數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p>　　數(shù)電課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告</p><p>　　學(xué)院： 機(jī)械與電子工程學(xué)院 </p><p>　　班級(jí)： </p><p>　　姓名： </p><p>　　學(xué)號(hào)： </p><p><

2、;b>　　指導(dǎo)老師：</b></p><p>　　2016．11.18</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)題目</b></p><p><b>　　數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)</b></p><p&g

3、t;<b>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　頻率計(jì)又稱為頻率計(jì)數(shù)器，是一種專門對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。其最基本的工作原理為：當(dāng)被測(cè)信號(hào)在特定時(shí)間段T內(nèi)的周期個(gè)數(shù)為N時(shí)，則被測(cè)信號(hào)的頻率f=N/T。</p><p>　　用中小規(guī)模數(shù)字集成電路和半導(dǎo)體顯示器件實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　頻率測(cè)量范圍：10～9

4、999Hz</p><p>　　輸入電壓幅度：300mV～3V</p><p>　　輸入信號(hào)波形：任意周期信號(hào)</p><p>　　顯示位數(shù)： 4位</p><p>　　電源： 220V50Hz</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)要求</b></p><p

5、>　　1. 系統(tǒng)工作原理說明；</p><p>　　2. 畫出系統(tǒng)電路原理圖；</p><p>　　3. 對(duì)所設(shè)計(jì)的電路全部或部分進(jìn)行仿真，使之達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求；</p><p>　　4. 寫出設(shè)計(jì)說明書。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　0綜

6、述2</b></p><p><b>　　1 方案論證4</b></p><p>　　2 原理及技術(shù)指標(biāo)5</p><p>　　3 單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算7</p><p><b>　　3.1時(shí)基電路7</b></p><p>　　3.2邏輯控制電路8

7、</p><p><b>　　3.3計(jì)數(shù)器9</b></p><p><b>　　3.4鎖存器11</b></p><p>　　3.5譯碼電路12 </p><p>　　3.6設(shè)計(jì)總圖13</p><p><b>　　4設(shè)計(jì)小結(jié)13&

8、lt;/b></p><p>　　4.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況13</p><p>　　4.2 問題及改進(jìn)14</p><p>　　4.3 心得體會(huì)14</p><p>　　摘要 </p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)是一種用十進(jìn)制數(shù)字，顯示被測(cè)信號(hào)頻率的

9、數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)以及其他各種單位時(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，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計(jì)。</p><p>　　頻率測(cè)量中直接測(cè)量的數(shù)字頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成：時(shí)基（T）電路、輸入電路、計(jì)數(shù)顯示電路以及控制電路。在一個(gè)測(cè)量周期過程中，被測(cè)周期信號(hào)在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成方波信號(hào)，加

10、到與非門的另一個(gè)輸入端上.該與非門起到主閥門的作用,在與非門第二個(gè)人輸入端上加閥門控制信號(hào),控制信號(hào)為低電平時(shí)閥門關(guān)閉,無信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器;控制信號(hào)為高電頻時(shí),閥門開啟整形后的信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器,若閥門控制信號(hào)取1s,則在閥門時(shí)間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器得到的脈沖數(shù)N就是被測(cè)信號(hào)的頻率</p><p><b>　　1 方案論證</b></p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測(cè)量周期

11、信號(hào)的頻率。頻率是單位時(shí)間（ 1S ）內(nèi)信號(hào)發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)波形計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測(cè)信號(hào)的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對(duì)穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，同時(shí)將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識(shí)別的脈沖信號(hào)，然后通過計(jì)數(shù)器計(jì)算這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計(jì)的基本原理。信號(hào)的頻率就是信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，其表達(dá)式為f=N/T，其中f為被測(cè)信

12、號(hào)的頻率，N為計(jì)數(shù)器所累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)，T為產(chǎn)生N個(gè)脈沖所需的時(shí)間。計(jì)數(shù)器所記錄的結(jié)果，就是被測(cè)信號(hào)的頻率。如在1s內(nèi)記錄1000個(gè)脈沖，則被測(cè)信號(hào)的頻率為1000HZ。</p><p><b>　　2 原理及技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　交流電信號(hào)或脈沖信號(hào)的頻率是指單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電振動(dòng)的次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)。用數(shù)學(xué)模型可表示為：f=式中f為頻率。N為電振動(dòng)次數(shù)或

13、脈沖數(shù)。T為產(chǎn)生N次電振動(dòng)或脈沖所需要的時(shí)間。</p><p>　　第一步把各種被測(cè)信號(hào)通過放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的另一必備環(huán)節(jié)是時(shí)基電路。時(shí)基電路就是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電路裝置。通常要求精確穩(wěn)定，所以采用1MHz或5MHz石英晶體振蕩器做成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)發(fā)生器。一般計(jì)數(shù)器則采用十位計(jì)數(shù)器，N進(jìn)制的計(jì)數(shù)器也就是N分頻器，其N進(jìn)位信號(hào)也可作為N分頻信號(hào)。</p><p&g

14、t;　　如圖2.1所示為數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)原理總框圖，被測(cè)量信號(hào)經(jīng)過放大與整形電路傳入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，變成矩形波信號(hào)，此時(shí)數(shù)字頻率計(jì)與被測(cè)信號(hào)的頻率相同，時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，此時(shí)利用所獲得的基準(zhǔn)信號(hào)來觸發(fā)控制電路，進(jìn)而得到一定寬度的閘門信號(hào)，計(jì)數(shù)時(shí)1S內(nèi)，閘門開通，被測(cè)量的脈沖信號(hào)通過閘門，其計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)1s至1.25S閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù),所得的數(shù)字N就是其頻率.</p><p>　　圖2.1數(shù)字頻率計(jì)

15、系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　邏輯控制電路的一個(gè)重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時(shí)基信號(hào)輸入，使計(jì)數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時(shí)間，以便觀測(cè)和讀取數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)而言之，控制電路就是通過循環(huán)打開主控門計(jì)數(shù)，關(guān)上主控門顯示，然后清零，這個(gè)過程來完成頻率的計(jì)數(shù)。控制電路如圖2.1.b所示.</p><p>　　圖2.2 邏輯控制電路</p><p><b>　

16、　3 單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1時(shí)基電路</b></p><p>　　用于獲得穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，以此來控制主控門的開啟時(shí)間，電路見 如下

17、 </p><p><b>　　圖3.1 時(shí)基電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中采取用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3.1所示。接通電源后，

18、電容被充電，當(dāng)上升到時(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，由上升到所需的時(shí)間為當(dāng)上升到時(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。其振蕩頻率為</p><p><b>　　3.2邏輯控制電路</b></p><p

19、>　　控制電路需要控制幾個(gè)模塊。包括計(jì)數(shù)電路，鎖存電路，和譯碼顯示電路。通過產(chǎn)生控制信號(hào)控制所要控制的模塊，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生清零信號(hào)和鎖存信號(hào)，使顯示器顯示的測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定.輯控制電路的作用主要是控制主控門的開啟和關(guān)閉，同時(shí)也控制整機(jī)邏輯關(guān)系。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用74LS123N組成邏輯控制電路，先啟動(dòng)脈沖置成1，其余觸發(fā)器置成0，此時(shí)時(shí)基電路傳入脈沖，控制電路開始工作。被測(cè)信號(hào)通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)電路，

20、于是計(jì)數(shù)器譯碼器開始計(jì)數(shù)，記下所測(cè)信號(hào)頻率值。</p><p>　　當(dāng)控制電路轉(zhuǎn)為其他狀態(tài)時(shí)，閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止工作，數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測(cè)頻率值。直到有一次循環(huán)，計(jì)數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失，到此為止，頻率計(jì)完成一次測(cè)量。</p><p>　　脈沖信號(hào)可由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123N產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時(shí)間常數(shù)決定。由74LS123N的功能得出，當(dāng)1、觸發(fā)脈沖從1A端輸入時(shí)，在觸

21、發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端可獲得一負(fù)脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖2.2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。邏輯控制電路如圖3.2所示：</p><p>　　邏輯控制電路圖3.2</p><p><b>　　3.3計(jì)數(shù)器</b></p><p>　　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)

22、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)。</p><p>　　被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)（矩形波或

23、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)，被測(cè)信號(hào)由閘門開通送入計(jì)數(shù)器，記錄所測(cè)信號(hào)頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測(cè)得頻率值；待閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止工作；電路則繼續(xù)工作進(jìn)行下次循環(huán)，計(jì)數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，頻率計(jì)完成一次測(cè)量。</p><p

24、><b>　　3.4鎖存器</b></p><p>　　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

25、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.</p><p>　　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。</p><p>　　此電路采用74LS273N鎖存器，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

26、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。</p><p>　　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)送到譯碼顯示器。</p><p&g

27、t;<b>　　鎖存器芯片</b></p><p><b>　　3.5譯碼電路</b></p><p>　　在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)中有多少個(gè)上升沿。在計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，此時(shí)要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字。采用七段共陽數(shù)碼管顯示,譯碼顯示器的作用是把計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào),從

28、而獲得數(shù)字顯示圖3.5</p><p>　　3.5數(shù)碼管顯示及其控制電路</p><p><b>　　3.6設(shè)計(jì)總圖</b></p><p><b>　　4設(shè)計(jì)小結(jié)</b></p><p>　　4.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況</p><p>　　通過為期一周的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)于數(shù)字頻

29、率計(jì)的組成與功用有了了解與掌握，并且對(duì)于數(shù)字頻率計(jì)的個(gè)部分電路有了各設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了論證與設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)頻率計(jì)的電路過程中對(duì)于邏輯控制電路有了更深一步的認(rèn)識(shí)，了解并掌握了芯片74LS123N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認(rèn)識(shí)與了解。</p><p><b>　　4.2 問題及改進(jìn)</b></p><p>　　連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒反應(yīng)，然后通

30、過對(duì)照電路圖進(jìn)行檢查修改，用萬用表測(cè)所有元器件接口電壓，一步一步改進(jìn)。當(dāng)閘門導(dǎo)通時(shí)，時(shí)基信號(hào)通過閘門到達(dá)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)。由于閘門導(dǎo)通時(shí)間與被測(cè)信號(hào)周期相同，則可根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和時(shí)基信號(hào)的周期算出被測(cè)信號(hào)的周期T。T=1S*計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值,所測(cè)頻率可直接表示為所測(cè)信號(hào)頻率.</p><p><b>　　4.3 心得體會(huì)</b></p><p>　　因?yàn)槭堑谝淮巫稣n程設(shè)計(jì)，

31、在拿到題目時(shí)，很茫然不知如何下手。后來通過廣泛查閱相關(guān)資料還有和同組同學(xué)的討論，總算找到了方向。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)實(shí)踐不單是將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，在設(shè)計(jì)的過程中，只擁有理論知識(shí)是不夠的。邏輯思維、電路設(shè)計(jì)的步驟和方法、考慮問題的思路和角度等也是很重要，需要我們著重鍛煉的能力。</p><p>　　通過設(shè)計(jì)也達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，了解掌握了數(shù)字電子技術(shù)的知識(shí)并應(yīng)用于實(shí)踐。培養(yǎng)了自己獨(dú)