電子線路課程設(shè)計--簡易數(shù)字頻率計設(shè)計

1、<p>　　電子線路課程設(shè)計報告</p><p><b>　　簡易數(shù)字頻率計設(shè)計</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p><b>　　2 方案論證1</b>

2、</p><p>　　2.1 測頻原理1</p><p>　　2.2 原理框圖2</p><p><b>　　3 電路設(shè)計2</b></p><p>　　3.1 電原理圖2</p><p>　　3.2 工作原理2</p><p><b>　　4

3、 電路仿真3</b></p><p>　　4.1 模電部分3</p><p>　　4.1.1 放大器單元3</p><p>　　4.1.2 帶通濾波器單元4</p><p>　　4.1.3 電壓比較器單元5</p><p>　　4.1.4 模電部分總原理圖6</p>&

4、lt;p>　　4.2 數(shù)電部分7</p><p>　　4.2.1 多諧震蕩器單元7</p><p>　　4.2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單元7</p><p>　　4.2.3 計數(shù)、譯碼驅(qū)動和顯示單元8</p><p>　　4.2.4 數(shù)電部分總原理圖9</p><p>　　5 電路安裝10<

5、/p><p>　　5.1 元器件清單10</p><p>　　5.2 電路布局11</p><p>　　5.3 面包板使用方法11</p><p>　　5.4 電路芯片排列11</p><p>　　5.5 連接線11</p><p>　　6 電路調(diào)試12</p>

6、<p>　　6.1 實驗儀器12</p><p>　　6.2 注意事項12</p><p>　　6.3 系統(tǒng)調(diào)試12</p><p>　　7 使用說明書13</p><p>　　7.1 技術(shù)參數(shù)13</p><p>　　7.2 測量方法13</p><p>&

7、lt;b>　　結(jié) 論14</b></p><p>　　附錄A 仿真總電路圖15</p><p>　　附錄B 實際總電路圖16</p><p>　　附錄C 實物照片17</p><p><b>　　參考資料18</b></p><p><b>　　1

8、 引言</b></p><p>　　數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(shù)字，顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精度高，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計。本設(shè)計采用兩位數(shù)碼管顯示的簡易的數(shù)字頻率計。

9、</p><p><b>　　2 方案論證</b></p><p><b>　　2.1 測頻原理</b></p><p>　　周期性信號在單位時間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)，稱為電流/電壓的頻率。</p><p>　　頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對信號頻率進行測量的電子測量儀器，不論頻率計技術(shù)指標(biāo)如

10、何定義，其基本工作原理都類似，頻率測量原理如圖2.1。</p><p>　　圖2.1 頻率測量基本原理圖</p><p>　　若在一定的時間間隔T內(nèi)的計得這個周期性信號的重復(fù)次數(shù)為No時，則被測信號的頻率F為：</p><p><b>　　F = No/T</b></p><p>　　式中：F為頻率，單位為Hz。No為計

11、數(shù)器計數(shù)值，計數(shù)器計數(shù)定時時間為T。</p><p>　　一般的數(shù)字式頻率計主要由四個部分構(gòu)成：輸入電路、閘門電路，計數(shù)顯示電路和控制電路，頻率和周期測量原理框圖如圖2.2。</p><p>　　圖2.2 頻率和周期測量原理方框圖</p><p>　　在一個頻率測量的周期過程中，被測頻率信號在輸入電路中經(jīng)過放大、濾波和整形、形成特定的被測脈沖，送到主門的一個輸入端。

12、主門的另外一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖（定時計數(shù)信號）。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定的被測脈沖才能通過主門，從而進入計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設(shè)置。</p><p><b>　　2.2 原理框圖</b></p><p>　　簡易數(shù)字式頻率計主要由輸入信號調(diào)理器、閘

13、門電路，計數(shù)、譯碼、顯示、清0、時基和邏輯控制電路等組成，原理框圖如圖2.3。</p><p>　　圖2.3 簡易數(shù)字式頻率計方框圖</p><p><b>　　3 電路設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1 電原理圖</b></p><p>　　基于模電、數(shù)電的數(shù)字頻率計電原理圖如圖

14、3.1。</p><p>　　圖3.1 簡易頻率計電原理圖</p><p><b>　　3.2 工作原理</b></p><p>　　如圖3.1，本設(shè)計主要包括電壓放大器、有源帶通濾波器、比較器、單穩(wěn)電路、閘門信號發(fā)生器、計數(shù)、譯碼驅(qū)動、顯示、時基和邏輯控制電路等。</p><p>　?。?）輸入信號通過放大器放大，有

15、源帶通濾波器選頻，電壓比較器整形后，頻率計進行測頻。</p><p>　　（2）由NE555產(chǎn)生周期約2s的時基信號，是頻率計的主要工作時序，在該信號的一個周期的時間內(nèi)，頻率計可以完成清零，計數(shù)、顯示和計數(shù)結(jié)果保持，在下一周期時重復(fù)上述過程。簡易頻率計工作波形示意圖如圖3.2。</p><p>　　圖3.2 簡易頻率計工作波形示意圖</p><p>　?。?）用NE

16、555時基信號發(fā)生器產(chǎn)生的周期信號的上升沿，觸發(fā)由74LS123電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)發(fā)生器1，產(chǎn)生對計數(shù)器清零的脈沖信號，使計數(shù)器在工作前歸零，該脈沖信號的寬度一般約1ms左右，由該單穩(wěn)態(tài)電路的RC參數(shù)值決定。</p><p>　　（4）計數(shù)器清零后，需要一個閘門信號控制計數(shù)器的計數(shù)，用清零脈沖信號的下降沿，觸發(fā)另一個單穩(wěn)電路2，從而產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的1s閘門信號。在該閘門信號持續(xù)時間內(nèi)，計數(shù)器可以計數(shù)，頻率計完成對被測

17、信號的測頻。閘門信號的寬度為1s左右，由單穩(wěn)態(tài)電路2的RC參數(shù)值決定。</p><p>　　（5）二級十進計數(shù)器電路由兩個74LS160組成，譯碼驅(qū)動與顯示電路由74LS47和七段共陽級數(shù)碼管組成。</p><p><b>　　4 電路仿真</b></p><p><b>　　4.1 模電部分</b></p>

18、;<p>　　4.1.1 放大器單元</p><p>　　該放大器可以把技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的輸入信號放大到足夠的電平，以驅(qū)動后面的電壓比較器，放大器可采用OP07集成運放，如圖4.1所示。</p><p><b>　　圖4.1放大器電路</b></p><p>　　參數(shù)計算：電壓放大倍數(shù)</p><p>　　u

19、o=（1+ ）ui</p><p><b>　　波形如圖4.2。</b></p><p>　　圖4.2放大器電路波形圖</p><p>　　4.1.2 帶通濾波器單元</p><p>　　帶通濾波電路的設(shè)計中心頻率為1KHz左右，通帶寬度BW=100Hz左右。</p><p>　　巴特沃斯濾波器

20、：特點是帶內(nèi)帶外最佳平穩(wěn)，但低階的過度帶比較寬。</p><p>　　切比雪夫濾波器：特點是過度帶可以很窄，但帶內(nèi)帶外幅頻震蕩比較嚴(yán)重。</p><p>　　帶通濾波器電路如圖4.3。帶通濾波器中心頻率和帶寬的調(diào)整：帶通濾波器的中心頻率和帶寬主要是由濾波器中RC元件參數(shù)確定，通?？上冗x定電容器C值，再調(diào)節(jié)電阻阻值，一般可采用電位器調(diào)節(jié)。帶通濾波器采用集成運放OP07。</p>

21、<p>　　圖4.3帶通濾波器電路</p><p><b>　　參數(shù)計算：通頻帶</b></p><p><b>　　低頻fH= </b></p><p><b>　　高頻fL= </b></p><p><b>　　波形如圖4.4。</b>&

22、lt;/p><p>　　圖4.4帶通濾波器電路波形圖</p><p>　　4.1.3 電壓比較器單元</p><p>　　電壓比較器電路如圖4.5，電壓比較器的主要作用是把輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，使計數(shù)器可以對輸入信號正確計數(shù)，電壓比較器參考端的基準(zhǔn)電壓調(diào)整為1.0V左右，當(dāng)輸入端電壓大于參考端電壓時，該比較器電路實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，完成對輸入信號的整形。電壓比較器可采用L

23、M339，該芯片中含四個獨立的比較器電路，由于其輸出端為集電極開路，必須外接4K7上拉電阻才可正常工作。</p><p>　　圖4.5 電壓比較器電路</p><p><b>　　參數(shù)計算：參考電壓</b></p><p><b>　　u= VCC</b></p><p><b>　　波形

24、如圖4.6</b></p><p>　　圖4.6電壓比較器電路波形圖</p><p>　　4.1.4 模電部分總原理圖</p><p>　　模電部分總原理圖如圖4.7。</p><p>　　圖4.7 模電部分總原理圖</p><p><b>　　波形如圖4.8。</b></p&

25、gt;<p>　　圖4.8模電部分總原理圖波形圖</p><p><b>　　4.2 數(shù)電部分</b></p><p>　　4.2.1 多諧震蕩器單元</p><p>　　時基信號電路主要采用NE555集成電路構(gòu)成的多謝振蕩器實現(xiàn)，時基信號周期不小于2秒左右，</p><p>　　時基信號電路及工作波形圖

26、如圖4.9。</p><p>　　圖4.9多謝振蕩器電路</p><p><b>　　參數(shù)計算：振蕩周期</b></p><p>　　T=0.7(R1+2R2)C1</p><p><b>　　波形如圖4.10。</b></p><p>　　4.10多謝振蕩器電路波形圖<

27、;/p><p>　　4.2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單元</p><p>　　清零和1s定時器均由74LS123構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)，74LS123內(nèi)部含兩個獨立的單穩(wěn)態(tài)電路，圖4.11為由74LS123單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成的計數(shù)定時器和計數(shù)器清零電路。</p><p>　　圖4.11 單穩(wěn)態(tài)電路</p><p>　　參數(shù)計算：暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間</p&

28、gt;<p>　　清零T1=0.7R1C1</p><p>　　計數(shù)T2=0.7R2C2</p><p><b>　　波形如圖4.12。</b></p><p>　　圖4.12 單穩(wěn)態(tài)電路波形圖</p><p>　　4.2.3 計數(shù)、譯碼驅(qū)動和顯示單元</p><p>　　計數(shù)、譯

29、碼驅(qū)動和顯示電路可分別采用74LS160、74LS47和LED七段共陽級數(shù)碼管。74LS47譯碼驅(qū)動的輸出是低電平有效，由74LS160組成的十進計數(shù)器電路如圖4.13。</p><p>　　圖4.13計數(shù)、譯碼驅(qū)動和顯示電路</p><p>　　4.2.4 數(shù)電部分總原理圖</p><p>　　數(shù)電部分總原理圖如圖4.14。</p><p&g

30、t;　　圖4.14 數(shù)電部分總原理圖</p><p><b>　　5 電路安裝</b></p><p>　　5.1 元器件清單</p><p><b>　?。?）電阻</b></p><p><b>　?。?）電容</b></p><p><b

31、>　?。?）集成電路</b></p><p><b>　?。?）其它</b></p><p><b>　　5.2 電路布局</b></p><p>　　電路設(shè)計完畢，在面包板上搭接電路之前，首先要考慮本設(shè)計信號的基本走向和各元器件在面包板上的相應(yīng)位置，合理的元器件布局可以方便連線、減小干擾和有利電路調(diào)試

32、，面包板上電路元器件布局參考圖如圖5.1。</p><p>　　圖5.1 面包板電路元器件布局參考圖</p><p>　　5.3 面包板使用方法</p><p>　　本面包板由四塊彼此獨立的單元模板組合而成。</p><p>　　紅線貫通，一般可作為+電源線，藍(lán)線貫通一般可作為地線。</p><p>　　模塊分割槽：

33、DIP封裝的集成電路管腳中心線（芯片缺口）對準(zhǔn)分割槽插下。</p><p>　　面包板分割槽水平方向上的小孔彼此都不通，面包板分割槽縱向方向上的小孔彼此都相通。</p><p>　　5.4 電路芯片排列</p><p>　　注意信號流向和芯片管腳的一致性，留有彼此連線的空間，顯示器的排列要符合視角觀察要求。</p><p><b>

34、;　　5.5 連接線</b></p><p>　　連接線要做到平直、有序、盡可能短、牢靠和美觀，要方便調(diào)試，便于查看、分?jǐn)嗪头直妗?lt;/p><p><b>　　6 電路調(diào)試</b></p><p><b>　　6.1 實驗儀器</b></p><p>　　萬用表：一只；<

35、;/p><p>　　示波器：一臺；</p><p>　　穩(wěn)壓電源：一臺；</p><p>　　函數(shù)信號發(fā)生器：一臺；</p><p><b>　　連接線若干。</b></p><p><b>　　6.2 注意事項</b></p><p>　　

36、在電路調(diào)試之前要注意以下事項：</p><p>　?。?）檢查芯片位置方向，檢查芯片電源和地連線正確。</p><p>　　（2）檢查各芯片和器件的連接線是否正確。</p><p>　　（3）檢查LED數(shù)碼管各個管腳連線是否正確。</p><p>　?。?）放大器電路采用±5V供電，數(shù)字電路電壓為+5V。</p>&l

37、t;p><b>　　6.3 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　為簡化和方便整體電路的調(diào)試工作，可根據(jù)每一個單元電路的技術(shù)要求進行相對獨立的調(diào)試，每部分電路工作正常后，再進行其它電路的調(diào)試工作。</p><p>　?。?）放大器特性測試</p><p>　　保持信號源的正弦信號為峰-峰值300mV，頻率為10Hz~10KHz，加至放大

38、器輸入端，用示波器觀察放大器的輸入和輸出端信號波形，調(diào)整放大器放大倍數(shù)為2~8。</p><p>　　（2）濾波器特性測試</p><p>　　調(diào)整正弦輸入信號為頻率為10Hz~10KHz，信號幅度為峰-峰值500mV：</p><p>　　用示波器觀察輸入信號和濾波器輸出端信號的幅度差異，測出-3dB帶通濾波電路幅頻特性曲線。</p><p&g

39、t;　?。?）電壓比較器性能測試</p><p>　　在電壓比較器的信號輸入端，保持輸入正弦信號頻率為1KHz，峰-峰值為1.5V，調(diào)整電壓比較器參考電壓端的基準(zhǔn)電壓，用示波器觀察電壓比較器輸出端應(yīng)出現(xiàn)具有TTL電平的1KHz脈沖信號（TTL電平）。</p><p><b>　?。?）計數(shù)器電路</b></p><p>　　計數(shù)器電路在不加輸入

40、時基信號時，計數(shù)器、譯碼驅(qū)動和數(shù)碼管電路如接線正確，數(shù)碼管應(yīng)該顯示00，否則檢查連接或更換器件。</p><p>　?。?）時基信號電路性能測試</p><p>　　用示波器觀察NE555電路輸出端，電路正常時，應(yīng)輸出低頻方波信號，占空比為50%。一般電容取值100uF，調(diào)節(jié)R值，可以得到理想波形。</p><p>　?。?）計數(shù)器清零和計數(shù)閘門信號性能測試<

41、/p><p>　　計數(shù)器清零和計數(shù)閘門電路均采用單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，74LS123內(nèi)部含兩個獨立的單穩(wěn)態(tài)電路，可以分別產(chǎn)生計數(shù)器清零脈沖和計數(shù)閘門信號。</p><p>　　采用NE555電路的時基信號上升沿，作為清零信號電路的輸入觸發(fā)信號，清零信號的寬度由R、C值確定，一般調(diào)節(jié)為1mS左右。</p><p>　　清零信號加到計數(shù)器的清零端。</p><

42、p>　　用清零信號的下降沿，作為計數(shù)閘門電路的輸入觸發(fā)信號，計數(shù)閘門信號的寬度由R、C值確定，一般調(diào)節(jié)為1S左右，用示波器觀察74LS123單穩(wěn)電路的輸入和輸出端，應(yīng)有周期變化的脈沖波形。</p><p>　　計數(shù)閘門信號應(yīng)加到計數(shù)器的計數(shù)控制端。</p><p><b>　　7 使用說明書</b></p><p><b>　

43、　7.1 技術(shù)參數(shù)</b></p><p>　?。?）輸入信號：正弦、三角和方波；</p><p>　　頻率：1Hz~10KHz；</p><p>　　幅度：峰-峰值0.3 V ~3V；</p><p>　　（2）頻率計通帶：100Hz~2KHz（經(jīng)過計算實際為530 Hz~1061Hz）； </p><p&

44、gt;　　（3）量程范圍：0~99；</p><p>　　（4）閘門時間：1s（經(jīng)過計算實際為0.987s）；</p><p>　　（5）采樣周期：≥2s（經(jīng)過計算實際為2.1s）。</p><p><b>　　7.2 測量方法</b></p><p>　　在面包板的地線端口接電源地線，在面包板的+5V端口接電源+5V

45、，在面包板的-5V端口接電源-5V，在面包板的信號的輸入端口接函數(shù)信號發(fā)生器輸入。一段時間后數(shù)碼管顯示為函數(shù)信號發(fā)生器頻率的后兩位（近似值），可以實現(xiàn)自動測頻、數(shù)據(jù)顯示和保持、自動清零等功能。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　電子線路課程設(shè)計把實踐與理論有效地結(jié)合在一起，這次課程設(shè)計使我們對理論知識有了進一步的了解，同時加強了自己

46、的動手能力。通過這次的課程設(shè)計，發(fā)現(xiàn)以前學(xué)過的東西忘記很多，后把教材復(fù)習(xí)一下，加深了印象。這次課程設(shè)計，使我知道，光學(xué)習(xí)不動手是沒有用的，動手能力是很重要的?，F(xiàn)對本次課程設(shè)計總結(jié)如下：</p><p>　　（1）要對課程設(shè)計任務(wù)書理解透徹，明確各個芯片的聯(lián)系。</p><p>　?。?）理解實驗原理，設(shè)計各個單元電路。</p><p>　　（3）使用Multisim

47、10.1軟件進行各個單元電路進行仿真，得出仿真波形。</p><p>　?。?）分析仿真結(jié)果，調(diào)整參數(shù)得到近似的結(jié)果（仿真軟件時間單位為毫秒級，與實際電路參數(shù)相差甚遠(yuǎn)）。</p><p>　?。?）根據(jù)現(xiàn)有元器件，使用面包板搭出實際電路。</p><p>　?。?）先對單元電路進行測試，測量實際的波形，得出應(yīng)有的現(xiàn)象。再進行模電部分，數(shù)電部分調(diào)試，最后進行系統(tǒng)總調(diào)。

48、</p><p>　?。?）改進自己的電路，實現(xiàn)部分功能創(chuàng)新。</p><p>　　附錄A 仿真總電路圖</p><p>　　附錄B 實際總電路圖</p><p><b>　　附錄C 實物照片</b></p><p>　　此照片為未調(diào)試之前所拍攝，后做小幅度改動。</p>&l

49、t;p><b>　　參考資料</b></p><p>　　謝自美．電子線路綜合設(shè)計．武漢：華中科技大學(xué)出版社．2006</p><p>　　郭勇．余小平．電子系統(tǒng)綜合設(shè)計．北京：北京大學(xué)出版社．2007</p><p>　　蔣立平．?dāng)?shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計.：北京：電子工業(yè)出版社．2008</p><p>　　高吉祥

50、．電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計(2版).．北京：電子工業(yè)出版社.．2005</p><p>　　楊剛．電子系統(tǒng)與實踐．北京：電子工業(yè)出版社．2003</p><p>　　謝自美．電子線路設(shè)計．實驗．測試（第二版）．武漢：華中科技大學(xué)出版社．2000</p><p>　　胡宴如．耿蘇燕．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社．2003</p><p&

51、gt;　　楊吉祥．詹宏英．電子測量技術(shù)基礎(chǔ)．南京：東南大學(xué)出版社．1999</p><p>　　周文良．電子電路設(shè)計與實踐.北京：國防工業(yè)出版社．2011.1</p><p>　　王松武．電子創(chuàng)新設(shè)計與實踐．北京：國防工業(yè)出版社．2010．5</p><p>　　劉霞等．電子設(shè)計與實踐．北京：電子工業(yè)出版社．2009.4</p><p>