南京邮电大学课程教学设计报告-简单数字频率计(步骤详细).doc

/*目录第一章 技术指标1.1整体功能要求1.2系统结构要求1.3电气指标1.4扩展指标1.5设计条件第二章 整体方案设计2.1 算法设计2.2 整体方框图及原理第三章 单元电路设计3.1 时基电路设计3.2闸门电路设计3.3控制电路设计3.4 小数点显示电路设计3.5整体电路图3.6整机原件清单第四章 测试与调整4.1 时基电路的调测4.2 显示电路的调测4-3 计数电路的调测4.4 控制电路的调测4.5 整体指标测试第五章 设计小结5.1 设计任务完成情况5.2 问题及改进5.3心得体会第一章 技术指标1. 整体功能要求频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。2. 系统结构要求数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目-频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。测量电路被测信号 显示电路档位转换数字频率计整体方案结构方框图3. 电气指标3.1被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。3.2 测量频率范围：分三档：1Hz999Hz0.01kHz9.99kHz0.1kHz99.9kHz3.3 测量周期范围：1ms1s。3.4 测量脉宽范围：1ms1s。3.5 测量精度：显示3位有效数字（要求分析1Hz、1kHz和999kHz的测量误差）。3.6当被测信号的频率超出测量范围时,报警.4.扩展指标要求测量频率值时，1Hz99.9kHz的精度均为+1。5.设计条件5.1 电源条件：+5V。5.2 可供选择的元器件范围如下表型号名称及功能数量CD4093具有施密特触发功能的四2输入与非门1片741518选1数据选择器2片74153双4选1数据选择器2片7404六反向器1片4518十进制同步加/减计数器2片7400四2输入与非门2片CD40294位二进制/十进制加减计数器3片C392数码管3片4017十进制计数器/脉冲分配器1片45114线七段所存译码器/驱动器3片74132四2输入与非门（有施密特触发器1片10K电位器1片电阻电容若干拨盘开关1个门电路、阻容件、发光二极管和转换开关等原件自定。第二章 整体方案设计2.1 算法设计频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。计数电路闸门输入电路闸门产生显示电路被测信号 图2-2 频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测信号的周期量误差在10 量级，则要求闸门信号的精度为10 量级。例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10 ，闸门信号的误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不会超过1，符合5*10 的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在5*10 范围内。2.2 整体方框图及原理输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。频率测量：测量频率的原理框图如图2-3.测量频率共有3个档位。被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号由RC振荡电路构成一个较稳定的多谐振荡器，经4093整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。周期测量：测量周期的原理框图2-4.测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。时基电路：时基信号由4093、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC重复周期为 T=T1+T2 。由于被测信号范围为1Hz1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档： 1Hz999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1ms、0.1ms、0.01ms。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。在实验中我们采用的就是前一种方案。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。使得能够产生10kHz的信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工作波形的示意图如图2-5.第三章 单元电路设计3.1 时基电路设计图3-1 时基电路与分频电路它由两部分组成: 如图3-1所示，第一部分为4093组成的振荡器(即脉冲产生电路),由于标准时基信号即1KHz在本电路设计中产生于4518的第一次分频，所以由RC振荡电路与4093需要产生10KHz的方波，我们通过电位器调节并用示波器观测可以基本产生10KHz的标准信号。第二部分为分频电路,主要由4518组成（4518的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为标准时基信号是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0.1s和1s。4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。 如图3-2所示，4093与RC振荡电路产生的10kHz的信号经过四次分频后得到4个频率分别为1KHz、100Hz、10Hz和1Hz的方波。图3-2 10kHz的方波分频后波形图3.2闸门电路设计 如图3-3所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz；这里我们以输出100Hz的信号为例。分析其通过4017后出现的波形图（4017的管脚图、功能表和波形图详见附录）。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端，时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端，如图3-3，信号通过4017后，从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。图3-3 闸门电路 图3-4 4017输入100Hz信号和Q1、Q2的信号波形3.3控制电路设计通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生4029预置数信号（也可以称为清零信号，因为本设计预置数为零，可以达到清零的效果），4511的锁存信号。 图3-5 控制电路设计控制电路。计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。当74153的CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。图3-6是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PE端输入波形、4511锁存端波形图。其中第一个波形是PE的波形图、第二个是CP端输入信号的波形图、第三个是锁存信号。PE是高电平的时候计数器预置数为零，可以达到清零的效果。根据图得知在计数之前对计数器进行了预置数为零即起到清零作用。根据4511（4511的管脚图和功能表详见附录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，4511不送数。如果不让4511锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图可以看到，当CP输入的一个周期信号通过之后，此时4511的LE端的输入信号也刚好到达下降沿。图3-6 4029计数器PE信号波形、CP端输入波形、4511锁存端波形图图3-6，是测量被测信号频率是500Hz的频率的图。时基电路产图中电路10K的信号经过分频后选择的是100Hz的信号为基准信号。那么这个电路实现测量频率的范围是0.01KHz9.99KHz的信号的频率。同时控制电路也实现了对被测信号的周期和脉宽的测量。当CBA的取一定的值，电路实现一定的测量功能。3.4 小数点显示电路设计在测量频率的时候，由于分3个档位，那么在不同的档的时候，小数点也要跟着显示。比如CBA接011测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.1KHz99.9KHz，那么在显示的时候三个数码管的第二个数码管的小数点要显示。CBA接010测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.01KHz9.99KHz，那么显示的时候，最高位的数码管的小数点也要显示。对比一下两个输入的高低电平可以发现CA位不一样，显示的小数点就不一样。我们可以想到可以通过74153数据选择器来实现小数点显示的问题。具体的实现方法见图3-7所示。 图3-7小数点显示电路（9端接最高位小数点，7端接次高位小数点）3.5整体电路图图3-8 整体电路图3.6整机原件清单元件数量元件数量CD4093一片7404一片10K三个4518两片7400两个个拨盘开关一个10K电位器一个4017一片74151一片CD4029三片74153两片4511三片LED灯一个数码管三个0.01F电容两个保护电阻四个导线若干5V直流电源一个第四章 测试与调整4.1 时基电路的调测首先调测时基信号，通过4029、RC阻容件构成多谐振荡器，把振荡器产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为10KHz。同时输出信号的频率也要稳定。测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频、四级分频的输出端，测试其信号。测出来的信号频率和理论值很接近。由于是将示波器的测量端分别测量每个原件的输出端。下面我在实验中把74151和拨盘开关接好，通过拨盘开关来控制74151的输出信号，把示波器的测量端接74151的输出端。在CBA取三个不同的高低电平时，得到三个不同频率的信号。具体的波形图见图3-2所示。这里就不再重复了。这样，时基电路这部分就测试完毕，没有问题了。4.2 显示电路的调测由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。首先是对数码管（数码管的管脚图和功能表详见附录）的显示进行了调测。图4-1 显示电路调测连接图如图4-1所示接好显示电路（这里就只给出一个数码管说明一下）。然后将4511的5端接地。然后给4511的6217端分别接高低电平，数码管就会显示对应的数字。比如6217分别接1000，那么数码管就对应显示数字8.同样，还有两个数码管也按上图接好。接好后的测试方法同上。这样，显示电路也就搞好了。4-3 计数电路的调测图4-2 计数电路调测连接图计数电路按照图4-2所示连接好，将4029的PE端接低电平，3个4029级联，构成异步十进制计数器。同时4511的5端要接0，在调测的过程中，我忘记将其置零，导致在后面数码管一直不显示数字。接好后，给最低位的4029一个CP信号。让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。这样，计数器就开始计数了。数码管从000999显示。计数电路就这样搞好了。在调测的过程中，4029的PE端，4511的5端都是用临时的线连接。因为在后面这些端都是连接控制电路产生预置数零、锁存信号的输出端。4.4 控制电路的调测 图4-3 控制部分电路控制电路的连接图如图4-3所示，其中两个74153的BA端分别接了01，4017的输入的CP的频率是100Hz，此时的功能是测量范围是0.1KHz99.9KHz。图4-4 控制电路的三路主要信号(置数端、CP端、锁存端信号）由调试波形可以知道电路设计是正确的。这部分是测量频率的功能。同时控制电路还要实现测量周期和脉宽的功能，在前面已经说明的如何测量周期的算法，它的方法刚好和测量频率的相反，测频率的时候时基信号作为闸门信号，而测量周期是将被测信号作为图4-5 测量周期连接图（部分）测量周期的时候只需将74153的CBA置100就可以实现了。当74153的CBA为100的时候，74153的1Y输出的信号为1KHz的标准时基信号与4017输出的信号相与的结果，它产生的是信号是被截取为一个闸门宽度的方波，这个信号作为4029的CP信号。根据图4-5可以知道74151的输出的信号是被测信号fx，经过4017后的输出信号信号Q0、Q1、Q2的脉宽刚好为fx的周期，这个原理在前面测量频率部分已经介绍过，这里就不再重复了。其中Q0作为4029的PE的预置数端信号，在Q0为高电平时，4029的四个输入端预置数为零，表示计数器从零开始计数；Q2信号非一下，就可以作为4511的锁存信号，时候计数器计数。PT在闸门导通的时间，即PT一直为高电平的时候，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期，用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时钟信号周期。根据Ts=1ms，N=50.可以知道被测信号的周期为50ms，在电路中我们给出被测信号的频率为20Hz。那么测量的结果和理论值是一样的。以上是对被测信号周期测量的部分。调测过程中电路的输入输出波形图见图4-6，其中的控制计数器计数的原理和测量频率所用的方法一样。 图4-7测量周期 波形分别为被测信号、4029PE信号、4029CP信号、4511锁存信号最后是测量脉宽部分的调测。测量脉冲宽度的原理与测量周期的原理十分相似。所不同的是，它直接用整形后的脉冲信号的宽度tw作为闸门的导通时间。在闸门导通的时间内，测量时基信号的重复周期，并由式tw=NTs得出脉冲宽度值。如下图4-7所示，与图4-6对比一下，会发现CP端信号的脉宽为4-6图中对应的波形脉宽的一半。那么最终数码管显示的数字应该是25.实际的测量值也与理论值非常接近。那么到此，整个控制电路部分实现的控制功能都已经实现了。到这里，会发现控制电路这个模块在这个课程设计中占的分量。也是整个设计过程的精华所在。把控制电路这部分搞定，那么本次的课程设计也就基本完成了。 图4-7 测量脉宽 波形分别为被测信号、4029PE信号、4029CP信号、4511锁存信号4.5 整体指标测试被测信号频率周期脉宽的测量档位 测量范围 被测信号频率 测量值001 1Hz999Hz 200Hz 201Hz 011 0.1kHz99.9kHz 12.3KHz 12.3KHz 010 0.01KHz9.99KHz 3.45KHz 3.46KHz100 测量周期 20Hz 50ms101 测量脉宽 20Hz 25ms第五章 设计小结5.1 设计任务完成情况通过为期两周的课程设计，在老师的指点与帮助下我顺利的完成了此次设计。在开始设计之前，我根据资料提供的算法与芯片用途用proteus仿真软件很快把计数部分与显示部分搞定，但控制部分暂时还不太清楚。为了能够及时跟上进度，我先把计数与显示部分在面包板上硬件实现，确认这部分模块没有问题后，我用了两天时间来研究设计的控制部分，最后经过多次仿真与调试，确定了方案可行性，进而有条不紊的在硬件上实现控制模块的各部分功能，在最后硬件调试的时候很快就实现了整个设计的所有功能，而且很高兴测量的误差很小，尤其是在测量较小频率时，测量结果可以与函数发生器同步。5.2 问题及改进本次设计虽然比较顺利，但其中出现的许多小问题还是能让自己值得反思。最突出的是我的板面设计问题，整个板面压线太多，影响美观，是自己没有注重全局把握而造成，导致在后面连接控制线的时候整个版面显得更加凌乱，以后再做类似设计的时候一定要做一个全局的大概模型，这样才会达到完美效果；其次，产生基准信号的振荡电路也可以由555定时器设计，如果想要产生更加精确稳定的信号可以用晶振电路来设计，本次设计用了学校提供的4093芯片，它由四个2输入端施密特触发器组成，对于本设计来说4093也足够用了；还有在计数器部分，也可以使用我们更加熟悉的74160芯片，学校给我们换成了4029芯片，他们两个最大的区别在于4029没有清零端，而这个清零端正是控制部分需要的重要信号输入端，如果没有的话那么就无法测量出信号频率、周期、脉宽，但是别忘了4029同样有预置数端口，在4029的四个输入端接地同时在预置端口PE高电平的时候表示计数器从零开始，同样达到了清零的效果，个人认为这是整个设计的关键部分之一，不仅考察你是否了解整个设计算法，还要把设计所给的芯片功能精通掌握；在分频电路中，对于这部分模块我们可以很好的利用示波器进行检测，因为他的信号是一级接一级的，很有规律，在测试开关与4017芯片好坏时候我们都可以利用其信号规律去排查线路原因；最后在主控部分，我想了很长时间外加参考资料才把其中原理摸清楚，这个部分是整个设计的核心，他就好比电脑的CPU，把送进来的信号处理之后再送出去，如果在这个部分模棱两可的话很容易导致全盘崩溃，而且各种问题基本都是在这里产生，在这里我主要利用了一片4017与两片74153进行控制，在测量频率的时候，通过4017的信号具有脉宽为基准信号的一个周期特点，选取其中Q1的输出信号与被测信号进行相与，可以得到具有闸门宽度的被测信号，然后当Q0通过4029，即对其进行预置数零后，具有一个闸门宽度的被测信号当作CP进入4029，4029在CP作用下进行上升沿计数，此时4511的锁存端为Q3的非，处于锁存状态，计数完成后，4511解除锁存，把信号送给译码器，同时数码管被点亮，同理，测量周期与脉宽也是大同小异，这个部分的设计方法不仅仅只有一个，我们可以根据这几个主控信号的特点选用合适的芯片，令其产生我们所需要的信号，也会很好的得到我们所需，由于个人能力有限，仅仅搞清楚这一个方法，但也同样收获很多。本次设计没有设计被测信号的整形电路，降低了难度，如果要设计的话还需用到施密特触发器来进行整形，如果有足够的时间的话，我想这个部分应该不算太难。在最终验收的时候数码管显示与实际相差很大，后来陈老师发现我没有把被测信号调为方波，导致进入的信号脉宽不定，设置为方波后很快就好了，这也暴露了我的理论知识不足，被测信号本来就应该被整形为方波，而我却天真的认为正弦波也可以。5.3心得体会 虽然课程设计仅仅只有两周的时间，但是我在实验室的这十几天收获了课堂上所不能学到的知识，从原理电路的proteus进行仿真，再到硬件上进行面包板的设计，我真真切切的体会到了做一个完整设计的过程。这两个礼拜中，有排查不出问题的困惑与急躁，也有柳暗花明时的喜悦与感慨，有与同学们一起设计时的快乐与新鲜，也有与老师讨论问题时的顿悟与激动、整个过程非常有意义，不仅加深了我们对过去所学知识的理解，也使同学们之间建立了互帮互助的团结情感，这让我们没有浪费在实验室的每一秒每一刻。 最后非常感谢陈老师的悉心指导，每次有问题时陈老师都会详细解答原因，这让我收获颇丰，非常感谢。附录CC 4518十进制同步加/减计数器简要说明 CC4518 为双 BCD 加计数器，该器件由两个相同的同步 4 级计数器组成。计数器级为 D 型触发器。具有内部可交换 CP 和 EN 线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数。在单个单元运算中，EN 输入保持高电平，且在 CP 上升沿进位。CR 线为高电平时，计数器清零。计数器在脉动模式可级联，通过将 Q3 连接至下一计数器的 EN 输入端可实现级联。同时后者的 CP输入保持低电平。4518 管脚图4518功能表及波形图CC4017-十进制计数器/脉冲分配器简要说明：CC4017 是 5 位 Johnson 计数器，具有 10 个译码输出，CP，CR，INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之计数功能无效。CR为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器提供了快速操作，2 输入译码选通和无毛刺译码输出，防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。4017管脚图4017功能表及波形图CC4511 4线七段所存译码器/驱动器简要说明 CC4511是 BCD7 段所存译码驱动器，在同一单片结构上由 COS/MOS 逻辑器件和 npn 双极型晶体管构成。这些器件的组合，使 CC4511 具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达 25mA 的性能。由此可直接驱动 LED 及其它器件。 LT 、BI 、LE 输入端分别检测显示、亮度调节、存储或选通一BCD码等功能。当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。4511管脚图4511功能表数码管的管脚图数码码功能表对应管脚显示 7C 4E 6小数点 5 D 1 G 10 A 2 F 9 B 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 2 1 0 1 0 0 0 1 0 3 0 1 1 0 0 0 1 0 4 0 1 1 1 0 1 0 0 5 0 1 1 0 0 0 0 1 6 0 0 1 0 0 0 0 1 7 0 1 1 1 1 0 1 0 8 0 0 1 0 0 0 0 0 9 0 1 1 0 0 0 0 0 CD4093由四个2输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有斯密特触发功能的2输入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(V P)T和下降电压(V N)之差定义为滞后电压(V T)。