自動換擋型數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)純數(shù)字電路

..電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目:自動換擋型數(shù)字頻率計(jì)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(jì)目的二、設(shè)計(jì)目標(biāo)整體功能要求系統(tǒng)構(gòu)造要求電氣指標(biāo)三、方案比擬四、理論分析根本原理整體框圖五、單元電路設(shè)計(jì)和整體電路圖信號整形電路設(shè)計(jì)時基電路設(shè)計(jì)閘門電路設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)小數(shù)點(diǎn)顯示電路設(shè)計(jì)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1HZ~999KHZ數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)目的本次課程設(shè)計(jì)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(shí)踐性課程，起到穩(wěn)固所學(xué)知識，加強(qiáng)綜合能力，培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)能力，提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。設(shè)計(jì)目標(biāo)1、整體功能要求頻率計(jì)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)構(gòu)造要求數(shù)字頻率計(jì)〔自動換擋〕自動輸入信號數(shù)字頻率計(jì)〔自動換擋〕自動輸入信號顯示結(jié)果圖1系統(tǒng)構(gòu)造圖3、電氣指標(biāo)〔1〕被測信號波形：正弦波、矩形波?！?〕被測信號的頻率圍：1Hz999KHz，共分為4個檔位：1Hz檔位：1Hz~999HZ10Hz檔位：10Hz~9.99KHZ100Hz檔位：100Hz~99.9KHZ1000Hz檔位：1KHz~999KHZ〔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%?！?〕具有自檢功能，即用儀器部的標(biāo)準(zhǔn)脈沖校準(zhǔn)測量精度?！?〕具有自動換擋功能，即超量程能換高檔，欠量程換低檔。三、方案比擬方案一：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(jìn)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(jì)數(shù)信號來控制電路分別輸入到計(jì)數(shù)器和鎖存器的對應(yīng)端口。3、采用74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，送到譯碼器4511BD，4511BD不僅可以把十進(jìn)制譯成對應(yīng)的二進(jìn)制，還具有鎖存的功能，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的時候數(shù)碼管就不會一直閃，等計(jì)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。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(jì)后，從最低擋開場計(jì)數(shù)，換擋信號由計(jì)數(shù)局部的最高位所用的74160芯片的進(jìn)位輸出信號作為自動換擋局部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)生不同的延時再加上幾個非門分別產(chǎn)生清零、計(jì)數(shù)、鎖存信號。把鎖存和譯碼分開，用74LS273做鎖存器、7448N做譯碼器。4、自動換擋局部仍然采用方案一的換擋方式。方案三：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(jìn)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(jì)自動換擋局部時，將計(jì)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的移位存放功能，作超量程能換高檔，欠量程換低檔的核心局部。3、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(jì)數(shù)、鎖存、換擋、清零控制信號。4、計(jì)數(shù)，鎖存，顯示，整形等局部與方案一一致。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擬少，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(jì)的實(shí)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?？刂凭植恳彩?，從設(shè)計(jì)思路方面講，方案一和方案二都是立足于"先計(jì)數(shù)再換擋〞的習(xí)慣性想法，這無形中給自動換擋局部的實(shí)現(xiàn)帶來了麻煩，就是我們需要在各種各樣的信號中選擇信號或者信號的組合以實(shí)現(xiàn)換擋功能。而方案三那么是在開場設(shè)計(jì)時就將計(jì)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，不僅減少了本錢，而且使得電路構(gòu)造簡單不少，而使用其他芯片時那么是只能實(shí)現(xiàn)其中一種功能，需要使用較多的芯片，而這些在實(shí)際情況里帶來的問題是延時和散熱問題。四、理論分析根本原理數(shù)字頻率計(jì)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閘門翻開，讓被測信號通過而進(jìn)入計(jì)數(shù)譯碼，可得到被測信號的頻率fx=，假設(shè)T=1秒，那么fx=N。〔1〕控制電路原理：控制電路里面要產(chǎn)生計(jì)數(shù)清零信號和鎖存控制信號，清零開場鎖存開場，清零完畢計(jì)數(shù)開場，計(jì)數(shù)完畢鎖存完畢，控制電路還要包括自動換擋?！?〕計(jì)數(shù)顯示電路原理：在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開場計(jì)數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計(jì)數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字。〔3〕小數(shù)點(diǎn)顯示原理：當(dāng)沒有小數(shù)點(diǎn)亮?xí)r表示單位為HZ，有小數(shù)點(diǎn)亮的時候表示單位為KHZ，當(dāng)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)控制端口輸入高電平時小數(shù)點(diǎn)自動點(diǎn)亮?！?〕自動換擋原理首先先設(shè)定，在顯示局部的三個顯示屏上全部為非零的數(shù)，且計(jì)數(shù)最高位的芯片74160N的進(jìn)位輸出端沒有進(jìn)位時，認(rèn)為此時的擋位是適宜的擋位。所以，超量程換高檔的原理為：計(jì)數(shù)最高位的芯片74160N的進(jìn)位輸出端有進(jìn)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那么是：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(jì)數(shù)器沒有進(jìn)位，應(yīng)該使當(dāng)前的檔位降低一個檔位減小量程。整體框圖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼器時鐘電路10進(jìn)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(jì)原理框圖五、單元電路設(shè)計(jì)和整體電路圖1、信號整形電路設(shè)計(jì)由于我們設(shè)計(jì)的是要在定時時間T計(jì)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(jìn)入閘門進(jìn)展計(jì)數(shù)。我們讓信號經(jīng)過運(yùn)放放大，在經(jīng)過一個有555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器就可以到達(dá)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(jì)它包括兩個局部：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(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160組成，因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時基信號要求為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(jì)數(shù)、鎖存、換擋、清零控制信號。閘門產(chǎn)生和換擋控制電路設(shè)計(jì)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(jìn)展控制。當(dāng)BA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(jì)數(shù)最高位的芯片74160N的進(jìn)位輸出端有進(jìn)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，計(jì)數(shù)，鎖存，換擋，清零的順序依次進(jìn)展。換擋的實(shí)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)器如下列圖一樣的連接時，其輸出信號會如此變化：每一個控制周期開場時，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(jì)數(shù)最高位的芯片74160N的進(jìn)位輸出端有進(jìn)位，計(jì)數(shù)中間位的芯片74160N的進(jìn)位輸出端一直有進(jìn)位，這時，需要使換擋電路中的UP觸發(fā)，而不能使DOWN觸發(fā)，那么決定了要使UP輸入端接的是輸出的信號，因?yàn)榈妮敵鲂盘栐诘?次進(jìn)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(jìn)展與運(yùn)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(yùn)算后，一定會有向上的跳變，可以使UP觸發(fā)?！?〕高檔換低檔：高位到低位時，計(jì)數(shù)最高位的芯片74160N和計(jì)數(shù)中間位的芯片74160N的進(jìn)位輸出端都沒有進(jìn)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(jìn)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(jìn)展與運(yùn)算之后，一定會有向上的跳變，可以使DOWN觸發(fā)。同時，Q的輸出信號在沒有進(jìn)位脈沖輸入時就保持低電平，和換擋信號進(jìn)展與運(yùn)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(jìn)展說明：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兩個輸入端那么是用預(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。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。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〔74192N為一個16進(jìn)制的可逆移位存放器，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)生的信號如下列圖所示，往下依次為計(jì)數(shù)器計(jì)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(jì)數(shù)器清零。在一個控制周期，計(jì)數(shù)之前對計(jì)數(shù)器進(jìn)展了清零。根據(jù)4511BD的功能表可以知道，因?yàn)?4160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(diǎn)和在換擋電路對換擋信號的要求，除了清零信號為，其余控制信號全部要通過一個非門之后才能實(shí)現(xiàn)其功能。圖3-2閘門產(chǎn)生電路的輸出信號波形計(jì)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(jì)數(shù)局部我們采用了三個十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160，鎖存局部用了三個4511BD，顯示局部用了三個7段帶小數(shù)點(diǎn)的數(shù)碼管。三個74LS160的ENP和ENT端均同時接計(jì)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(jìn)位輸出RCO端接到第二個的CLK端，第二個的RCO端那么接到第三個的CLK端。當(dāng)被測信號進(jìn)入閘門接到第一個74LS160的CLK端且CP為高電平時計(jì)數(shù)器開場計(jì)數(shù)，鎖存局部的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(jìn)制數(shù)通過譯碼后輸出上下不同的電平接至數(shù)碼管控制LED燈的亮與暗而使數(shù)碼管顯示不同的十進(jìn)制數(shù)。圖4計(jì)數(shù)、鎖存、顯示電路6、量程顯示電路顯示電路主要是依靠74LS1392—4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。自檢電路設(shè)計(jì)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就說明我們的電路設(shè)計(jì)是正確的?？傠娐穲D電路仿真結(jié)果記錄及分析整形電路的調(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(biāo)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信號的波形，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)果如下列圖所示，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)、鎖存、換擋、清零的控制，當(dāng)計(jì)數(shù)器CP信號下降沿時鎖存信號也到達(dá)下降沿，計(jì)數(shù)、鎖存完畢顯示器顯示，測量結(jié)果正常。控制信號波形5、計(jì)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(jìn)制計(jì)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(jì)數(shù)器就開場計(jì)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(jìn)制數(shù)為0111，即為十進(jìn)制的7，如圖測試結(jié)果顯示為十進(jìn)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(jìn)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(jìn)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)器的CLK輸入端為高電平，且沒有進(jìn)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(jìn)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(jìn)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，那么是與Q的情況完全相反，那么用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(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能的?！?〕、自動換擋電路2的測試調(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。仿真開場，計(jì)數(shù)器工作在十進(jìn)制加法模式，由"90〞，且在"CO〞端產(chǎn)生進(jìn)位信號，進(jìn)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。仿真開場，計(jì)數(shù)器工作在十進(jìn)制減法模式，在"09〞之間來回變換。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(jì)出了數(shù)字頻率計(jì)。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(fù)苦心人，三個星期來的汗水沒有白流。這次課程設(shè)計(jì)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