數(shù)電數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

武漢理工大學(xué)《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書武漢理工大學(xué)《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：通信1104指導(dǎo)教師：劉可文工作單位：武漢理工大學(xué)題目:數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)初始條件：本設(shè)計(jì)既可以使用集成脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、鎖存器、放大器、整形電路和必要的門電路等，也可以使用單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)易頻率計(jì)。用數(shù)碼管顯示頻率計(jì)數(shù)值。要求完成的主要任務(wù):（包括課程設(shè)計(jì)工作量及技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計(jì)工作量：1周。2、技術(shù)要求：1）設(shè)計(jì)一個(gè)頻率計(jì)。要求用4位7段數(shù)碼管顯示待測(cè)頻率，格式為0000Hz。2）測(cè)量頻率范圍：10~9999Hz。3）測(cè)量信號(hào)類型：正弦波、方波和三角波。4）測(cè)量信號(hào)幅值：0.5~5V。5）設(shè)計(jì)的脈沖信號(hào)發(fā)生器，以此產(chǎn)生閘門信號(hào)，閘門信號(hào)寬度為1s。6）確定設(shè)計(jì)方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計(jì)分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按《武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范》要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時(shí)間安排：1、2013年5月16日，布置課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求說明2、2013年6月28日至2013年6月30日，方案選擇和電路設(shè)計(jì)。3、2013年7月1日至2013年7月3日，電路調(diào)試和設(shè)計(jì)說明書撰寫。4、2013年7月5日，上交課程設(shè)計(jì)成果及報(bào)告，同時(shí)進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年月日目錄TOC\o"1-3"\h\u903摘要 Ⅰ13584Abstract Ⅱ306771設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 1306762方案設(shè)計(jì) 2296002.1待選方案 2193582.2方案比較 4316142.3最終方案 4176163各模塊電路的選擇及工作原理 7150923.1時(shí)基電路 729283.2邏輯控制電路 8240623.3計(jì)數(shù)器 947813.4鎖存器 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、課程設(shè)計(jì)工作量：1周。2、技術(shù)要求：1）設(shè)計(jì)一個(gè)頻率計(jì)。要求用4位7段數(shù)碼管顯示待測(cè)頻率，格式為0000Hz。2）測(cè)量頻率范圍：10~9999Hz。3）測(cè)量信號(hào)類型：正弦波、方波和三角波。4）測(cè)量信號(hào)幅值：0.5~5V。5）設(shè)計(jì)的脈沖信號(hào)發(fā)生器，以此產(chǎn)生閘門信號(hào)，閘門信號(hào)寬度為1s。6）確定設(shè)計(jì)方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計(jì)分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按《武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范》要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。2方案選擇 2.1待選方案 方案一的系統(tǒng)框圖見圖2-1。圖2-1方案一的系統(tǒng)框圖方案一的工作原理：所謂頻率，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為f=N/T。圖2-1所示是數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖。被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形電路變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)I,其頻率與被測(cè)信號(hào)的頻率相同。時(shí)基信號(hào)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)Ⅱ，其高電平持續(xù)時(shí)間t1=1s,當(dāng)1s信號(hào)到來時(shí)，閘門開通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過閘門，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，知道1s信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。若在閘門時(shí)間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則被測(cè)信號(hào)頻率為N（Hz）。邏輯控制電路的作用有兩個(gè)：一時(shí)產(chǎn)生鎖存脈沖Ⅳ，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清零脈沖Ⅴ，使計(jì)數(shù)器每次測(cè)量從0開始計(jì)數(shù)。各信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系如圖2-2。圖2-2方案一波形關(guān)系方案二的系統(tǒng)框圖見圖2-3。待測(cè)頻率方波待測(cè)頻率方波放大電路放大電路閘門電路閘門電路單片機(jī)單片機(jī)譯碼顯示譯碼顯示圖2-3方案二的系統(tǒng)框圖 方案二的工作原理：該方案通過單片機(jī)為頻率計(jì)的核心，由單片機(jī)的定時(shí)\計(jì)數(shù)器產(chǎn)生1s鐘的通過閘門信號(hào)，且同時(shí)單片機(jī)計(jì)中的定時(shí)\計(jì)數(shù)器記下該段時(shí)間的脈沖，在通過單片機(jī)計(jì)算將數(shù)據(jù)送到IO口，在通過譯碼器譯碼驅(qū)動(dòng)顯示出相應(yīng)測(cè)試出的頻率。2.2方案比較方案一：該方案由純硬件電路搭出的頻率計(jì)電路，電路復(fù)雜，計(jì)算復(fù)雜，但電路為純硬件電路不需要編程。方案二：該方案通過單片編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單，但要涉及到單片機(jī)編程。2.3最終方案 由于此次課設(shè)為數(shù)電課設(shè)，為了更好地理解和運(yùn)用數(shù)電知識(shí)，同時(shí)若要選擇單片機(jī)方案還得學(xué)習(xí)單片機(jī)，鑒于時(shí)間有限，所以選擇方案一。3各模塊電路的選擇及工作原理3.1時(shí)基電路 方案一：用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，原理如圖3-1。此課程設(shè)計(jì)中所需要的時(shí)鐘信號(hào)約為1HZ，由于555定時(shí)器內(nèi)部的比較器靈敏度高。輸出驅(qū)動(dòng)電流大，功能靈活，且采用差分電路形式，它的震蕩頻率受電源電壓和溫度的影響很小。改變R、C的值就能夠改變其頻率。所以由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器頻率穩(wěn)定且易于調(diào)節(jié)。 圖3-1555構(gòu)成的多諧振蕩器原理圖方案二：利用門電路構(gòu)成多諧振蕩器，原理如圖3-2。門電路構(gòu)成的多諧振蕩器利用RC電路的充放電特性，通過控制時(shí)間常數(shù)來產(chǎn)生方波時(shí)鐘信號(hào)。但是其穩(wěn)定度比較低，而且特性與所用門電路的特性直接掛鉤，而且輸出波形受到電源的影響特別大，不容易控制。圖3-2門電路構(gòu)成的多諧振蕩器原理圖方案選擇：經(jīng)過分析和對(duì)比設(shè)計(jì)的要求，在所需頻率較低，時(shí)基脈沖的發(fā)生選用方案一。方案一原理分析：時(shí)基電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（高電平持續(xù)時(shí)間為1s）。若振蕩器的頻率f=1（t1+t2)=0.8Hz，則振蕩器的輸出波形如圖2-2的波形Ⅱ所示，其中t1=1s,t2=0.25s。由公式t1=0.7(R1+R2)C和t2=0.7R2C，可計(jì)算出電阻R1,R2及電容C的值。若取電容C=10uf,則R2=t2/0.7C=35.7kΩ取標(biāo)稱值36kΩR1=(t1/0.7C)-R2=107kΩ取R1=47kΩ,RP=100kΩ圖3-3是時(shí)基電路原理圖。圖中接通電源后，電容被充電，當(dāng)上升到2VCC/3時(shí)，使為低電平，同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過和T放電，下降。當(dāng)下降到VCC/3時(shí)，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，將通過、向電容C充電，由VCC/3上升到2VCC/3所需的時(shí)間為當(dāng)上升到2VCC/3時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。圖3-3時(shí)基電路原理圖3.2放大整形電路 為保證測(cè)量精度，在整形電路的輸入端加以前置放大器。對(duì)幅度較低的被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大后再送入整形器整形。如3-4為整形電路原理圖。此電路采用晶體管3DG100與74LS00等組成，其中3DG100為放大器，可對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行放大再傳入整形器中對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。圖3-3放大整形原理圖3.3邏輯控制電路根據(jù)圖2-2所示的波形，在時(shí)基信號(hào)Ⅱ結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的負(fù)跳變用來產(chǎn)生鎖存信號(hào)Ⅳ，鎖存信號(hào)Ⅳ的負(fù)跳變又用來產(chǎn)生清零信號(hào)Ⅴ。脈沖信號(hào)Ⅳ和Ⅴ可由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時(shí)間常數(shù)決定。設(shè)鎖存信號(hào)Ⅳ和清零信號(hào)Ⅴ的脈沖寬度tw相同，如果要求tw=0.02s,則得tw=0.45RC=0.02s若取R=10kΩ,則C=tw/0.45R=4.4uf取標(biāo)稱值4.7uf由74LS123的功能表表3-1可得，1RD1B1、觸發(fā)脈沖從1A端輸入時(shí)，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端1Q可獲得一負(fù)脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖3.1.b所示的波形Ⅳ和Ⅴ的要求，手動(dòng)復(fù)位開關(guān)S按下時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。表3-174LS123的功能表圖3-474LS123引腳圖圖3-5邏輯控制電路原理圖3.4計(jì)數(shù)器 方案一：采用74ls161集成計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)方便，通過反饋清零法，可輕松實(shí)現(xiàn)清零功能。 方案二：采用74ls90二、五、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通過該芯片實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)十分容易，無需額外的元器件即可。 方案選擇：經(jīng)過分析和比較，我們選用放案二。方案二原理：為了提高計(jì)數(shù)速度，可采用同步計(jì)數(shù)器。采用4個(gè)74LS90D二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，該芯片無需額外的元器件就可實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)，所以首選。計(jì)數(shù)器依次從個(gè)位開始計(jì)數(shù)，向上為發(fā)出進(jìn)位信號(hào)而是高位開始計(jì)數(shù)。其特點(diǎn)是計(jì)數(shù)脈沖作為時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)接于各位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端，在每次時(shí)鐘脈沖沿到來之前，根據(jù)當(dāng)前計(jì)數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準(zhǔn)備好適當(dāng)?shù)臈l件。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖沿到來時(shí)，所有應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時(shí)翻轉(zhuǎn)，同時(shí)也使用所有應(yīng)保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時(shí)基信號(hào)的到來。時(shí)基信號(hào)由石英晶體多諧振蕩器電路產(chǎn)生，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)，作為閘門開通的基準(zhǔn)時(shí)間。被測(cè)信號(hào)通過閘門，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器即開始記錄時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，這樣就達(dá)到了測(cè)量頻率的目的.由于頻率計(jì)的測(cè)量范圍1～9999Hz，因此采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90D，它不僅可用于對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，還可用于分頻；此電路則需分頻，N位進(jìn)制計(jì)數(shù)器就是N分頻器。3.5鎖存器此處選擇上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器74Ls273。鎖存器是構(gòu)成各種時(shí)序電路的存儲(chǔ)單元電路，其具有0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持，鎖存器是一種脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。在確定的時(shí)間內(nèi)（1s）,計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值.鎖存器的作用通過觸發(fā)脈沖控制.將測(cè)得的數(shù)據(jù)寄存起來,送顯示譯碼器.鎖存器可以采用8位并行輸入寄存器.為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定,采用邊沿觸發(fā)方式的器件.在確定的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的技術(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測(cè)量的數(shù)據(jù)寄存起來，送入譯碼顯示器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器。此電路采用74LS273N鎖存器，芯片引腳如圖3-5圖所示。其作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)鎖記得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。當(dāng)1s計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，通過邏輯電路產(chǎn)生信號(hào)送入鎖存器，將此時(shí)計(jì)數(shù)的值送入譯碼顯示器。選用兩個(gè)8位鎖存器74LS273N可以完成上計(jì)數(shù)功能。當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變來到時(shí)，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計(jì)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)的Q不變。所以在計(jì)數(shù)期間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示譯碼器。圖3-5鎖存器74LS273引腳圖3.6譯碼器譯碼器是組合邏輯電路的一個(gè)重要的器件，其可以分為：變量譯碼和顯示譯碼兩類。它們的工作原理和分析設(shè)計(jì)方法大同小異，其中二進(jìn)制譯碼器、二-十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器是三種最典型，使用十分廣泛的譯碼電路。顯示譯碼器，一般是將一種編碼譯成十進(jìn)制碼或特定的編碼，并通過顯示器件將譯碼器的狀態(tài)顯示出來。本設(shè)計(jì)譯碼顯示器則采用十進(jìn)制74LS48來實(shí)現(xiàn)，圖3-6為74ls48的功能表，其作用是把BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào)，以獲得數(shù)字顯示。4各部分仿真圖圖4-1時(shí)基電路仿真圖圖4-2放大整形電路仿真圖圖4-3邏輯控制電路控制鎖存圖4-4邏輯控制電路控制鎖存和清零圖4-5總電路正弦波仿真圖圖4-6總圖三角波仿真圖5遇到的問題及體會(huì)（1）仿真過程中，由于線和節(jié)點(diǎn)太多，經(jīng)常容易連錯(cuò)，導(dǎo)致結(jié)果出不來。首先應(yīng)該認(rèn)真檢查走線，要盡量有規(guī)律地布線，這樣更清晰，也更容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。在檢查不出錯(cuò)誤時(shí)，可以用示波器逐一檢查每一部分的功能是否能實(shí)現(xiàn)，這樣就可以發(fā)現(xiàn)那一部分出現(xiàn)錯(cuò)誤，認(rèn)真檢查，這樣就可以更快地發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤。（2）在調(diào)時(shí)基電路時(shí)，按照理論值無法實(shí)現(xiàn)功能，即可能存在誤差。這就需要足夠的耐心慢慢改變電阻，觀察波形，直到對(duì)的波形出現(xiàn)。本次課程設(shè)計(jì)中，時(shí)基電路一直沒能調(diào)好，連在總電路上無法實(shí)現(xiàn)功能，說明自己還是沒有將足夠的精力和耐心放在上面，應(yīng)該用更端正的態(tài)度對(duì)待本次課程設(shè)計(jì)。（3）時(shí)基信號(hào)的信號(hào)若是0.8Hz，數(shù)碼管要顯示信號(hào)的頻率要等很長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)僅僅測(cè)試后半部分功能時(shí)，可以用函數(shù)發(fā)生器代替時(shí)基電路，將頻率調(diào)成8Hz，此時(shí)數(shù)碼管上顯示的若是信號(hào)頻率的十分之一，就說明電路可以實(shí)現(xiàn)功能。這樣可以更快地驗(yàn)證電路是否正確。（4）由于花太多時(shí)間在仿真上，最后沒時(shí)間對(duì)實(shí)物進(jìn)行調(diào)試，而且仿真沒出來實(shí)物大概也不會(huì)出來，感到很遺憾。以后要合理安排時(shí)間，最開始就靜下心來做，盡量避免一團(tuán)亂麻的情況下找錯(cuò)誤，這樣會(huì)很浪費(fèi)時(shí)間。6總結(jié)通過這次的模擬電路課程設(shè)計(jì)，不僅讓我更深入地了解了很多專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也在完成課設(shè)的過程中明白了許多道理。經(jīng)過一周的學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)，我對(duì)于數(shù)字頻率計(jì)的組成與功用有了了解與掌握，并了解掌握了芯片74LS123、74LS90、74LS00登芯片的功能與連接，并且對(duì)于譯碼顯示器、計(jì)數(shù)器與鎖存器的工作有了更深的認(rèn)識(shí)與了解。除了專業(yè)知識(shí)，我最大的感觸就是不能急于求成！電路的每一步都是互相聯(lián)系的，只有先把每一步的功能都完全弄懂，才能進(jìn)行下一步工作。仿真中更體驗(yàn)這一點(diǎn)，起初仿真一直出不來，就沒有耐心了，以為換了別的軟件可能就能出來，結(jié)果顯然是出不來。所以，遇到問題必須先思考問題出在哪，不要心浮氣躁隨便瞎改碰運(yùn)氣，這樣即使運(yùn)氣好做出來也沒有意義。再次，通過這次課程設(shè)計(jì)，我再次發(fā)現(xiàn)了團(tuán)結(jié)的驚人的力量。一個(gè)人的思維是有限的，特別是出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，大家一起討論，能想到許多自己忽略了的問題，同