电子技术课程设计报告-数字频率计(共22页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上电子技术课程设计报告设计题目： 数字频率计 学 院： 专业年级： 姓 名： 学 号： 组 号： 指导老师： 专心-专注-专业目录前言-11.设计目的及功能分析-22.系统概述-32.1设计方案的选择-32.1.1 计数法-32.1.2 计时法-33.单元电路设计-53.1放大电路设计-53.1.1 555构成的施密特触发器-63.2时基电路设计-83.2.1 555多谐振荡器电路-83.2.2 分频电路-93.3控制电路-103.4自动换挡设计-113.5显示部分电路-123.5.1计数器电路-133.5.2锁存电路-133.5.3译码电路-133.6整体电路图-14

2、4.实物制作-154.1 PCB板制作-154.2 实物展示-185.设计小结-195.1设计完成情况-195.2心得体会-19参考资料-20前言电子线路设计是大学一门重要的设计实验，目的在于加深我们对书本知识的理解，增强我们的动手能力和设计能力。本次设计是基于TTL系列芯片的简易数字频率计,用所学的数字电路和模拟电路的知识进行设计。在设计过程中，所有电路仿真均基于Proteus仿真软件。本课程设计介绍了简易频率计的设计方案及其基本原理，并着重介绍了频率计各单元电路的设计思路，原理及仿真，整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。设计共有三大组成部分：一是原理电路的设计，本部分详细讲解了电路的

3、理论实现，是关键部分；二是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求。三是对本设计实物的制作及调试。关键字：频率计、TTL芯片、时基电路、逻辑控制、分频、计数1.设计目的及功能分析使用在数模电理论课上学过或没学过的集成器件和必要的门电路构建简易频率计，用数码管显示频率计数值，要求完成的主要任务：(1) 被测信号的频率为1Hz999KHz，分为4个档位：1Hz,10Hz,100Hz,KHz。(2) 具有自检功能，即用仪器内部的标准脉冲校准测量精度。(3) 用3为数码管显示测量数据，测量误差小于10%。(4) 用3个发光二极管表示单位，分别对应3个高档位。(5) 具有自动换挡功能，即超量程能换高

4、档，欠量程换低档。2.系统设计概述2.1设计方案的选择信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1s内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。测量频率的基本方法有两种：计数法和计时法，或称测频法和测周期法。2.1.1计数法计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。（如图2-1-1）图 2-1-1 测频法测量

5、原理 设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：f1=(f1-f)/f=1/f从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。2.1.2计时法 计时法又称为测周期法，测

6、周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数，如图（2-1-2）图 2-1-2 计时法测量原理若在T时间内的计数值为N2,则有：T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2 N2的绝对误差为N2=N+1N2的相对误差为N2=(N2-N)/N=1/NT2的相对误差为T

7、2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。 根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。由上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。但由于用计时法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现，因此，计时法不适合本实验要求。测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频

8、率越高，其误差就越小。但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。整体框图及原理 输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，方波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为方波，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方波。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

9、。频率测量：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。时基信号由石英晶体多谐振荡器电路产生，经整形分频后，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。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：控制电路需要控制几个模块，因而要产生几个控制信号，包括计数器清零信号，锁存器锁存信号，换档控制信号。通过产生控制信号控制所要控制的模块，同时会产生清

10、零信号和锁存信号，使显示器显示的测量结果稳定。3.单元电路设计3.1放大电路设计对信号的放大功能由三极管构成放大电路来实现，对信号整形的功能由施密特触发器来实现。施密特触发器电路是一种特殊的数字器件，一般的数字电路器件当输入起过一定的阈值，其输出一种状态，当输入小于这个阈值时，转变为另一个状态，而施密特触发器不是单一的阈值，而是两个阈值，一个是高电平的阈值，输入从低电平向高电平变化时，仅当大于这个阈值时才为高电平，而从高电平向低电平变化时即使小于这个阈值，其仍看成为高电平，输出状态不这；低电平阈值具有相同的特点。有两种方案可供选择：（1）放大整形电路由三极管与与非门组成。三极管构成的放大器将输

11、入频率为fx 的周期信号如正弦波、三角波、等进行放大。将电源电压设为5V,当输入信号幅值比较大时，会出现线性失真，将放大后的波形幅度控制在5V以内。与非门构成施密特触发器对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。（2）放大部分同方案一，整形部分是由555构成的施密特整形电路。通过对比发现用与非门构成的施密特触发器因为阈值电压易受受温度、电源电压及干扰的影响，稳定性较差。而555定时器的比较器灵敏度高，输出驱动电路大，并且且555定时器构成的施密特触发器结构简单，而且抗干扰能力比用与非门构成的施密特触发器要强，因此选用方案二。3.1.1 555构成的施密特触发器将555定时器的uI6和uI2

12、输入端连在一起作信号的输入端，即可组成施密特触发器。如图（3-1-1）所示。为了滤除高频干扰，提高比较器参考电压的稳定性，通常将5脚通过0.01F电容接地。如果输入信号电压是一个三角波，当uI从0逐渐增大时，若uI UCC/3时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，使基本RS触发器置1，则输出u0=1；若uI增加到uI2UCC/3时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，使基本RS触发器置0，则输出u0=0。当uI高电平逐渐下降到UCC/3uI2UCC/3 时，比较器C1和C2输出均为1，基本RS触发器保持原状态，进而使u0=0不变。若uI继续减小到uIUCC/3时，比较器C2输出0，基本R

13、S触发器置1，输出u0也随之跳为高电平1。如此连续变化，在输出端就得到一个矩形波，其工作波形如图（3-1-2）所示。从工作波形上可以看出：上限阈值电压UT+=2UCC/3，下限阈值电压UT- =UCC/3，回差电压U=UT+ -UT- =UCC/3。如果在5脚uIC上加控制电压，则可改变的U值。回差电压U越大，回路的抗干扰能力越强。各引脚名称：1、GND 地2、TRI 触发端3、OUT 输出端 4、RST 复位端5、CON 外接控制电压端6、THR 阈值端7、DIS 放电端8、VCC 电源端图 3-1-1 555构成的施密特触发器图 3-1-2 工作波形放大整形电路图，如图（3-1-3）图（3

14、-1-3）放大整形电路3.2 时基电路设计时基电路由两部分组成，第一部分为由555多谐振荡器电路；第二部分为分频电路。3.2.1 555多谐振荡器电路555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路 时基电路的作用是产生标准的时间信号，可以由555组成的振荡器产生，若时间精度要求较高时，可采用晶体振荡器。由555定时器构成的时基电路包括脉冲产生电路和分频电路两部分。由个555定时器产生一个脉冲信号，将55

15、5定时器产生的脉冲信号送入逻辑控制电路，再由逻辑控制电路送入计数器。 本设计时基电路采用的是555振荡器产生1000HZ，周期为1ms的脉冲信号的电路如图所示。如图（3-2-1）所示。 图 3-2-1 振荡电路3.2.2分频电路振荡器产生1khz的脉冲，闸门时间为1s、100ms 10ms、 1ms选用4518x34作为分频电路。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

16、EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。分频电路如图（3-3）所示 图 3-2-3 分频电路3.3 控制电路控制电路需要控制几个模块，因而要产生几个控制信号，包括计数器清零信号，锁存器锁存信号，换档控制信号。通过产生控制信号控制所要控制的模块，同时会产生清零信号和锁存信号，使显示器显示的测量结果稳定。电路图如图（3-3-1）。电图 3-3-1 控制电路控制电路主要由74ls160、74ls139和74ls04组成，工作中由74ls160接收来自数据选择器的分频信号而输出00 01 10 11四个循环信号，然后信号被74ls139译码器译码产生如图2-3-2的控制信号。图 3-3-2

17、 控制信号信号分别控制清零，锁存，闸门，换挡。由于考虑到高低电平和上升延、下降延的跳变，在控制信号输出时相应的加上了非门74ls04。3.4自动换档设计自动换挡电路部分主要由74ls192、74ls00、74ls74等元件组成，电路图如图3-4-1。 图 3-4-2 自动换挡电路工作原理：自动换挡主要由计数器部分的百位和个位进位信号来进行升档与降档控制。升档与降档由74ls192完成，当要超量程时百位和个位都有进位信号，此时74ls192的4号端被置为高电位，5号端由控制信号中的换档信号与百位进位信号共同控制，这两个信号所产生的效果由74ls00 图中U19:A进行与非运算得到，因为此时的百位

18、有进位信号，U19:A的2端被置成高电位，当控制信号中的换档信号没有到来时74ls192的5号端被置为1，当控制信号中的换档信号到来时5端被置为0，控制信号结束时又被置为1，同时完74ls192输出加一，实现升档位的过程。降量程的过程与升量程的过程类似，只是此时的此时74ls192的5号端被置为高电位，4号端由控制信号中的换档信号与个位进位信号共同控制。最终实现档位变换由数据选择器完成，数据选择器接收192的档位信号进行档位选择，档位如下：00-1s (1-999)Hz01-0.1s (1-999)10Hz10-0.01s (1-999)100Hz 11-0.001s (1-999)KHz3.

19、5 显示部分电路显示部分主要由计数器、锁存器、译码器、七段数码管、LED灯等组成。如图3-5-1.图 3-5-1 显示部分电路3.5.1计数器电路 采用4个74LS90二-五-十进制计数器，该芯片无需额外的元器件就可实现十进制计数，所以首选。计数器依次从个位开始计数，向上为发出进位信号而是高位开始计数。3.5.2 锁存电路 在确定的时间内（如1s）,计数器的计数结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值.锁存器的作用通过触发脉冲控制.将测得的数据寄存起来,送显示译码器.锁存器可以采用8位并行输入寄存器.为使数据稳定,采用边沿触发方式的器件. 选用2个8位锁存器74LS374完成上述功能.当锁存信号C

20、P的正跳变来到时,锁存的输出等于输入,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是何值,输出端状态保持不变,所在计数期间内,计数器的输出不会送到译码显示器。3.5.3 译码电路 采用BCD8421集成共阴七段数码管译码器74LS47。译码显示器的作用是把用BCD码表示的十进制数转化成能驱动数码管正常显示的段信号,从而获得数字显示.选取显示译码器时其输出方式必须与数码管相比配。3.6整体电路图 4.实物制作4.1 PCB板制作1.建立原理图。选择元器件时，要注意元器件的封装格式（PCB预览）。例如选择74ls192要注意PCB的预览。如下图: 选好元器件后，进行原理图布线，如

21、下图所示。 2.进入PCB设计界面,自动布局,自动布线。 整体部好线后如图由于元件过多，将所有元件放在一个电路板上，电路板过大，飞线过多，操作复杂，所以实物制作过程中采用了分模块制作，以减小工作难度。如下图4.2 实物展示 5.设计小结5.1设计完成情况经过几个周的课程设计，小组基本完成了本次设计的技术指标。由于首次接触课程设计，很多问题都不是很懂。为了提高效率，我们小组采取集中讨论，分开制作的方法。在实际的操作中，先连好时基电路，分频电路测试通过后，再把显示电路和计数电路连好，调测符合要求。最后搞定控制电路的连接。最后在实物电路板制作中，采用分模块制作的方法，经过小组成员的细心调试，它所实现

22、的功能基本上可以测被测信号的频率。在调测的过程中发现测量时，得到的结果存在一定的误差。5.2心得体会 本次数字频率计的制作过程是所经历的课程设计中历时最长一次，在拿到题目时，很茫然不知如何下手。后来通过广泛查阅相关资料还有和同组同学的讨论，总算找到了方向。但是自动换档部分仍然是一个难以解决的问题。后来从指导老师提示中获得了设计思路，使得设计取得突破性进展，在这次数字电子技术课程设计中，涉及到了模电的部分内容和数电的大部分内容。一实践才知道，自己的知识掌握的并不牢固，知识很粗浅的一部分。通过这次课程设计实践巩固了学过的知识并能够较好的利用，对自己是一次很好的实践锻炼机会。课程设计实践不单是将所学

23、的知识应用于实际，在设计的过程中，只拥有理论知识是不够的。逻辑思维、电路设计的步骤和方法、考虑问题的思路和角度等也是很重要，需要我们着重锻炼的能力。同时也让我清楚地认识了团队的重要性，一个人的思路毕竟有限，只有将大家的思路结合起来，才能设计出好东西。当然也锻炼了我们的沟通能力。最后我觉得我自己除了在数电知识方面的收获外，还学到了很多，比学习了仿真软件，提高了软件的自学能力。并且在查阅资料时能够较有效率的得到自己想要的信息。而这些不是能从书本上得到的，是靠在实践中逐渐积累的。参考资料1.阎石主编.数字电子技术基础.第四版.高等教育出版社出版社.20102.林涛主编.数字电子技术基础.清华大学出版社.20063.蔡忠法主编.电子技术实验与课程设计.浙江大学出版社.20094.林涛主编.模拟电子技术基础.重庆大学出版社.20085.康光华主编.电子技术基础.数字部分.第四版.高等教育出版社.2009