shù)器原理框圖1.2 各模塊方案論證本系統(tǒng)由輸入電路、邏輯控制電路、計(jì)數(shù)顯示電路、時(shí)基產(chǎn)生電路4大部分構(gòu)成，其工作原理為：被測(cè)頻率經(jīng)過(guò)放大、整形之后，將其變換為頻率與之相等計(jì)數(shù)；門控信號(hào)為低電平時(shí)，閘門關(guān)閉，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果通 1Hz-9.99kHz以通過(guò)調(diào)節(jié) 555定時(shí)電路的頻率改

4、變測(cè)量精度。- 3 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)1.2.1輸入電路設(shè)計(jì)整形之前由于不清楚被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱的情況，所以還要考慮信號(hào)的放大衰減處號(hào)電壓幅度較小時(shí)，則調(diào)節(jié)輸入放大增益，使被測(cè)信號(hào)得以放大。如圖 1-1-1路、74LS00與非門和基本 RS觸發(fā)器所構(gòu)成，其中 3DG100位放大器，可對(duì)周期代替此部分電路，如圖 1-1-2所示。輸入電路通過(guò)基于 multisim仿真軟件的電路仿真，可實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波到脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換，如圖 1-1-3、1-1-4所示。VCC5.0V10kU2AU2BC2U2CXFG1C1圖 1-1-1放大電路- 4 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)VCC5

5、VVCCRSTDISTHRTRICONOUTGND555_VIRTUALTimer圖 1-1-2整形電路圖 1-1-3三角波到脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換圖 1-1-4正弦波到脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換1.2.2時(shí)基產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)為獲得較為穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，以便更準(zhǔn)確地控制閘門的開啟與關(guān)閉時(shí) 555率為 1Hz的脈沖。振蕩器的頻率計(jì)算公式為：- 5 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)因此，可確定各個(gè)參數(shù)，并通過(guò)仿真得到了比較穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，這里取R1=5.1k ,R2=1k ,C=100uF。為了提高測(cè)頻精度以及顯示穩(wěn)定，這里加入了一個(gè) 10k 電位器，可改變振蕩器的輸出頻率，以改變閘門時(shí)間。時(shí)基產(chǎn)生電路，如圖 1

6、-2-1所示；所產(chǎn)生波形，如圖 1-2-2所示。VCC5VR310kKey=A83 %A2R25.1kOUTC3555_VIRTUAL1nFLED1C圖 1-2-1時(shí)基產(chǎn)生電路圖 1-2-1時(shí)基產(chǎn)生波形- 6 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)1.2.3分頻電路設(shè)計(jì)要的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)量程控制。如圖 1-3-1所示，1 Hz的時(shí)鐘脈沖，對(duì)其進(jìn)行 3次 10 10分頻器的輸出信號(hào)頻率分別為 1Hz0.1Hz0.01Hz的 3種時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。因?yàn)殚l門時(shí)間為定值（1s高電平），當(dāng)選擇未分頻的一路信號(hào)輸入時(shí)，倍率為 1。當(dāng)選擇十分頻的一路信號(hào)輸出時(shí)，倍率為 10。同理，當(dāng)選擇十分頻的一路信號(hào)輸出

7、時(shí)，倍率為 100。顯然，閘門時(shí)間應(yīng)該選擇適當(dāng)，程首先要解決的問(wèn)題是計(jì)數(shù)值的檢測(cè)，即如何知道計(jì)數(shù)值已大于該量程的上限，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的 4位 BCD碼來(lái)說(shuō)。在計(jì)數(shù)值大于 999時(shí)，最高片計(jì)數(shù)器的 QD將產(chǎn)生現(xiàn)升降量程，本方案中是用數(shù)據(jù)選擇器 74LS90實(shí)現(xiàn)的。自動(dòng)切換量程的同時(shí)必須同時(shí)切換小數(shù)點(diǎn)，否則讀數(shù)因無(wú)量程信息要很大程度上失去了意義。1415129811INAINBVCCQAQBQCQD236710R91R92GND1415129811INAINBVCCQAQBQCQD236710R91R92GND圖 1-3-1 分頻電路- 7 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)1.2.4邏輯控制電路設(shè)

8、計(jì)邏輯控制電路是本設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵和難搞的模塊，如圖1-4-1所示，主要是配74LS90的清零信號(hào)，74LS273們是通過(guò) 74LS153雙 4選一數(shù)據(jù)選擇器來(lái)選擇所要的脈沖信號(hào)即閘門信號(hào)，由74LS153接換擋電路的 A,B來(lái)對(duì)脈沖信號(hào)的選擇進(jìn)行控制。當(dāng) BA輸入 00時(shí)74LS153輸出的方波的頻率是 1Hz；當(dāng) BA輸入 01時(shí) 74LS153輸出的方波的頻率是 10Hz；當(dāng) BA輸入 10時(shí) 74LS153輸出的方波的頻率是 100Hz，當(dāng) BA輸入 11時(shí) 74LS153輸出的方波的頻率為 1000Hz。按要求只用到 1Hz1000Hz兩個(gè)檔位，然后將74LS153輸出的方波作用到控制信

9、號(hào)產(chǎn)生電路 74LS90 74LS90的 QAQB輸出的信號(hào)分別接到 74LS153的 A、BA,B所譯碼出 00,11分別完成清零，計(jì)數(shù)，鎖存和換擋的功能。同 74LS90的進(jìn)位輸出端有進(jìn)位時(shí)，說(shuō)僅僅是顯示 0數(shù)，鎖存，換擋，清零的順序依次進(jìn)行。- 8 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)VCC5V1415129811INAINBVCCQAQBQCQD23R01R026710R91R92GND74LS90D1671415129811VCC1YINAINBVCC1C01C11C21C3QAQBQCQD23R01R0210111213967102C02C12C22C32YR91R92GND74

10、LS90D14211581G2GGND512981174LS153D141INAINBVCCQAQBQCQD23R01R026710R91R92GND74LS90D1415129811INAINBVCCQAQBQCQD23R01R026710R91R92GND74LS90D圖 1-4-1邏輯控制電路1.2.5計(jì)數(shù)與顯示電路設(shè)計(jì)本模塊電路如圖 1-5-1所示，由計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器和LED顯示 4部分組成。其中 74LS90是常用的二-五-十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器。本設(shè)計(jì)要求采用 8421碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)，所以，當(dāng) R01R02=0，S01S02=0，計(jì)數(shù)脈沖從 CP1輸入，CP2接 QA，實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制功

11、能。而R01R02連接控制電路的輸出，在控制信號(hào)為高電平時(shí)，閘門開啟，計(jì)數(shù)器工作。74LS273是帶有清除端的 8D觸發(fā)器，只有在清除- 9 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)端 CLR為高電平，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳 CLK，采用上升沿鎖存。這里如果不加 74LS273測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)停止，數(shù)碼管也停止顯示。為解決這個(gè)問(wèn)題，可通過(guò)鎖存信號(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)時(shí)數(shù)碼管不顯示，計(jì)數(shù)停止后，數(shù)碼管再顯示計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果的功能。VCCU9AU75V347813141718202569121516191D2D3D4D5D6D7D8DVCC1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q7400NVCCU45V161

12、31211109VCCOAOBOCODOEOFOG7126ABCD11110CLRCLKGNDVCC74LS273N35481514LTRBI5VBI/RBOGND16131211109VCCOA7126ABCDOBOCODOEOFOGVCC354815145VLTRBIBI/RBOGND347813141718202569121516191D2D3D4D5D6D7D8DVCC1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q1111016131211109CLRCLKGNDVCCOA7126ABCDOBOCODOEOFOGVCC35481514LT5VRBIBI/RBOGND圖 1-5-1計(jì)數(shù)與顯示電路- 1

13、0 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)2 電路仿真與調(diào)試2.1 Multsim進(jìn)行仿真數(shù)字頻率計(jì)，如圖 2-1所示。圖 2-1數(shù)字頻率計(jì)部分仿真結(jié)果如下:待測(cè)頻率為 10HZ時(shí)，得如圖 2-2所示的仿真結(jié)果 1。圖 2-2仿真結(jié)果1- 11 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)待測(cè)頻率為 100HZ時(shí)，得如圖 2-3所示的仿真結(jié)果 2。圖 2-3仿真結(jié)果2不在此演示。2.2 仿真數(shù)據(jù)（表 ）表 1數(shù)字頻率計(jì)仿真數(shù)據(jù)1Hz1Hz仿真頻率值50Hz1.10kHz2.10kHz3 組裝與調(diào)試3.1 組裝這次數(shù)電實(shí)驗(yàn)電路組裝時(shí)，主要使用了面包板來(lái)連接電路，同時(shí)時(shí)基產(chǎn)生電路用了焊接的方式。3.2

14、調(diào)試(1)接入 5V電源。(2)調(diào)節(jié)電位器直到時(shí)基電路參數(shù) 1Hz的脈沖信號(hào)。(3)接入待測(cè)電路。- 12 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)4 參數(shù)測(cè)量、計(jì)算與誤差分析4.1 參數(shù)測(cè)量、計(jì)算誤差，記錄在表 2、表 3中。表 2 實(shí)測(cè)結(jié)果1測(cè)量頻率值相對(duì)誤差1Hz01.09kHz0.012.09kHz0.010表 3 實(shí)測(cè)結(jié)果2測(cè)量頻率值相對(duì)誤差200Hz0501Hz14.21kHz08.51Hz0.024.2 誤差分析從上述測(cè)量結(jié)果可以看出，此電路已達(dá)到了較高的精度。5 心得體會(huì)全新設(shè)計(jì)，構(gòu)思巧妙、電路新穎，通過(guò)多次電路制作和調(diào)試檢測(cè)，論證了本電路果顯著。學(xué)的東西的理解，明白了許多在課堂上不能明白的東西。- 13 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在科學(xué)發(fā)展中的至關(guān)重要性。間和資料有限我們更多的還是獨(dú)立思考。意義深遠(yuǎn)。- 14 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)6 元件清單100uF電容15011BSR32面包板3導(dǎo)線大量數(shù)量（個(gè)）6- 15 -武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)1 周新民.工程實(shí)踐與訓(xùn)練教程.武漢:武漢理