數電課程設計--數字頻率計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題 目：7 數字頻率計</p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　具備數字電子電路的理論知識；具備數字電路基本電路的設計能力；具備數字電路的基本調試手段；自選相關電子器件；可以使用實驗室儀器調試。</p>

2、;<p>　　要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　1、4位LED數字頻率顯示；；</p><p>　　2、設置一個時鐘發(fā)生器（5MHz，方波）；</p><p>　　3、測頻范圍1Hz—1MHz，誤差1Hz；</p><p>　　4、安裝調試并完成符合學校要求的設

3、計說明書；</p><p><b>　　5、設計電源；</b></p><p>　　6、焊接：采用實驗板完成，不得使用面包板。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　第十九周一周，其中3天硬件設計，2天硬件調試</p><p>　　指導教師簽名：

4、 2012年 5 月 30日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1設計背景3</b></p><p>　　1.1了解數字電路

5、系統(tǒng)的定義及組成3</p><p>　　1.2掌握時鐘電路的作用及基本構成3</p><p><b>　　2設計方案5</b></p><p>　　2.1方案設計與論證5</p><p>　　2.2單元模塊功能分析7</p><p>　　2.2.1時基電路7</p>&l

6、t;p>　　2.2.2放大整形電路8</p><p>　　2.2.3計數器9</p><p>　　2.2.4數碼顯示電路9</p><p>　　2.2.5整體設計電路圖及原理分析10</p><p><b>　　3仿真結果12</b></p><p><b>　　4實物圖

7、展示13</b></p><p>　　5設計心得體會14</p><p><b>　　6參考文獻15</b></p><p>　　7本科生課程設計成績評定表16</p><p><b>　　附錄17</b></p><p><b>　　1設計背

8、景</b></p><p>　　1.1了解數字電路系統(tǒng)的定義及組成</p><p>　　數字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號轉換成數字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如數字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數字電路可以處理的數字信號。模擬信號則需要通過模數轉換電路轉換成數字信號再進行處理。在設計輸

9、入電路時，必須首先了解輸入信號的性質，接口的條件，以設計合適的輸入接口電路。</p><p>　　1.2掌握時鐘電路的作用及基本構成</p><p>　　時鐘電路是數字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的 555 多諧振蕩電路，數字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于

10、時鐘電路。設計時鐘電路，應根據系統(tǒng)的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結合產生系統(tǒng)所需的各種時鐘脈沖。</p><p><b>　　2設計方案</b></p><p>　　數字頻率計是一種用數字顯示的頻率測量儀表，它不僅可以測量正弦信號、方波信號和尖脈沖信號的頻率，而且還能對其他多種物理量的變化頻率進行測量，諸如機械振動次數，物體轉動速度，明暗變化的閃光次

11、數，單位時間里經過傳送帶的產品數量等等，這些物理量的變化情況可以有關傳感器先轉變成周期變化的信號，然后用數字頻率計測量單位時間內變化次數，再用數碼顯示出來。</p><p>　　2.1方案設計與論證</p><p>　　交流電信號或脈沖信號的頻率是指單位時間內產生的電振動的次數或脈沖個數。用數學模型可表示為：</p><p><b>　　f=</b&

12、gt;</p><p>　　式中f——頻率。N——電振動次數或脈沖數。t——產生N次電振動或脈沖所需要的時間。</p><p>　　首先必須把各種被測信號通過放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數字信號，以便于計數器計數。實現(xiàn)頻率測量的另一必備環(huán)節(jié)是時基電路。所謂時基電路，就是產生時間標準信號的電路裝置。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準時間信號發(fā)生器。一般計數器則

13、采用十位計數器，N進制的計數器也就是N分頻器，其N進位信號也可作為N分頻信號。</p><p>　　如圖2.1.1所示為數字頻率計系統(tǒng)原理總框圖，被測量信號經過放大與整形電路傳入十進制計數器，變成其所要求的信號，此時數字頻率計與被測信號的頻率相同，時基電路提供標準時間基準信號，此時利用所獲得的基準信號來觸發(fā)控制電路，進而得到一定寬度的閘門信號，當1s信號傳入時，閘門開通，被測量的脈沖信號通過閘門，其計數器開始計數

14、，當1s信號結束時閘門關閉，停止計數。根據公式得被測信號的頻率f=NHz。</p><p>　　圖2.1.1 數字頻率計數器原理框圖</p><p>　　邏輯控制電路的一個重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時基信號輸入，使計數器顯示的數字停留一段時間，以便觀測和讀取數據。簡而言之，控制電路的任務就是打開主控門計數，關上主控門顯示，然后清零，這個過程不斷重復進行?？刂齐娐啡鐖D2.1.2

15、所示：</p><p>　　圖2.1.2邏輯控制電路</p><p>　　2.2單元模塊功能分析</p><p><b>　　2.2.1時基電路</b></p><p>　　為了獲得較為穩(wěn)定的時間基準信號，以便準確的控制主控門的開啟時間，其電路見圖2.2.1所示：</p><p>　　圖2.2.1

16、 時基電路</p><p>　　本設計采取用555定時器組成的多諧振蕩器如圖3.3所示。接通電源后，電容被充電，當上升到時，使為低電平，同時放電三極管T導通，此時電容C通過和T放電，下降。當下降到時，翻轉為高電平。電容器C放電所需的時間為</p><p>　　當放電結束時，T截止，將通過、向電容C充電，由上升到所需的時間為</p><p>　　當上升到時，電路又翻轉

17、為低電平。如此周而復始，于是在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為</p><p>　　2.2.2放大整形電路</p><p>　　為保證測量精度，在整形電路的輸入端加一前置放大器。對幅值較低的被測信號經放大后再送入整形器整形。</p><p>　　此電路采用LM555CN芯片組成，可對周期信號進行放大再傳入整形器中對信號進行整形。</p>

18、<p>　　圖2.2.2 555放大整形電路</p><p><b>　　2.2.3計數器</b></p><p>　　為了提高計數速度，可采用同步四位十進制計數器。其特點是計數脈沖作為時鐘信號同時接于各位觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端，在每次時鐘脈沖沿到來之前，根據當前計數器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準備好適當的條件。當計數脈沖沿到來時，所有應翻轉的觸發(fā)器同時

19、翻轉，同時也使用所有應保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。由于頻率計的測量范圍1HZ～1MHz，因此采用十進制計數器74LS90。</p><p>　　圖2.2.3 計數器</p><p>　　2.2.4數碼顯示電路</p><p>　　通過74LS48譯碼器和七段共陰數碼管組成電路的數碼顯示。</p><p>　　圖2.2.4 數碼顯示電路<

20、;/p><p>　　2.2.5整體設計電路圖及原理分析</p><p>　　在多諧振蕩器中，電路從暫穩(wěn)態(tài)過渡帶另一個狀態(tài)，其“觸發(fā)”信號是由電路內部電容充（放）電提供的，因此無需外部觸發(fā)脈沖。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間是脈沖電路的主要參數，它與電路的阻容原件取值有關。電路中RC電路充、放電過程對相應門輸入電平的影響是分析電路的關鍵。</p><p>　　圖中根據課題要求，電路采用

21、555定時器組成的多諧振蕩器，為獲得較為穩(wěn)定的時間基準信號，用來準確的控制主控門的開啟時間。被測信號首先通過放大整形電路進行整形，使其得到所需的整形信號，晶體振蕩器的輸出信號經整形和分頻器逐級分頻后，可獲得各種時間基準。</p><p>　　計數器是最常用的時序電路之一，計數器的種類不勝枚舉，按觸發(fā)器動作分類，可分為同步計數器和異步計數器；按計數數值增減分類，可分為加計數器、減計數器和可逆計數器；按編碼分類，又可

22、分為二進制碼計數器、BCD碼技術區(qū)、循環(huán)碼計數器。此設計采用十進制計數器進行計數。通過時基選擇開關，將所選用的時基信號作為控制電路的觸發(fā)信號（用8位寄存器，實際上就是觸發(fā)器構成的計數器，它可以循環(huán)位移一個1電平，也可以循環(huán)位移一個0電平）,再將信號傳入邏輯控制電路中，控制電路輸出接往主控門，該輸出端僅在所選時間基準內維持高電平，使主控門開啟，被測信號在采樣時間內通過主控門，進入十進制計數器計數，計數器數值由數字顯示器在數字頻率計面板上顯

23、示出來。此即為所測信號之頻率值。</p><p>　　圖2.2.5 整體設計電路圖</p><p><b>　　3仿真結果</b></p><p>　　此數字頻率計數器由輸入整形電路、分頻器及量程選擇開關、門控電路、閘門、計數譯碼顯示電路等組成。被測信號(以正弦波為例)通過放大、整形電路將其轉換成同頻率的脈沖信號，被測量的脈沖通過閘門進入到計

24、數器進行計數。邏輯控制電路是控制計數器的工作順序的，使計數器按照一定的工作程序進行有條理的工作(例如準備——計數——顯示——清零——準備下一次測量)。</p><p>　　通過顯示器顯示的數據，可以測出脈沖的個數N，通過時基電路以及分頻電路可以得到在時間段T內，被測信號發(fā)生的脈沖個數N，從而可以通過計算得到脈沖頻率f1，被測信號的原頻率為f，得誤差W=(f1-f)/f.測的誤差小于10%。</p>

25、<p><b>　　圖3 仿真結果</b></p><p><b>　　4實物圖展示</b></p><p><b>　　圖5 實物圖</b></p><p>　　由于芯片較多，在連接實物時很費時費力，常常弄錯引腳的接線。在實物做成后的調試中，由于74LS90焊接不好導致接觸不良，數碼管

26、顯示不正常。經過調試依然無法得到預期的結果。</p><p><b>　　5設計心得體會</b></p><p>　　課程設計是我們學習過程中一個十分重要的環(huán)節(jié)，是鍛煉我們運用所學知識正確分析和解決實際問題的一個重要方面，也是培養(yǎng)應用型專門人才的要求。這次的畢業(yè)設計，主要強調我們能夠利用所學的知識來裝配電路。通過本次設計,不但使我們鞏固了書本上所學的知識,而且也學到了

27、很多書本外的知識,同時也加強和鍛煉了自己的動手能力,為以后參加工作奠定了牢固的基礎。同時利用無限的網絡資源更加準確的各個元件的功能、作用。</p><p>　　經過此次的課程設計，使我學會了仿真軟件Proteus的一些基本使用方法，我能和我的組員一起討論我們的課題，共同研討設計方案，選定設計器件及電路，并進行一些簡單的調試，通過網絡查找資料，并結合課內所學的知識進行綜合性的分析與評估。我們組使用了仿真軟件Prot

28、eus，選定了包括74LS90N、LM555CN、74LS48、共陰晶體管等等器件。</p><p>　　在實物調試時，數碼管顯示的示數與仿真結果不符。</p><p><b>　　6參考文獻</b></p><p>　　[1] 童詩白.模擬電子技術基礎（第四版）[M].北京：高教出版社，2006</p><p>　　

29、[2] 閻石.數字電子技術基礎（第五版）[M]. 北京：高教出版社，2006</p><p>　　[3] 金唯香,謝玉梅.電子測試技術[M]. 湖南：湖南大學出版社，2008</p><p>　　[4] 葉青.微機原理與接口技術[M]. 北京：清華大學出版社，2011</p><p>　　[5] 曾喆昭.信號與系統(tǒng)[M]. 湖南：湖南大學出版社，2010&l

30、t;/p><p>　　[6] 邱關源,羅先覺. 電路[M].北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　7本科生課程設計成績評定表</p><p>　　指導教師簽字： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　附錄</b>&l

31、t;/p><p>　　74LS90功能：十進制計數器（÷2 和÷5） </p><p>　　原理說明：本電路是由4 個主從觸發(fā)器和用作除2 計數器及計數周期長度為除5 的3 位2 進制計數器所用的附加選通所組成。有選通的零復位和置9 輸入。為了利用本計數器的最大計數長度（十進制），可將B 輸入同QA 輸出連接，輸入計數脈沖可加到輸入A 上，此時輸出就如相應的功能表上所要求