数字频率计--论文.doc

目录1. 课程设计目的.2 2. 课程设计题目描述和要求.23. 课程设计报告内容.33.1设计名称.33.2.设计目的.33.3. 设计器材.33.4. 设计原理.33.5. 设计内容.53.6. 设计步骤.63.6.1衰减放大整形电路.63.6.2 555振荡器和分频器 .63.6.3可控制的计数锁存，译码显示系统设计.73.6.4闸门电路93.6.5电子计数器测量周期93.6.6主体电路的组装103.7.实验结果124. 实验总结.12参考文献.141.课程设计目的.掌握数字系统的分析和设计方法。.掌握数字频率计的设计组装与调试方法。.提高电路布局布线及检查和排除故障的能力。.培养书写综合实验报告的能力。2.课程设计题目描述和要求2.1技术要求（1） 测量频率范围：09999Hz和1100KHz。（2） 测量信号：方波峰峰值35V（与TTL兼容）。（3） 闸门时间：1ms,10ms，100ms和1s，脉冲峰峰值35V。2 .2设计频率计相应单元电路（1）可控制的计数锁存译码显示系统。（2）555定时器构成多谐振荡器及分频器。（3）带衰减器的放大整型系统。2.3设计频率计的整机电路并画出框图和总电路图（1） 衰减放大整型系统。（2） 555定时器构成多谐振荡器和分频器。（3） 可控制的计数锁存译码显示系统。（4） 闸门电路。2.4组装调试在试验箱上组装调试单元电路和整机系统。2.5总结试验报告写出设计试验总结报告，内容包括：各单元电路图，整机框图，总电路图，相应单元的实测波形，电路原理，调试分析，总结和体会。2.6选作内容（1）用计数法测量周期。（2）用大规模集成电路ICM7216组装数字频率计并进行调试。3.课程设计报告内容3.1.设计名称·数字频率计·熟悉ICM7216，ICM74121集成电路的使用方法。·用ICM7216组成数字频率计。·能够熟练地合理地选用集成电路器件。3.2.设计目的·掌握数字频率计的设计组装与调试方法。·熟悉ICM7216，ICM74121集成电路的使用方法。· 用ICM7216组成数字频率计。3.3.实验器材1) 公阴极七段显示器 4片2) 74LS90 8片3) 74221 1片4) 74LS73 2片5) 74LS00 1片6) 74LS04 1片7) 4511 4片8) 555 2片9) 电阻、电容、导线等 若干3.4. 设计原理数字频率计的原理框图如下图一所示，由四个基本单元组成：可控制的技术锁存器，译码显示系统，石英晶体振荡器及多级分频系统，带衰减的放大整形系统和闸门电路。 由晶体振荡器，多级分频系统及门控电路得到具有固定宽度T的方波脉冲作门控信号，时间基准T成为闸门时间。宽度为T的方波脉冲控制闸门（与门）的一个输入端B。被测信号频率为fx，它的周期为Tx，该信号经放大整形后变成序列窄脉冲送到闸门另一输入端A，当门控信号到来后，闸门开启，周期为Tx的信号脉冲和周期为T的门控信号相“与”通过闸门，在闸门输出端C产生的脉冲信号送到计数器，计数器开始技术，知道门控信号结束为止，闸门关闭。单稳态触发器1的暂态送入锁存器的使能端，锁存器将计数结果锁存，计数器停止计数并被单稳态触发器2的暂态清零。若取闸门的信号脉冲个数为，则锁存器中的锁存技术为：N=T/Tx=TfxFx=N/T测量频率是按照频率的定义进行的，若T=1s，计数器显示的数字fx=N。若取T=0.1，通过闸门的脉冲个数仍为N，则fx=N1/0.1（N1是闸门时间为时通过闸门的脉冲个数）。由此可见闸门时间决定量程，可通过闸门时基选择开关选择，T大一些，量程准确度就高一些。根据被测频率选择闸门时间，显示器的小数点对应闸门时间显示数据量程。试验时若未加小数点显示，闸门时间为1s，被测信号频率通过计数锁存可直接从计数显示器上读出。调试时观测A，B，C，D和E各点波形可得一组完整的数字频率计波形，各个部分的波形如（图1）所示数字频率计的波形（1） 频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。数字频率计原理框图（一）3.5. 设计内容1. 衰减放大电路设计2. 555多谐振荡器和分频器设计3. 可控制的计数锁存、译码显示系统设计4. 闸门电路设计5. 电子计数器测量周期设计3.6. 设计步骤3.6.1衰减放大整形系统设计衰减放大整形系统包括衰减器，跟随器，放大器，施密特触发器，它将正弦输入信号Vx整形成同频率方波V0。测试信号通过衰减开关选择输入衰减倍率，衰减器由分压器构成，幅值过大的被测信号经过分压器分压送入后级放大器，以避免波形失真。由运算放大器构成的射极跟随器起阻抗变换作用，使输入阻抗提高。同相输入的运算放大器的放大倍数为(Rf+R1)/R1，改变的大小可以改变反复大倍数。系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到闸门以便计数。由555构成的施密特触发器的电路图如下555构成的施密特触发器（图2）3.6.2555振荡器和分频器设计石英晶体振荡器的振荡频率为4MHz，经过分频器，输出频率的周期范围为1us10s，根据被测信号频率的大小，通过闸门时基选择开关选择时基。时基信号经过门控电路得到方波，其正脉宽控制闸门的开放时间。然而此次实验无石英晶体振荡器因而用555与RC组成多谐振荡器替换发出震荡频率1KHz电路参数如图所示。555构成振荡器（图3）3.6.3可控制的计数锁存，译码显示系统设计本系统由计数器，锁存器，译码器，显示器和单稳态触发器组成。其中计数器按十进制计数。计数器由74LS90实现，74LS90的逻辑图如下74LS90 的逻辑图 （ 图4）锁存器的作用是将计数器在闸门时间结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值闸门时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送译码显示器。选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn 不变所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器锁存器的作用是将计数器在1s结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。选用两个8位锁存器74L273可以完成上述功能。当时锁存信号CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后，无论D为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。74L273的逻辑图如下 74L273的逻辑图 （ 图5）锁存器的工作是受单稳态触发器控制的，由图1的波形关系可以看到，门控波形的下降沿使单稳态触发器1进入暂态，单稳1的上升沿作为锁存器的时钟脉冲（使能）。锁存器在使能脉冲作用下，将门控电路周期T内的计数结果锁存起来，并隔离计数器对译码显示的作用，同时把所存储的状态送入译码器进行译码，在显示器上得到稳定的显示结果。为了使计数器稳定，准确地计数，在门控脉宽结束后，锁存器将计数结果锁存。在单稳态触发器1暂态脉冲的下降沿，单稳态触发器2进入暂态，利用单稳态触发器2的暂态对计数器清零，清零后的计数器又等待下一个门控信号到来重新计数。由74LS221双稳态触发器实现两个单稳态的功能。74LS221的逻辑图如下74LS221的逻辑图（图6）3.6.4闸门电路 闸门电路由与非门组成，改电路由两个输入端和一个输出端，输入端的一端 门控信号，另一端接整形后的被测方波信号。闸门是否开通受门控信号的控制。 当门控信号为高电平1时，闸门开启，而门控信号为低电平0时，闸门关闭。显然只有在闸门开启的时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门的开启时间。可见，门控信号的宽度一定时，闸门的输出值正比于被测信号的频率，计数显示系统再把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。门控信号被测方波信号闸门电路的电路图（图7）3.6.5电子计数器测量周期当被测信号频率比较低时，用测量周期的方法来测量频率比直接测量频率有更高的额准确度和分辨率，且便于测量过程自动化。电子计数器测量信号周期的原理方框图如下电子计数器测量信号周期的原理方框图（图8）被测信号从B端输入，经放大整形电路变成方波，方波周期倍乘以后作为时间闸门的门控信号加于闸门的一输入端。时基信号通过开关S1加到闸门的另一输入端，时基信号周期为Tc，如果开关S2置于1Tx位，则 Tx1=NTc如果S2不是接1TX，而是接kTx，则有 kTx=NTc Tx1=kTs Tx=N/kTc周期倍乘的目的是增大N值，减小量化误差的影响，提高测量准确度。测量周期与测量频率的基本原理相似，根据（图8）再参考（图一）所示电路，就能比较容易地设计出用电子计数器测量周期的电路系统。3.6.6主体电路的组装将前面所示电路组装起来便构成了数字频率计的主体电路如图所示主体电路图（图9）3.7主体电路的装调及错误解决 在接电路的时候为提高效率减小工作量及检查难度，我们采取连接一部分电路就马上检测这一部分电路，如接好振荡分频电路随之便检测是否分频正确，调试完整之后再接下一部分。 全部电路连接完毕之后，要确保整个电路电源线和地线都一一相连，这时可以利用万用便的嗡鸣功能。在设计电路图的过程中一些电容电阻都需要调试以达到最好效果。如在555振荡器中可在可变电阻器上并联一个电阻便于调整1s的脉宽。 如果显示器数字跳变很快，通常可以用几十微法的大电容与0.01uF的小电容并联，这样就可以在集成电路器件的电源端Vcc加退耦滤波电容。 在接十分频的74LS161时，发现数电理论课本上的引脚图与电子电路上的测试与实验上的引脚图不一样，后来我们参考了实验书上100页的16-6将图修改正确了。 4.实验总结进入大学以来，我始终告诉自己，我要学会的不仅仅是知识，更重要的是学会如何学习，从每一个人，每一件事上学到东西，吸取经验，提高自己，完善自己！这次的课程设计对我来说就是一个不小的考验和锻炼，让我从中学到了很多东西。首先通过这次课程设计加深了我对集成元器件的认识和对其功能的理解，我已能很熟练地、合理地选出实验所用的元器件；提高了我对电路布局、布线及检查和排除故障的能力。其次，我们采取了两人一组的形式完成这次课程设计，因此我们就必须有团队合作精神，彼此互帮互助，遇到问题在独立思考的基础上，学会和同伴交流，讨论，在这思想的碰撞中我体会到了不少乐趣。更重要的是，我的动手能力得到了很大的提高，从一块白花花的板子到一块布满了融入智慧，耐心，合作的芯片，电线，显示器的面包板，让我明白理论和实践之间的差别是如此遥远，正如一位名人所说的那样：一千一亿个想法，还不如一次实际行动！这其中，伴随着发现问题，寻找问题，解决问题的过程。而这也正是梁老师的指导思想，至始至终，梁老师就是这么要求和熏陶我们的。在整个过程中，我们有好多次陷入了困境，几乎都觉得没法完成了，比如在调试的过程中，怎么样都找不出问题出在哪里，电路检查了很多遍都发现不了问题，芯片换了又换，可还是于事无补。在我们打退堂鼓的时候，老师一直鼓励我们：别的同学可以做出来，你们就一定可以做到！就这样我们继续知难而上，耐心地一部分一部分检查，测试，在老师的指导下，还将别人做成功的板子和我们的板子结合进行检查，最后终于解决了所有的麻烦，当显示器上的数字和信号源上的数字对应时，我们内心的那份喜悦真是无法用言语表达，很感谢老师给我们这次宝贵的锻炼机会和老师在这次设计过程中给与我们的帮助！参考文献【1】梁宗善.电子技术基础课程设计.华中科技大学出版社，2009【2】朱定华.电子电路测试与实验.清华大学出版社，2004【3】朱定华.模拟电子技术基础.清华大学出版社 北京交通大学出版社，2005【4】朱定华.现代数字电路与逻辑设计.清华大学出版社 北京交通大学出版社，2007【5】华成英，董诗白.模拟电子技术基础（第四版）.高等教育出版社，2006【6】阎 石.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社，2006【7】康华光.电子技术基础（第五版）模拟部分.高等教育出版社，2006【8】康华光.电子技术基础（第五版）数字部分.高等教育出版社，2006【9】陈大钦，罗 杰.电子技术基础实验（第三版）.高等教育出版社，2008【10】罗 杰，谢自美.电子线路设计.实验.测试（第四版）.电子工业出版社，2008【11】毕满清.电子技术试验与课程设计（第三版）.机械工业出版社，2005 课程设计成绩:项 目业务考核成绩（70%）（百分制记分）平时成绩（30%）（百分制记分）综合总成绩（百分制记分）注:教师按学生实际成绩（平时成绩和业务考核成绩）登记并录入教务MIS系统，由系统自动转化为“优秀（90100分）、良好（8089分）、中等（7079分）、及格（6069分）和不及格（60分以下）”五等。指导教师评语:指导教师（签名）: 20 年 月 日16