數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì) (2)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)主要掌握數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法；熟悉JK觸發(fā)器、74160計(jì)數(shù)器、cc4511驅(qū)動器等集成電路的使用方法，數(shù)字頻率計(jì)共有五個部分組成：放大器、集成計(jì)數(shù)器、振蕩分頻器、數(shù)字顯示器。通過用仿真軟測試每個單元均可完成相應(yīng)的功能。由各個模塊組成的頻率計(jì)能測試0-999999Hz的頻率，。通過本次課程設(shè)計(jì)使我更好的理解了數(shù)字電子

2、技術(shù)的理論內(nèi)容，增強(qiáng)了動手能力，拓寬了知識面為今后的學(xué)習(xí)畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的的基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：頻率計(jì)；計(jì)數(shù)器、驅(qū)動器、振蕩器</p><p>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)概述……………………………………………………………………5</p><p>　　二、設(shè)計(jì)方案論證及方框圖…………………………………………………………5</p><p>

3、;　　三、電路組成及工作原理……………………………………………………………7</p><p>　　四、安裝與調(diào)試………………………………………………………………………15</p><p><b>　　1、安裝</b></p><p><b>　　2、測試方案</b></p><p><b>

4、;　　3、調(diào)試過程</b></p><p>　　4、調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題及解決措施</p><p><b>　　六、指標(biāo)測試</b></p><p>　　1、單元電路功能測試</p><p>　　2、整體電路功能測試</p><p><b>　　結(jié)論</b></

5、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)概述</p><p>　　數(shù)字式頻率計(jì)是一種數(shù)字顯示的測量頻率儀器，它不僅可以測試數(shù)字電路中的方波信號，還可以測量正弦信號和多種物理量的變化頻率，諸如電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)光體的閃光次數(shù)、機(jī)械振動次數(shù)等，這些物理量需經(jīng)光電耦合傳感器或相關(guān)傳感器先轉(zhuǎn)變成周期性變化的信號，然后用頻率

6、計(jì)測量單位時間內(nèi)信號的變化次數(shù)，再用數(shù)碼顯示出來。因此，它是一種測量范圍較廣的通用型數(shù)字儀器。本題目綜合運(yùn)用了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)兩門課的基本知識，通過理論設(shè)計(jì)和實(shí)踐，提高同學(xué)們的動手能力，這個環(huán)節(jié)能使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識，拓寬知識面，系統(tǒng)地進(jìn)行電子電路的工程實(shí)踐訓(xùn)練，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、乃至畢業(yè)后的工作打下良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　1.1.2頻率計(jì)的原理框圖及其分析</p

7、><p>　　數(shù)字頻率計(jì)電路框圖及其分析</p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)的電路框圖如圖1.1.1所示。它由五個基本單元組成：放大器、集成計(jì)數(shù)器、譯碼驅(qū)動顯示器、振蕩分頻器、數(shù)字顯示器。放大器環(huán)節(jié)是用于放大幅度較低的被測信號的，放大器輸出的電平變化應(yīng)能觸發(fā)數(shù)字門電路，放大器的設(shè)計(jì)尚需注意被測信號的頻率。整形環(huán)節(jié)是將不規(guī)則的脈沖信號轉(zhuǎn)化為規(guī)則的方波信號，用以作為集成計(jì)數(shù)器的時鐘信號。集成計(jì)數(shù)器經(jīng)譯

8、碼輸出七路信號，再經(jīng)驅(qū)動器后送至顯示器顯示。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)頻率測量的必備環(huán)節(jié)是產(chǎn)生時間基準(zhǔn)信號，簡稱時基信號。為了產(chǎn)生時基信號，先由晶體振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩，振蕩器輸出為近似正弦信號，故需經(jīng)整形環(huán)節(jié)成為方波，再經(jīng)分頻器輸出1HZ的秒脈沖作為時基信號，我們?nèi)r基信號的上升沿作為觸發(fā)沿，它使單穩(wěn)Ⅰ在觸發(fā)沿到來之時輸出一個負(fù)向脈沖（該脈沖送至譯碼驅(qū)動器更新狀態(tài)），單穩(wěn)Ⅰ輸出的上升沿觸發(fā)單穩(wěn)Ⅱ輸出一個正向窄脈沖

9、，在正向窄脈沖期間使集成計(jì)數(shù)器清零。從圖1.1.2兩個窄脈沖的時序關(guān)系可知，鎖存在前，清零在后。</p><p>　　所謂被測信號的頻率，即單位時間內(nèi)（1s）被測信號的脈沖數(shù)。所以閘門信號兩個正脈沖的間隔時間應(yīng)為1S。閘門信號低電平期間集成計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，閘門信號高電平期間集成計(jì)數(shù)器清零。鎖存信號兩個負(fù)向窄沖的時間間隔同樣是1S，其下降沿到來后的低電平期間譯碼、驅(qū)動器更新狀態(tài)，而譯碼、驅(qū)動器鎖存的狀態(tài)是上升沿

10、到來之前的狀態(tài)。圖1.1.1框圖中的C、TS、LE、R波形如圖1.1.2所示。</p><p>　　圖1.1.1 數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖</p><p>　　圖1.1.2　框圖中各點(diǎn)波形圖</p><p><b>　　1.1.3設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　(1) 頻率測量范圍：1HZ～999.999KHZ<

11、/p><p>　　(2) 頻率測量誤差：≤1HZ</p><p>　　(3) 被測信號幅度：TTL電平、CMOS電平均可</p><p>　　(4) 如果被測信號電平低于TTL電平，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的放大環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.2.放大及整形電路</p><p>　　1.2.1放大器的設(shè)計(jì)</p><

12、p>　　放大器的設(shè)計(jì)一般要考慮兩個問題：一是放大器輸入信號的幅度，放大器放大多少倍，其輸出才能滿足數(shù)字電路的觸發(fā)電平？二是輸入信號的放大電路。又由于被頻率的高頻段頻率較高，故不能選用低頻管。基于上述考慮，擬采用圖1.2.1所示電路形式。</p><p>　　圖1.2.1　放大器的電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　如果我們選定=，利用戴維南定理： </p><p>

13、<b>　　(1-1)</b></p><p>　　當(dāng)=0時，＜0.5V，才能使T截止，計(jì)算式(5-1)得<，實(shí)選=又因TTL高電平下限值為1.8V，為使T在輸入1.8V時飽和，可根據(jù)式（5-2）計(jì)算： 　 （1-2）</p><p&

14、gt;　　其中和迭加于得2.1V，等效內(nèi)阻近似為//≈=47K。令=0V，得=,實(shí)際可選=或由實(shí)驗(yàn)調(diào)整后決定。</p><p>　　其中，二極管是保護(hù)二極管，防止輸入負(fù)電壓時擊穿三極管的發(fā)射結(jié)。</p><p>　　當(dāng)輸入信號幅度較低時，則需要增加放大器的極數(shù)。同學(xué)們可以根據(jù)模擬電子技術(shù)的基本知識自行設(shè)計(jì)。同時要注意理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果的誤差，主要應(yīng)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整各參數(shù)值。</p&g

15、t;<p>　　1.2.2 石英晶體振蕩器的頻率計(jì)算</p><p>　　石英晶體振蕩電路如圖1.2.2所示。反饋電阻RF的典型值為20MΩ。設(shè)置RF的目的是基于靜態(tài)的考慮，即靜態(tài)時門1的輸入端電位應(yīng)為VDD/2,以使門1處于線性放大狀態(tài)，亦即處于傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)。整個電路構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路，器振蕩頻率表達(dá)式為</p><p>　　其中

16、 (5-2-1)</p><p><b>　　(5-2-2)</b></p><p><b>　　圖1.2.2</b></p><p>　　其中C0和C是晶體內(nèi)部的電容。但，亦即f0近似等于晶體固有的串聯(lián)諧振頻率fs,但稍高于fs，所以晶體工作在

17、感性區(qū)，屬于并聯(lián)型振蕩電路。從公式可知，C1和C2容量的大小基本上不影響f0, C1和C無論哪一個過大均會影響起振條件而使之停振。C1和C2的典型值約為幾皮法至幾十皮法。</p><p>　　1.2.3分頻器的設(shè)計(jì)</p><p>　　使用JK觸發(fā)器的級聯(lián)作為分頻器當(dāng)JK觸發(fā)器的JK端都接高電平時輸出端會把時鐘端得頻率降低一半，石英振蕩器的頻率是32768Hz所以經(jīng)過15個JK觸發(fā)器后變?yōu)?/p>

18、1Hz的，即振動周期為一秒。JK觸發(fā)器的管腳圖如下1.2.3 圖1.2.3</p><p>　　JK觸發(fā)器的級聯(lián)如圖1.2.4</p><p&

19、gt;<b>　　圖1.2.4</b></p><p>　　1.2.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈寬的選擇</p><p><b>　　一、 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器</b></p><p>　　單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是常用的基本電路，用途廣泛可以作為定時器、方波發(fā)生器、脈沖的整形、延時等。</p><p>　　單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有以下特

20、點(diǎn)：</p><p>　　(1) 電路有一個穩(wěn)態(tài)，一個暫穩(wěn)態(tài)。</p><p>　　(2) 在外來觸發(fā)信號的作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。</p><p>　　(3) 暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于電路本身的參數(shù)</p><p>　　二、555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理</p>

21、;<p>　　由一個555定時器、一個電阻、兩個電容組成；結(jié)構(gòu)圖如下，他的穩(wěn)態(tài)是高電平暫穩(wěn)態(tài)是低電平，。正常工作時輸入端輸入上升沿則進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，在電容放電完成后再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)， Ts、R、LE信號的時序關(guān)系與圖1.1.2一致，單穩(wěn)態(tài)脈沖的脈寬按下式計(jì)算：</p><p><b>　　(5.2.4)</b></p><p>　　根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中要求的測量誤差

22、，因?yàn)門W之值應(yīng)小于最高被測頻率所對應(yīng)的 </p><p>　　周期，設(shè)該周期為1，則有</p><p>　　或 1.2.5)</p><p>　　如果設(shè)定R5=47KΩ,則,故實(shí)際可選。</p><p>　　1.2.5計(jì)數(shù)器的選擇</p><p>　　一同步計(jì)數(shù)器741

23、60的工作原理</p><p>　　在數(shù)字系統(tǒng)中使用得最多的時序電路要算是計(jì)數(shù)器了。計(jì)數(shù)器不僅能用于對時鐘脈沖記數(shù)，還可用于分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。</p><p>　　計(jì)數(shù)器的種類非常多。如果按照計(jì)數(shù)器中的觸發(fā)器是否同時翻轉(zhuǎn)分類，可分為同步式和異步式兩種。</p><p>　　47160一個封裝中含有1個8421碼計(jì)數(shù)器，每個計(jì)數(shù)器有

24、1個時鐘輸入端CLK，為上升沿觸發(fā)。另外還有一個清零端CLR，加一低電平或負(fù)脈沖時計(jì)數(shù)器各Q端清零。還有一個置零端LOAD，輸入下降沿則Q端被預(yù)置數(shù)74160管腳圖和的波形Q1Q2Q3Q4如下</p><p><b>　　圖1.2.5</b></p><p>　　二74160的級聯(lián)；</p><p>　　如果要構(gòu)成多進(jìn)制計(jì)數(shù)器就要進(jìn)行級聯(lián)741

25、60的級聯(lián)原理如下圖前一片的進(jìn)位輸出是后一片的控制端</p><p>　　1.2.6 譯碼/驅(qū)動/鎖存</p><p>　　一、CC4511工作原理</p><p>　　CC4511顯示譯碼驅(qū)動器以傳輸門和反相器作為鎖存單元，控制傳輸門的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)。CC4511還能驅(qū)動七段顯示器，并含有燈測試功能。</p><p>　　圖1.2.11 C

26、C4511引腳圖</p><p>　　和通常的CMOS鎖存電路相同，譯碼器的鎖存電路由傳輸門和反相器組成。傳輸門的導(dǎo)通或截止由控制端LE的電平狀態(tài)決定。CC4511譯碼用兩級或非門擔(dān)任。端為消隱端，該端施加低電平后，迫使筆段輸出為低電平，字型消隱。端為燈測試端，為“1”時，顯示器正常顯示，為“0”時，顯示器一直顯示數(shù)8。利用端功能，可供檢查顯示器是否有故障。CC4511經(jīng)限流電阻可以直接驅(qū)動七段數(shù)碼管，每一段發(fā)光

27、時的電流約為10mA，電流越大，亮度越強(qiáng)。其限流電阻R的選擇可按式（3-3）計(jì)算：</p><p><b>　?。?-2-6）</b></p><p>　　其中為CC4511輸出高電平；為LED正向工作電壓；I為LED的正向電流。為防止4511過熱，實(shí)際可在1KΩ~1.5KΩ之間選擇R。</p><p>　　二、CC4511驅(qū)動多位LED線路&

28、lt;/p><p>　　CC4511驅(qū)動熒光數(shù)碼管如圖5.2.12所示。如應(yīng)用的電源為12V時，可直接接驅(qū)動低壓熒光數(shù)碼管；如加驅(qū)動高壓，則需經(jīng)穩(wěn)壓管分壓或用兩組電源。</p><p>　　圖1.2.12　CC4511驅(qū)動熒光數(shù)碼管</p><p>　　表1.2.3　CC4511的真值表</p><p>　　1.2.7 數(shù)字顯示器</p&g

29、t;<p>　　一、在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中，都需要將數(shù)字量直觀地顯示出來，一方面供人們直接讀取測量和運(yùn)算的結(jié)果；另一方面用以監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作情況。因此，數(shù)字顯示電路是許多數(shù)字設(shè)備不可缺少的部分。數(shù)字顯示電路通常由譯碼器驅(qū)動器和顯示器等部分組成。</p><p>　　為了能以十進(jìn)制數(shù)碼直觀地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前廣泛使用了七段字符顯示器，或稱七段數(shù)碼管。這種字符顯示器由七段可發(fā)光的線段

30、拼合而成的。常見的七段字符顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器兩種。</p><p>　　在有些數(shù)碼管中還在右下腳處增設(shè)了一個小數(shù)點(diǎn)，形成了所謂的八段數(shù)碼管，如屬于共陰極類型。為了增加使用的靈活性，同一規(guī)格的數(shù)碼管一般都有共陰極和共陽極可供選用。</p><p>　　二、 七段共陰數(shù)碼管</p><p>　　七段共陰數(shù)碼管可選用LC5011-11，其管腳排列順序如圖1.

31、2.13所示。h為小數(shù)點(diǎn)引出端，其余七段不再重復(fù)描述。計(jì)數(shù)、譯碼、驅(qū)動、顯示電路連接圖如圖1.2.14所示。</p><p>　　圖1.2.13 數(shù)碼顯示器</p><p>　　圖1.2.14　連接電路圖</p><p><b>　　2安裝與調(diào)試</b></p><p>　　2.1振蕩器的仿真：</p>&

32、lt;p>　　仿真連線圖和測試數(shù)據(jù)</p><p><b>　　連線圖</b></p><p><b>　　仿真數(shù)據(jù)</b></p><p>　　2.2計(jì)計(jì)數(shù)器的仿真</p><p><b>　　仿真接線與數(shù)據(jù)</b></p><p>　　仿真過程

33、中我為了驗(yàn)證計(jì)數(shù)器的功能首先選定了1GHz的頻率進(jìn)行測試結(jié)果計(jì)數(shù)器的第三位就會顯示錯誤，后來經(jīng)過改進(jìn)還是不行，在進(jìn)行檢查的過程中我發(fā)現(xiàn)不是計(jì)數(shù)器的問題而是輸入頻率的問題，所設(shè)計(jì)的頻率計(jì)只能測試0-999999Hz的頻率，調(diào)整被測頻率后計(jì)數(shù)正常。</p><p><b>　　2.3驅(qū)器的仿真</b></p><p>　　但是找不對原因，初步懷疑是驅(qū)動器的問題，但不知道怎

34、么改進(jìn)，也有可能是數(shù)碼管的問題因?yàn)榉植磺鍞?shù)碼管到底是共陰還是共陽。</p><p><b>　　2.4分頻器的仿真</b></p><p><b>　　仿真成功</b></p><p>　　2.5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的仿真</p><p><b>　　2.7整機(jī)電路</b></p

35、><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　一．在此次課程設(shè)計(jì)中完成了下述工作：</p><p>　　1．進(jìn)行了設(shè)計(jì)任務(wù)的需求分析，完成了總體結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性比較并確定了最終方案。</p><p>　　2．使用的原件都是熟悉的</p><p>　　3. 計(jì)數(shù)器 、振蕩器、

36、分頻器的功能都設(shè)計(jì)完成了。</p><p>　　二．有如下工作沒有完成：</p><p><b>　　1.驅(qū)動器無法工作</b></p><p><b>　　2數(shù)碼管無顯示；</b></p><p>　　3 整機(jī)電路無法工作</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)&l

37、t;/b></p><p>　　[1] 閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M]．北京：高等教育出版社．2006</p><p>　　[2] 中國集成電路大全編委會．中國集成電路大全—TTL集成電路[M]．北京：國防工業(yè)出版社．1985：　567-600</p><p>　　[3] 房建東 荀延龍 王艷榮等．電子技術(shù)[M]．呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)出版社．20