电工与电子技术基础下简易数字频率计.docx

《电工与电子技术基础下简易数字频率计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工与电子技术基础下简易数字频率计.docx（20页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电工与电子技术基础I（下）课程设计报告题 目简易数字频率计学院 (部)汽车学院专 业物流工程班 级2015220701学生姓名学 号2017年 6 月 26 日至 7 月 3 日 共 1 周 指导教师（签字） 目 录一、课题名称与技术要求1课题名称:1主要技术指标和要求：1二、摘要1三、总体设计方案论证及选择11、频率测定方法1方案一 、计数法（M法）1方案二 、侧周法（T法）22、放大整形电路2方案一、电压比较器3方案二、施密特整形电路3四、设计方案的原理框图、总体电路原理图及说明31、原理框图32、整体电路的工作过程4五、单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算51、放大整形电路52、时

2、基电路与分频电路63、控制电路74、闸门电路85、计数电路96、锁存电路97、显示电路108、报警电路10六、收获与体会，存在的问题等11七、参考文献12附件121.材料清单122、主要元件功能表13（1）CB555定时器13（2）74LS160计数器14（3）74LS175四D型触发器功能表15鸣 谢16简易数字频率计一、 课题名称与技术要求 长安大学电工与电子技术基础II课程设计 课题名称:简易数字频率计主要技术指标和要求：（1） 被测信号的频率范围100Hz10kHz；（2） 输入信号为正弦信号或方波信号；（3） 用四位数码管显示所测频率值，并用红、绿色发光二极管表示单位； （4） 具有

3、超量程报警功能。二、 摘要 本设计主要选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易数字频率计，以触发器和计数器为核心，由放大整形电路，时基分频电路，控制电路以及计数电路与显示电路等功能模块组成。放大整形电路：由电压比较器对被测信号进行预处理输出数字信号；闸门电路：由D触发器构成一个秒信号，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：产生一个秒信号；计数器译码电路：计数译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：把BCD码译码在数码管显示出来。设计中采用了模块化设计方法，采用适当的放大和整形，并且有两个档位Hz和KHz，提高了测量频率的范围。三、 总体设

4、计方案论证及选择1、频率测定方法方案一 、计数法（M法） 计数法又称测频法，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。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

5、：f1=(f1-f)/f=1/f 从上式可知f1的相对误差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。 方案二 、侧周法（T法） 首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对此高频信号进行计数。 若在T时间内的计数值为N2,则有T2=N2Tosc，N2 N2的绝对误差为N=1N2的相对误差为从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，而与高频你标准计数信号的频率成反比。当fosc

6、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，以及所学知识的限制我们利用第一种测频法，利用计数器的知识对频率计数，参考555定时器产生时基电路，在单位时间内记录被测信号上升沿或下降沿的数目即为所测信号频率。并且，对测量频率的最低值100Hz来说，相对误差为1%，可以满足要求，随着测量频率的增大，相对误差逐渐减小。2、放大整形电路方案一、电压比较器 电压比较器的作用是比较输入电压和参考电压,在输出端以高电平和低电平(即为数字信号的1或0)来反应比较结果。应用电压比较器的这一性质我们可以处理被测信号。 方案二、施密特整形电路 施密特触发器常利用触发器状态

7、转换过程中的正反馈作用，将边沿变化缓慢的周期信号变为边沿很陡峭的矩形脉冲信号。由于在数字系统中矩形脉冲经传输后往往也会发生畸变，如当传输线上电容较大时，波形的上升沿和下降沿将明显变坏；当传输线较长，且接收的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生震荡现象；当其他的脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号将出现噪声。无论出现上述的哪一种情况，都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。鉴于施密特触发器整形电路的诸多优点，本电路将其采用，且利用555定时器搭建，简单方便。最后我们把经过放大衰减处理后的信号送入由555构成的施密特触发器把信号

8、整形成为矩形波。四、 设计方案的原理框图、总体电路原理图及说明报警译码显示1、原理框图超量程控制电路锁存电路计数电路闸门电路时基电路放大整形电路2、整体电路的工作过程 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，所以需要设计一个放大整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。设计时基电路部分采用由555定时器构成的多谐振荡器组成，通过设置时间参数使其构成所需时间的高电平，由于要求测量频率为100Hz-10KHz，故此处设计分两档，时基电路产生0.1s高电平，此档直接用于测量千赫兹的频率，此时显示单位为千赫兹（绿灯亮）；通过分频器放大后产生1s的高电平，此档用于测

9、量普通频率。如此实现单位的变换。第四个74ls160的进位位接一个LED1灯作为一档的超量程报警器，LED2由给小数点的信号与第三个74ls160的进位位同时控制，作为二档的超量程报警器。整体电路图如下:五、 单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算1、放大整形电路将输入的正弦信号或方波信号经发大电路以及施密特整形电路放大整形为成数字电路能够识别的方波信号，和脉冲信号共同控制闸门的开和关。待测的信号波先被送入到放大电路的输入端，输入的信号若是正弦波，在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况，所以首先需要通过放大衰减处理，我们可以利用一级放大电路实现：当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路

10、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，使得被测信号得以放大。 然后把经过放大衰减后电压幅度合适的信号输入到下一级的射极输出器。射极输出器具有高输入电阻和低输出电阻的特点。因为输入电阻高，它常被用作多级放大电路的输入级，这对高内阻的信号源更为有意义。如果信号源的内阻较高，而它接一个低输入电阻的共发射极放大电路，那么，信号电压主要降落在信号源本身的内阻上，分到放大电路输入端的电压就很小；另外，如果放大电路的输入电阻较低，则当负载接入后或当负载增大时，输入电压的下降就较小，或者说它带负载的能力较强。所以射极输出器也常用于多级放大电

11、路的输入级。为了增强本设计中施密特触发器部分的带负载能力，我们在此应用射极输出器。最后我们把经过放大衰减处理后的信号送入由555构成的施密特触发器把信号整形成为矩形波。2、时基电路与分频电路时基电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器计数，当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入;分频电路是对由时基电路产生的信号频率进行调节。我们的设计时基电路部分采用由555定时器构成的多谐振荡器组成，通过设置时间参数使其构成所需时间的高电平，由于要求测量频率为100Hz-10KHz，故此处设计分两档，时基电路产生0.1s高电平，此档直接用于测量千赫兹的

12、频率，此时显示单位为千赫兹（绿灯亮）；通过分频器放大后产生1s的高电平，此档用于测量普通频率。如此实现单位的变换。此处电路参数R1=10K，R2=4.3，C=10uF，通过计算可得tp1=0.1s,tp2=0.03s。分频电路由74LS160构成，对时基电路产生的信号进行调节，使其频率缩小十倍，周期增大十倍，此时tp1=1s。此时显示单位为Hz,(红灯亮)。时基电路及分频电路电路图如下图：3、控制电路控制电路主要用来控制电路的锁存与清零。在时基信号低电平到来之时，通过控制电路产生锁存信号，锁存信号将数据锁存通过显示电路显示出来。而清零信号则是用锁存信号的负脉冲产生的，用于一次计数后将计数器清零

13、。其理论波形图如图：控制电路波形示意图我们采用4个74LS175N分别控制74LS160输入的四个二进制数。锁存器在cp的下降沿将输入的信号上传，在其他cp信号状态下，锁存器不接受从下面来的信号输入，从而保证显示屏的输出能稳定一段时间，便于读数。四个锁存器的cp脉冲由控制电路同时控制。555构成的两个单稳态触发器可用于定时控制，输出矩形脉冲，其宽度（暂稳状态持续时间）tp=RCln3=1.1RC。通过设置电路参数，令R=909,C=10mF，使得锁存信号与清零信号宽度均为t=0.01s，控制电路如图所示：4、闸门电路闸门电路就是一个简单的与门，将整形电路的输入信号与门控信号作与运算，以便输出矩

14、形脉冲作为计数脉冲。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开启时间。可见门控信号的宽度一定时间闸门输出正比于被测信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。（如图所示）闸门电路原理图 5、计数电路本课题使用了4个74LS160芯片，通过前一级74LS160的进位位当作下一位的cp脉冲，实现1到9999的计数。6、锁存电路锁存电路是将计数器输入的数值锁存并送到译码显示器显示。如果在系统中不接锁存器，则显示器上的显示数值就会随计数器的状态不停地变化，

15、只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定，所以计数器后必须接入锁存器。锁存器的工作状态是受单稳态触发器控制的，本设计用四片74LS175寄存器来锁存信号。锁存信号输入每一片74LS175异步清零端，当低电平的锁存信号到来时才清零，这样就保证了读书和记录时间。每一片74LS175输出端1Q，2Q，3Q，4Q分别接到对应位置的7447的端输入ABCD端上去。7、显示电路本课题采用四个74LS247型译码器和共阳极数码管作为显示部分的元件。根据被测信号的频率范围100Hz10kHz；我们将测量的频率分为两档：推荐测量频率分别为100Hz999Hz和1kHz10kHz，分别用红色发光二极管表

16、示单位Hz，绿色表示单位kHz，显示kHz单位时，第三个显示数码管的小数点亮。因为能力和时间有限，我们没能完成自动超量程换挡，所以我们借助超量程报警装置提醒手动换挡。我们通过一个双刀四掷开关，同时控制档位和小数点信号。一档时，我们默认采用Hz单位，给小数点的是低电位信号时，小数点灭，信号经过与非门传给LED3，红灯亮。二档时我们默认采用kHz单位，此时通过或非门给小数点一个高电位信号，小数点亮。同时，给小数点的信号传达给LED4灯，绿灯亮。8、报警电路第四个74ls160的进位位接一个LED1灯作为一档的超量程报警器，LED2由给小数点的信号与第三个74ls160的进位位同时控制，作为二档的超

17、量程报警器。六、 收获与体会，存在的问题等本次课程设计让我们切身体会到掌握电工学课本知识和利用所学知识解决实际问题之间还是有一定差距的。一周之内完成这次设计对我们而言是一个不小的挑战，起初拿到题目的时候基本上毫无头绪，但我们都不曾放弃。通过去图书馆查阅资料以及上网搜集相关资料等多种形式，我们对题目有了详细的了解，有了解题的基本框架。经过仔细研究和探讨并不断地对电路进行改进，我们最终得到满意的结果。通过这次实践，我们认识到自己对以前学的数字电路知识掌握得不牢，虽然在电工实验中已经有了一些理解和体会，但对基础原理的掌握仍然不够。这使我们在方案选择和电路设计上都遇到了不小的阻力。同时，在设计的过程中

18、，需要用到一些以前从未接触过的元件，通过查阅资料，我们成功地将这些资料运用到设计之中。 电路设计是我们将来必需用到的技能，这次课程设计恰好给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从刚开始查找资料到着手对电路进行设计、不断调试电路，再到最后电路的成型，都是对我们所学知识的一种检验。我们在此次实习中，理论结合实际，提高和培养创新能力，为后续课程的学习打下了基础。同时，结合实践操作，可以体现现代化的设计方法和理念，使电工课程设计在培养我们能力方面，得到比较大的提高。七、 参考文献1 秦曾煌主编电工学 (第7版) 上下册M. 北京：高等教育出版社，2009.062 康华光主编电子技术(模拟部分、数字部

19、分)第5版M.北京：高等教育出版社，2006.043 童诗白、华成英主编模拟电子技术基础(第4版) M北京：高等教育出版社，20064 许忠仁主编电路与电子技术实验教程M大连：大连理工大学出版社，20075 路勇主编电子电路实验及仿真M北京：清华大学出版社；北方交通大学出版社20046 贾更新主编电子技术实验与课程设计M西安：西北工业大学出版社2010附件1.材料清单数量描述参考标识274LS, 74LS08NU20, U34SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_AU19, U16, U23, U18474LS, 74LS247NU17, U15, U22, U13474LS, 74LS

20、160NU9, U8, U7, U62TD_SW1, 0.5 sec 1 sec J2, J1174LS, 74LS02NU5174LS, 74LS03NU4174LS, 74LS160DU22BJT_NPN, 2N6672Q2, Q12DIODE, 1N4148D2, D1474LS, 74LS175NU12, U11, U10, U141LED_redLED13LED_greenLED2, LED3, LED41POWER_SOURCES, DGNDGND1RESISTOR, 610R131POWER_SOURCES, VCCVCC1POWER_SOURCES, GROUND01TIL,

21、NOTU13CAPACITOR, 10uFC9, C8, C106CAPACITOR, 10nFC7, C6, C11, C5, C3, C12RESISTOR, 909R10, R94MIXED_VIRTUAL, 555_VIRTUALA3, A2, A4, A11POWER_SOURCES, VDDVDD1RESISTOR, 4.3kR121RESISTOR, 10kR111CAPACITOR, 1mFC41CAPACITOR, 470uFC22RESISTOR, 3.3kR8, R21RESISTOR, 200R72RESISTOR, 4.7kR6, R51RESISTOR, 100R4

22、1RESISTOR, 510R31RESISTOR, 470R12、主要元件功能表（1）CB555定时器CB555定时器工作原理说明表（2）74LS160计数器74LS计数器功能表74LS160计数器管脚图其中1为清零端，低电平有效；2为始终输入端CP，上升沿有效；36为数据输入端；7,10为计数控制端ET,EP,两者军为高电平时计数；9为同步并行置数端，低电平有效；1114为数据输出端；15为进位输出端RCO,高电平有效。（3）74LS175四D型触发器功能表外引脚排列图和功能表如图其中,RD是异步清零控制端。在往寄存器中寄存数据或代码之前，必须先将寄存器清零,否则有可能出错。1D4D 是数据输入端,在CP 脉冲上升沿作用下，1D4D端的数据被并行地存入寄存器。输出数据可以并行从1Q4Q 端引出，也可以并行从1Q4Q 端引出反码输出。鸣 谢这次课程设计任务的圆满成功，得益于指导老师的耐心教导以及长安大学图书馆丰富的资料，让我们找到了解决问题的方法，同时也感谢小组成员的努力与付出，让我们圆满的完成了任务。长安大学：2017.6.27姓 名：学 号：备 注：- 16 -评 语 评审人：