數(shù)電課程設(shè)計--數(shù)字頻率計

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　題 目：數(shù)字頻率計</p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　具備電子電路的基礎(chǔ)知識和設(shè)計能力；具備查閱資料的基本方法；熟悉常用的電子器件；熟悉電子設(shè)計常用軟件的使用；</p><p>　　要求

2、完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　1、設(shè)計頻率檢測電路；</p><p>　　2、測量信號與TTL電平兼容，頻率范圍：0HZ～100KHZ；</p><p>　　3、數(shù)碼管顯示頻率；</p><p>　　4、掌握數(shù)字電路的設(shè)計及調(diào)試方法；</p><p>

3、　　5、撰寫符合學(xué)校要求的課程設(shè)計說明書。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　時間一周，其中2天原理設(shè)計，3天電路調(diào)試</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名：

4、 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　1. 數(shù)字頻率計的設(shè)計總體方案2</p><p>　　1.1數(shù)字頻率計的簡介2</p><p>　　1.2電路方案設(shè)計3</p&

5、gt;<p>　　2. 電路模塊設(shè)計4</p><p><b>　　2.1計數(shù)電路4</b></p><p>　　2.4時基控制電路6</p><p>　　3. 系統(tǒng)總體電路圖7</p><p>　　3.1計數(shù)部分電路7</p><p>　　3.2閘門邏輯控制電路8<

6、;/p><p>　　4. 軟件仿真圖9</p><p>　　5. 實物調(diào)試10</p><p>　　5.1實物制作10</p><p>　　5.3誤差分析11</p><p>　　5.4元件清單12</p><p>　　6 心得體會13</p><p><

7、b>　　參考文獻(xiàn)14</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文介紹了一種測量僅與TTL電平兼容的信號的數(shù)字頻率計，其頻率的測量范圍為0HZ到100KHZ，此次設(shè)計頻率計思路主要是利用計數(shù)原理，通過一定的時基控制電路能在1秒鐘以內(nèi)讓計數(shù)器工作于計數(shù)狀態(tài)，最后在1秒鐘內(nèi)將計數(shù)值進(jìn)行鎖存﹑輸出﹑顯示，即可得到待測信號頻率

8、 ，涉及到的集成芯片主要有十進(jìn)制計數(shù)芯片74LS90﹑邊沿控制鎖存器74LS273﹑用于數(shù)碼管顯示的譯碼器CD4511﹑以及時基芯片555和雙可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123,共同完成了數(shù)字頻率計的設(shè)計。</p><p>　　關(guān)鍵詞：TTL電平兼容信號，計數(shù)，頻率計</p><p>　　數(shù)字頻率計的設(shè)計總體方案</p><p>　　1.1數(shù)字頻率計的簡介</p

9、><p>　　(1) 數(shù)字頻率計概述</p><p>　　數(shù)字頻率計主要是采用數(shù)字電路制做成的能實現(xiàn)對周期性變化信號頻率測量的儀器。頻率計主要用于測量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號的頻率值。其擴展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。通常說的，數(shù)字頻率計是指電子計數(shù)式頻率計。 </p><p><b>　　頻率計測量方法</b></p&

10、gt;<p>　　頻率計的測量方法很多，因其工作原理的不同導(dǎo)致有很多的測量方法。比如有比較法、無源測量法﹑示波器法和計數(shù)法 ，最常用的的是計數(shù)法，計數(shù)器法測量電路簡單﹑可靠，而且頻率的測量精度還較高，便于直接進(jìn)行數(shù)字化的顯示。計數(shù)法測量頻率又分為直接測頻法和間接測頻法。</p><p><b>　　頻率計組成結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　一般以計數(shù)原

11、理來制作的頻率計是由時基控制電路，放大整形電路，計數(shù)電路以及顯示電路等部分組成，頻率計的組成框圖如下：</p><p><b>　　|</b></p><p>　　圖1-1頻率計系統(tǒng)組成圖</p><p><b>　　1.2電路方案設(shè)計</b></p><p>　　方案一：通過單片機軟件實現(xiàn)，利用單

12、片機內(nèi)部所集成的定時器，在編程基礎(chǔ)定時周期1秒，然后設(shè)置I/O端口為計數(shù)模式，并且設(shè)置中斷時間為1秒，然后直接用單片機I/O端口驅(qū)動數(shù)碼管進(jìn)行顯示，計數(shù)值即為所測頻率。具體流程如下：</p><p>　　圖1-2軟件實現(xiàn)流程圖</p><p>　　方案二：通過直接計數(shù)法測頻率，利用計數(shù)芯片和時基控制電路實現(xiàn)對脈沖進(jìn)行計數(shù)，在1秒內(nèi)對脈沖進(jìn)行計數(shù)，其1秒內(nèi)計數(shù)值通過鎖存器進(jìn)行鎖存后輸出，然后

13、通過顯示電路顯示計數(shù)值，其計數(shù)值則為測量頻率。其方案設(shè)計流程圖如下所示：</p><p>　　圖1-3數(shù)字芯片實現(xiàn)測量頻率流程圖</p><p>　　方案比較論證： 方案一主要是依靠軟件編程實現(xiàn)，對于設(shè)計一個數(shù)字頻率計還是電路相對簡單，成本也較低，也便于容易實現(xiàn)。方案二是依靠數(shù)字集成芯片，原理比較清析，但是用到的集成芯片較多，外圍線路很多，但是對于熟練掌握數(shù)字電路芯片是個很好鍛煉機會，另外

14、本次是完成數(shù)電的課程設(shè)計。綜合考慮下，最終還是選擇方案二。</p><p><b>　　電路模塊設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1計數(shù)電路</b></p><p>　　計數(shù)部分電路用的是二—五十進(jìn)制的計數(shù)器74LS90,通過CLK0下降沿觸發(fā)后開始計數(shù)，CLK0與Q0構(gòu)成二進(jìn)制計數(shù)器，CLK1與Q2﹑Q3﹑Q

15、4構(gòu)成五進(jìn)制計數(shù)器，MR1與MR2同時高電平則輸出清零，MS1與MS2同時為高則置9，Q0與CLK1相連構(gòu)成十進(jìn)制。此次設(shè)計中用到6個74LS90進(jìn)行級聯(lián)計數(shù)，構(gòu)成6位數(shù)的計數(shù)是利用Q3的下降沿來觸發(fā)高位計數(shù)，即將Q3接到下一級芯片的CLK0，則可以完成高位的計數(shù)。</p><p>　　圖2-1基于74LS09計數(shù)電路</p><p>　　2.2數(shù)據(jù)鎖存輸出以及顯示電路</p>

16、<p>　　數(shù)據(jù)的鎖存用到的是上升沿觸發(fā)的74LS273的八位數(shù)據(jù)鎖存器，只有在有上升沿才將數(shù)據(jù)鎖存輸出，CD4511是常用的共陰極數(shù)碼管譯碼器，其具體連接電路如下：</p><p>　　圖2-2數(shù)據(jù)鎖存器輸出顯示電路</p><p><b>　　2.3門閘電路</b></p><p>　　門閘邏輯電路主要用雙可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7

17、4LS123來完成1秒后數(shù)據(jù)鎖</p><p>　　圖2-3門閘邏輯控制電路</p><p>　　存輸出，緊接著將計數(shù)器清零，避免下次脈沖到來時又再此基礎(chǔ)上重新計數(shù)，導(dǎo)</p><p>　　致頻率測量發(fā)生錯誤。74LS123觸發(fā)器在B端電位置為高電平時，在A端出現(xiàn)下降沿時，在輸出Q端就會產(chǎn)生一個單穩(wěn)態(tài)的脈沖波 ，此次設(shè)計的門閘主要利用產(chǎn)生的脈沖波的上升沿來使計數(shù)值鎖

18、存輸出，然后再將計數(shù)器進(jìn)行清零。通過外接電阻電容元件就可以改變輸出脈沖寬度，輸出脈寬，則設(shè)置好合適的電容和電阻調(diào)整輸出脈寬。</p><p><b>　　2.4時基控制電路</b></p><p>　　時基電路主要用到555定時器來產(chǎn)生一個方波信號,如下圖由555構(gòu)成一個多諧振蕩器電路</p><p>　　圖2-4由555構(gòu)成多諧振蕩器電路圖&

19、lt;/p><p>　　通過調(diào)節(jié)電位器R1可以改變輸出的占空比，該方波的整個充放電周期為，高電平所占時間為，此次設(shè)計要求輸出方波的高電平時間為1秒，，則可以有理論計算出，用高精度的電位器R1就可以將高電平的脈寬調(diào)到很精準(zhǔn)1秒，則數(shù)字頻率計的精度也會提高。</p><p><b>　　系統(tǒng)總體電路圖</b></p><p><b>　　3.

20、1計數(shù)部分電路</b></p><p><b>　　原理圖部分一：</b></p><p>　　圖3-1脈沖計數(shù)電路原理圖</p><p>　　計數(shù)部分的電路利用的是6個十進(jìn)制芯片74LS90，3個上升沿觸發(fā)八位數(shù)據(jù)74LS123的鎖存器，以及后面CD4511譯碼器和七段顯示數(shù)碼管，構(gòu)成對輸入的秒沖進(jìn)行計數(shù)﹑鎖存，最后進(jìn)行輸出和顯示

21、在數(shù)碼管上。</p><p>　　3.2閘門邏輯控制電路</p><p><b>　　原理圖部分二：</b></p><p>　　圖3-2閘門邏輯控制電路</p><p>　　這部分電路由555構(gòu)成的時基脈沖電路和74LS123可重復(fù)觸發(fā)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，主要是完成在1秒的高電平內(nèi)進(jìn)行計數(shù)，然后再利用邊沿使數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖

22、存，然后再將74LS90的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零。74LS123單穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器目的主要是考慮到芯片的延時，必須是先將1秒計時后的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存輸出，然后再利用觸發(fā)信號將74LS90計數(shù)值進(jìn)行清零。</p><p><b>　　軟件仿真圖</b></p><p>　　數(shù)字頻率計仿真圖如下：</p><p>　　圖4-1頻率計仿真圖</p>&l

23、t;p>　　仿真圖中輸入信號的頻率為1963HZ，仿真結(jié)果輸出值也為1963HZ，可見仿真是成功的，可見原理上可行。</p><p><b>　　實物調(diào)試</b></p><p><b>　　5.1實物制作</b></p><p><b>　　圖5-1實物焊接圖</b></p>&

24、lt;p>　　5.2實物顯示結(jié)果圖</p><p>　　圖5-2實物顯示結(jié)果圖一</p><p>　?。ń由蠄D）說明如下：上圖信號輸入頻率為110HZ，輸出結(jié)果顯示為115HZ，可見存在一定的偏差，偏差為5HZ。</p><p>　　圖5-3實物展示圖二</p><p>　　說明如下：上圖信號的輸入頻率為10KHZ，然后顯示結(jié)果輸出為1

25、0095HZ，存在一定的誤差，但是結(jié)果還是說明問題，證明電路原理和設(shè)計的正確性。</p><p><b>　　5.3誤差分析</b></p><p>　　實驗結(jié)果分析:從上面實驗結(jié)果顯示值存在著一定的誤差，誤差主要在于555時基脈沖信號很難精準(zhǔn)的定時為1秒，計數(shù)器只在1秒鐘內(nèi)才進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)高電平時間超過1秒時，則會使計數(shù)值偏大，頻率測量值就會偏大，如果高電平時間小于1

26、秒，則計數(shù)值偏小，頻率的測量值偏小。此外影響頻率測量誤差還可能存在集成芯片再進(jìn)行級聯(lián)時延時值較大存在的微小誤差，影響到最終頻率值得測量結(jié)果。</p><p><b>　　5.4元件清單</b></p><p><b>　　表5-4元件清單表</b></p><p><b>　　6 心得體會</b>&

27、lt;/p><p>　　數(shù)電課設(shè)我們的題目是數(shù)字頻率計，在了解原理之后，我們考慮到這個電路是時鐘信號的輸入比較重要，因為頻率計就是要測量一秒鐘內(nèi)一個信號源輸出了多少個完整周期信號，所以時鐘電路模塊我們要精準(zhǔn)到1秒，而不能直接給高低電平，因此我們考慮了很多方案，做出了555多諧振蕩器和晶體振蕩器，由于工藝的問題，555振蕩器在我們的后續(xù)調(diào)試中很穩(wěn)定，而晶體卻不那么穩(wěn)定，所以我們選用555振蕩器。</p>

28、<p>　　其次重要的部分是計數(shù)，鎖存及輸出部分，由于這部分電路較為復(fù)雜，有21個芯片，手工焊線的話，我們需要的杜邦線太多，也無法完成調(diào)試，所以我們還是選用做PCB板，而單面線路太多，就考到做雙面PCB，一方面是方便走線，一方面是嘗試雙面PCB板的手工制作，給自己挑戰(zhàn)。不過過程就沒這么簡單，雙面板的對齊很難，我們做了三塊板子，完成了兩塊，之后在過孔和焊錫上花了很多時間，但是花時間更多的是檢查線路，由于我們鍍錫做的不是很好，很多

29、焊點都有虛焊，我們在檢查了二三十處錯誤之后，終于完成了板子的焊接。</p><p>　　在調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管一直計零，完全沒有計數(shù)，在多次檢查通斷之后，問題還是沒有解決，最后我們在原理上找到了問題，因為90芯片的清零比273的鎖存要快，所在鎖存器鎖存之前，計數(shù)就已經(jīng)被清零了，為了解決這個問題，我們選用了74LS123組成的延時電路來解決這個問題，由于延時電路有兩個部分，讓快的部分接入鎖存器，慢的部分接入計

30、數(shù)器清零端，就可以避免這個問題。</p><p>　　于是我們的課程設(shè)計到此終于完成了基本功能的測試，為了提高精度，我們微調(diào)了555振蕩電路，使其在0—1KHz內(nèi)誤差小于1%，在1KHz—100 KHz內(nèi)誤差小于5%。這次試驗真的是得到了很多東西，學(xué)會了雙面PCB板的焊接，學(xué)會了數(shù)電芯片的調(diào)試，學(xué)會了培養(yǎng)自己的耐心，這是一次很有意義的課程設(shè)計。</p><p><b>　　參考文

31、獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]伍時和,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第一版. 清華大學(xué)出版社,2009</p><p>　　[2]梁宗善,新型集成電路的應(yīng)用--電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計.華中科技大學(xué)出版社,2004</p><p>　　[3]孫梅生,電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計.高等教育出版社,2005</p><p>　　[4]康華光,數(shù)字電子技