1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計數(shù)字頻率計的設(shè)計姓 名： 杜昌波 學(xué) 院： 工學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學(xué) 號： 12100 505 指導(dǎo)教師： 劉權(quán) 吳敏 2014年06月04日電子技術(shù)課程設(shè)計目 錄目錄 .21 設(shè)計任務(wù)與要求.31.1 基本功能.31.2 擴展功能.32 設(shè)計原理.33 電路設(shè)計.43.1 整形電路.43.2脈沖波形產(chǎn)生及分頻電路.63.3 閘門電路.83.4 計數(shù)電路.93.5 鎖存顯示電路.113.6 超量程報警顯示電路.123.7 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路.133.8 整機電路.143.9 說明.153.10 仿真結(jié)果.154 元器件清單.195 設(shè)計體會.21參考資料.22

2、數(shù)字頻率計的設(shè)計（第十組）1 設(shè)計任務(wù)與要求1.1 基本功能1）能夠測量正弦信號，矩形信號等波形的頻率；2）測量信號的頻率范圍為1HZ100KHZ，分辨率為1HZ；3）測量結(jié)果直接用十進制數(shù)值計數(shù)，通過五個數(shù)碼管顯示；4）具有自較和測量兩種功能；5）測量誤差小于5%；6）多諧振蕩器采用12M晶振電路，閘門用與門實現(xiàn)，顯示用共陽極數(shù)碼管。1.2 擴展功能1）分成四個頻段，即199Hz,1001KHz,110KHz,10100KHz；2）有超量程警告功能，當測量信號頻率超過所選檔位的量程時，頻率計發(fā)出鈴聲警報。2 設(shè)計原理脈沖信號的頻率就是在單位時間(1s)里產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，若在一定時間間隔tw內(nèi)

3、測得這個周期信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為： f=N/T 數(shù)字頻率計的總體框圖如圖1所示：矩形信號譯碼顯示鎖存器計數(shù)器閘門被測正弦波放大整形單穩(wěn)2單穩(wěn)1多諧振蕩器分頻器（多級十進制）圖1數(shù)字頻率計由七大基本電路組成：放大整形系統(tǒng)、閘門電路、多級分頻電路、可控的計數(shù)系統(tǒng)、鎖存譯碼顯示電路、超量程報警系統(tǒng)、單穩(wěn)態(tài)信號產(chǎn)生電路。經(jīng)過放大整形后變?yōu)榉讲ㄐ盘枺旈T控信號到來后，閘門電路開啟，時間為T1，計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)功能，T1時間過后閘門關(guān)閉，計數(shù)停止，鎖存器使能端置零，計數(shù)結(jié)果被鎖存，通過數(shù)碼管可以方便讀出被測信號頻率。3 電路設(shè)計3.1 整形電路1）功能：將被測信號整形成方波，方便計數(shù)。2

4、）整形電路如圖3所示：圖3.13） 整形電路原理及功能實現(xiàn)：用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，用施密特觸發(fā)器對波形的整形功能。利用施密特觸發(fā)器可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。圖3.104）整形電路的輸入輸出波形： 圖3.11 圖3.11為輸入信號是正弦波時整形電路的波形圖。3.2脈沖波形產(chǎn)生及分頻電路1） 多諧振蕩器電路 圖3.21圖中，晶振用12M晶振元件，反相器是7404非門，R1=560,R2=1.8k,R3=220,R4=220,電路將產(chǎn)生12MHz的矩形脈沖波。2） 多級分頻

5、器電路 圖3.22圖3.22是兩個D觸發(fā)器，通過D與Q¯¯相連，S R接地，構(gòu)成二分頻電路，相連接即是四分頻。 圖3.23圖3.23所示是六十分頻電路，參照數(shù)字電子計數(shù)實驗教程 實驗十一 脈沖分配器及其使用（P.60），用兩片CC4017和一片CC4013及與非門實現(xiàn)（將第二片5端和第一片11端接與非門）.圖3.24圖3.24所示為5片74160級聯(lián)的105分頻器，結(jié)構(gòu)原理同數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)書上P.303百進制計數(shù)器。通過選取不同片數(shù)過來的RCO作為閘門信號，即可實現(xiàn)0.5Hz 5Hz 50Hz 500Hz不同頻率信號。3.3閘門電路1）閘門電路功能：只有當閘門開啟時，計數(shù)

6、器才實現(xiàn)計數(shù)功能，計數(shù)器開啟的時間就是閘門開啟時間。計數(shù)結(jié)果為外界整形之后得到的方波的負脈沖個數(shù)。可見，當閘門開啟時間一定時，被測信號頻率可由計數(shù)結(jié)果與閘門開啟時間相除求得。2）閘門電路圖如3.3所示：圖3.33） 閘門電路原理及功能實現(xiàn)：閘門電路用與門實現(xiàn)，即在閘門信號（采集信號）高電平時，將所測信號采集送入計數(shù)器，到低電平后結(jié)束，由于閘門信號是用高電平計時，因此在用1s采集計數(shù)時，閘門信號頻率為0.5Hz4)閘門電路輸入輸出波形：下圖為分別選擇分辨率為1HZ（圖3.31）、10HZ（圖3.32）、100HZ（圖3.33）、1000HZ（圖3.34）的檔位，閘門電路輸入輸出的波形圖.由圖可知

7、，當施密特觸發(fā)器觸發(fā)輸入端輸入一個觸發(fā)信號（下降沿）時，其輸出端輸出一個時間為tw的高電平，tw分別約等于1s,100ms,10ms,1ms. 圖3.31圖3.32 圖3.33圖3.343.4計數(shù)電路1) 計數(shù)電路的功能：脈沖信號進入十進制計數(shù)器，在閘門時間T1=tw內(nèi),累計信號脈沖個數(shù)N=T×f，計數(shù)器通過對脈沖信號計數(shù)，可直接或間接測出周期信號的頻率。2）計數(shù)電路如圖3.4所示： 圖3.43）計數(shù)電路原理及功能實現(xiàn)：計數(shù)電路所選芯片為74LS160，該芯片為可預(yù)置的十進制同步計數(shù)器。其真值表如表2所示：表274LS160 的清除端是異步的。當清除端CLR為低電平時，不管時鐘端CL

8、K狀態(tài)如何，即可完成清除功能；74LS160 的預(yù)置是同步的。當置入控制器LOAD為低電平時，在CP 上升沿作用下，輸出端QAQD 與數(shù)據(jù)輸入端AD一致；160 的計數(shù)是同步的，靠CLK 同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當CEP、CET 均為高電平時，在CP 上升沿作用下QAQD同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。74LS160 有超前進位功能。當計數(shù)溢出時，進位輸出端RCO輸出一個高電平脈沖，其寬度為Q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成N 位同步計數(shù)器。我采用并行進位的方式。這里我將五個74LS160級聯(lián)成5位同步十進制計數(shù)器(計數(shù)輸入接每一片74160的CLK端，

9、第一片74160的EP ET接VCC，進位RCO接下一片的EP ET,每一片的LD接VCC，D0D3接地)。整個計數(shù)電路的輸入端（每一個74LS160的CLK端）與閘門電路的輸出端連接，閘門打開，計數(shù)器開始計數(shù)。閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。RCO為進位端，在之后的超量程報警中用到。3.5 鎖存顯示電路1） 鎖存顯示電路功能：當計數(shù)完成，即閘門關(guān)閉時，通過鎖存電路將計數(shù)結(jié)果鎖存，計數(shù)結(jié)果（為十進制，讀數(shù)方便）通過7447譯碼，送給五個七段共陽極顯示數(shù)碼管顯示。7447的主要功能是輸出低電平驅(qū)動的顯示碼，用以推動共陽極7段LED數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字。2）鎖存顯示電路圖如圖3.5所示， OE¯

10、; MR接地，而STB接的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)信號，用于鎖存。圖3.53）鎖存顯示電路原理及功能實現(xiàn)：鎖存器4508如圖3.5所示，在 OE¯ MR接地時，STB每來一個觸發(fā)信號,鎖存器就將D0D3的信號鎖存，待到觸發(fā)信號過去，無論D0D3 怎樣變化，輸出Q0Q3都保持所存信號不變直到下一個觸發(fā)脈沖到達。四個鎖存器的輸入端D分別與計數(shù)器的QAQD相連，輸出端Q分別與后面的顯示電路相連。3.6 超量程報警顯示電路1）超量程報警顯示電路功能：在被測信號頻率范圍未知的情況下，如果選擇了不合適的檔位，特別是量程小于被測頻率的檔，此時不能正確測量信號頻率。超量程報警顯示電路在超量程測量時會進行報警，并

11、且通過鈴聲進行顯示，提醒用戶更換更高量程的檔位。2）超量程報警顯示電路如圖3.6所示： 圖3.63）超量程報警顯示電路原理及功能實現(xiàn)：如圖可知，5輸入與門的5個輸入端（軟件中未找到6輸入與門，用兩個與門代替），分別與個十百千萬位計數(shù)器的進位端RCO連接，另一個與門與閘門電路的輸出端連接。總的輸出端連接到一個運算放大器上，再接一個指示燈以及蜂鳴器的一端。當閘門仍然處于開啟狀態(tài)，計數(shù)至99999后，四個計數(shù)器進位端都處于高電平時，與門輸出高電平，指示燈亮，且蜂鳴器發(fā)出報警聲音。3.7 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路1）74121功能： 輸出緩沖電路由反相器G8和G9組成，用于提高電路帶負載能力。根據(jù)門G6輸出端

12、電路結(jié)構(gòu)和門G7輸入端電路結(jié)構(gòu)可以求出計算輸出脈沖寬度的公式TwRext*Cext ln2=0.69Rext*Cext通常Rext的取值在230k之間，Cext的取值在10pF10uF之間，得到的Tw范圍可達20ns200ms。2）在使用外接電阻Rext（下降沿觸發(fā)）時，取Cext=10uF,Rext=10k,Tw能達20ns200ms之間的70ms，連接兩個這樣10 11腳接電容Cext，11 14腳接電阻Rext，4 5腳接高電平的74121，有前后兩個單穩(wěn)態(tài)分別輸出至鎖存器STB和計數(shù)器RD¯ ，即在高電平計數(shù)完70ms后，開始鎖存，70ms后，再清零，如此反復(fù)。圖3.73.8

13、 整機電路整機電路圖如圖3.8所示： 圖3.83.9 說明矩形信號的測試以及自檢功能圖中未顯示。自檢即是被測信號換為分頻器輸出信號；矩形信號的測試不需要經(jīng)過放大整形直接接到閘門（與門）上。3.10 仿真結(jié)果在PROTEUS軟件里，按下仿真鍵，將開關(guān)閉合，依次選擇1HZ檔，10HZ檔，100HZ，1000HZ檔，測不同范圍頻率，檢查結(jié)果是否與理論值相符合。外界被測信號由軟件自帶的波形發(fā)生器生成，可設(shè)置任意頻率值。下面分別為用1HZ檔測頻率為1024HZ的信號(如圖4.1)，10HZ檔測頻率為1024HZ的信號(如圖4.2)，100HZ檔測頻率為1024HZ的信號(如圖4.3)，1kHZ檔測頻率為

14、1024HZ的信號(如圖4.4)所得的仿真結(jié)果。圖4.1圖4.2圖4.3圖4.4仿真所測值與理論值大致相等。HZ檔誤差為±1HZ，10HZ檔誤差為±10HZ, 100HZ檔誤差為±100HZ, 1kHZ檔誤差為±1kHZ。（由于軟件運行問題，測試時信號頻率一律為1024Hz，而沒有顯示出大頻率信號的測量結(jié)果）4 元器件清單Total Parts In Design:466 ResistorsQuantity:ReferencesValueOrder Code1R1560 1R21.8k 2R3, R4220 2R11, R2210k 2 Capacito

15、rsQuantity:ReferencesValueOrder Code2C1, C210uF 31 Integrated CircuitsQuantity:ReferencesValueOrder Code1U17404 2U2, U294013 2U3, U44017 1U57400 1U64011 10U7-U11, U14-U1874160 1U12555 2U13, U28AND 3U19-U214508 5U22-U267447 1U27AND_5 2U71, U8274121 1 TransistorsQuantity:ReferencesValueOrder Code1Q1NP

16、N 6 MiscellaneousQuantity:ReferencesValueOrder Code1BUZ2BUZZER 1SW1SW-ROT-4 3SW2-SW4SW-SPDT 1X1CRYSTAL 5 設(shè)計體會一周的數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計結(jié)束了，在這一周里，在我們組全體成員的努力和合作下，這次課程設(shè)計完成了。只有擁有扎實的理論知識才能形成設(shè)計理念。課程設(shè)計前期，我們查閱了大量資料，重拾電子技術(shù)教材以及相關(guān)讀物，對知識進行了系統(tǒng)而全面的梳理。溫故而知新，對理論知識有了全面的掌握后，整理出思路，很快設(shè)計出總體框架圖。然而實踐是檢驗真理的唯一標準，有了理論基礎(chǔ)的我們，在實際操作中并非一帆風(fēng)順。電路連接好以后，我們遇到了很多問題，例如兩個單穩(wěn)態(tài)信號的產(chǎn)生問題一度讓我焦頭爛額。這些問題一度讓我們百思不得其解，但是通過不斷的調(diào)試，這些問題最終得到了解決。有則改之無則加勉，雖然我們的設(shè)計已經(jīng)基本完成，但是仍然有瑕疵。在仿真的過程有時候很緩慢，例如為了驗證超量程報警是否可行，計數(shù)器要計數(shù)到99999，軟件的仿真并不是按照秒來運行的，計算很慢，沒有仿真完成；還有一旦選擇大量程計數(shù)幾千以上的頻率就會很慢，軟件會卡死不能運行，這讓我無從下手。這一周的課程設(shè)計讓我學(xué)到了很多，不僅是鞏固了先前學(xué)的模電、數(shù)電的理論知識，而且也培養(yǎng)了我的動手能力，團隊合作能力，磨煉了我的毅力，更令我的創(chuàng)造性思