1、 數電課程設計實驗報告 學院： 機械與電子工程學院 班級： 1521501 姓名： 熊偉 學號： 201520150122 指導老師：馮林、劉琦 201611.18課程設計報告一、設計題目 數字頻率計設計二、設計任務頻率計又稱為頻率計數器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T內的周期個數為N時，則被測信號的頻率f=N/T。用中小規模數字集成電路和半導體顯示器件實現以下技術指標：頻率測量范圍：109999Hz輸入電壓幅度：300mV3V輸入信號波形：任意周期信號顯示位數： 4位電源： 220V50Hz三、設計要求1. 系統工作原理說明；2

2、. 畫出系統電路原理圖；3. 對所設計的電路全部或部分進行仿真，使之達到設計任務要求；4. 寫出設計說明書。 目錄0綜述21 方案論證42 原理及技術指標53 單元電路設計及參數計算73.1時基電路73.2邏輯控制電路83.3計數器93.4鎖存器113.5譯碼電路12 3.6設計總圖134設計小結134.1 設計任務完成情況134.2 問題及改進144.3 心得體會14 摘要 數字頻率計是一種用十進制數字，顯示被測信號頻率的數字測量儀器。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變化的物理量。在進行模擬、數字電路的設計、安裝、調試過程中，由于其使用十進制數顯示，測量迅速，顯示直

3、觀，所以經常要用到數字頻率計。 頻率測量中直接測量的數字頻率計主要由四個部分構成：時基（T）電路、輸入電路、計數顯示電路以及控制電路。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經過放大、整形、微分操作之后形成方波信號，加到與非門的另一個輸入端上.該與非門起到主閥門的作用,在與非門第二個人輸入端上加閥門控制信號,控制信號為低電平時閥門關閉,無信號進入計數器;控制信號為高電頻時,閥門開啟整形后的信號進入計數器,若閥門控制信號取1s,則在閥門時間1s內計數器得到的脈沖數N就是被測信號的頻率1 方案論證數字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（ 1S ）內信號發生周期變化的次數。如

4、果我們能在給定的 1S 時間內對信號波形計數，并將計數結果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數字頻率計首先必須獲得相對穩定與準確的時間，同時將被測信號轉換成幅度與波形均能被數字電路識別的脈沖信號，然后通過計數器計算這一段時間間隔內的脈沖個數，將其換算后顯示出來。這就是數字頻率計的基本原理。信號的頻率就是信號在單位時間內所產生的脈沖個數，其表達式為f=N/T，其中f為被測信號的頻率，N為計數器所累計的脈沖個數，T為產生N個脈沖所需的時間。計數器所記錄的結果，就是被測信號的頻率。如在1s內記錄1000個脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。2 原理及技術指標交流電信號或脈沖信號的頻率是指單位時間內

5、產生的電振動的次數或脈沖個數。用數學模型可表示為：f=Error! No bookmark name given.式中f為頻率。N為電振動次數或脈沖數。T為產生N次電振動或脈沖所需要的時間。第一步把各種被測信號通過放大整形電路，使其成為規矩的數字信號實現頻率測量的另一必備環節是時基電路。時基電路就是產生時間標準信號的電路裝置。通常要求精確穩定，所以采用1MHz或5MHz石英晶體振蕩器做成標準時間信號發生器。一般計數器則采用十位計數器，N進制的計數器也就是N分頻器，其N進位信號也可作為N分頻信號。如圖2.1所示為數字頻率計系統原理總框圖，被測量信號經過放大與整形電路傳入十進制計數器，變成矩形波信

6、號，此時數字頻率計與被測信號的頻率相同，時基電路提供標準時間基準信號，此時利用所獲得的基準信號來觸發控制電路，進而得到一定寬度的閘門信號，計數時1S內，閘門開通，被測量的脈沖信號通過閘門，其計數器開始計數，當1s至1.25S閘門關閉，停止計數,所得的數字N就是其頻率.邏輯控制電路數碼顯示器譯碼器鎖存器計數器閘門電路放大與整形電路時基電路VX圖2.1數字頻率計系統原理方框圖 邏輯控制電路的一個重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時基信號輸入，使計數器顯示的數字停留一段時間，以便觀測和讀取數據。簡而言之，控制電路就是通過循環打開主控門計數，關上主控門顯示，然后清零，這個過程來完成頻率的計數。控

7、制電路如圖2.1.b所示. 圖2.2 邏輯控制電路3 單元電路設計3.1時基電路用于獲得穩定的時間基準信號，以此來控制主控門的開啟時間，電路見 如下 圖3.1 時基電路 本設計中采取用555定時器組成的多諧振蕩器如圖3.1所示。接通電源后，電容被充電，當上升到時，使為低電平，同時放電三極管T導通，此時電容C通過和T放電，下降。當下降到時，翻轉為高電平。電容器C放電所需的時間為當放電結束時，T截止，將通過、向電容C充電，由上升到所需的時間為當上升到時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為3.2邏輯控制電路控制電路需要控制幾個模塊。包括計數電路

8、，鎖存電路，和譯碼顯示電路。通過產生控制信號控制所要控制的模塊，同時會產生清零信號和鎖存信號，使顯示器顯示的測量結果穩定.輯控制電路的作用主要是控制主控門的開啟和關閉，同時也控制整機邏輯關系。本次設計采用74LS123N組成邏輯控制電路，先啟動脈沖置成1，其余觸發器置成0，此時時基電路傳入脈沖，控制電路開始工作。被測信號通過閘門進入計數電路，于是計數器譯碼器開始計數，記下所測信號頻率值。當控制電路轉為其他狀態時，閘門關閉，計數器停止工作，數碼管繼續顯示所測頻率值。直到有一次循環，計數器清零，數碼管顯示消失，到此為止，頻率計完成一次測量。脈沖信號可由兩個單穩態觸發器74LS123N產生，它們的脈

9、沖寬度由電路的時間常數決定。由74LS123N的功能得出，當1、觸發脈沖從1A端輸入時，在觸發脈沖的負跳變作用下，輸出端可獲得一負脈沖，其波形關系正好滿足圖2.2所示的波形和的要求，手動復位開關S按下時，計數器清零。邏輯控制電路如圖3.2所示： 邏輯控制電路圖3.23.3計數器為了提高計數速度，可采用同步計數器。采用4個74LS90D二-五-十進制計數器，該芯片無需額外的元器件就可實現十進制計數，所以首選。計數器依次從個位開始計數，向上為發出進位信號而是高位開始計數。其特點是計數脈沖作為時鐘信號同時接于各位觸發器的時鐘脈沖輸入端，在每次時鐘脈沖沿到來之前，根據當前計數器狀態，利用邏輯控制電路，

10、準備好適當的條件。當計數脈沖沿到來時，所有應翻轉的觸發器同時翻轉，同時也使用所有應保持原狀的觸發器不該變狀態。被測信號經整形后變為脈沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由石英晶體多諧振蕩器電路產生，經整形分頻后，產生一個標準的時基信號，作為閘門開通的基準時間。被測信號通過閘門，作為計數器的時鐘信號，計數器即開始記錄時鐘的個數，被測信號由閘門開通送入計數器，記錄所測信號頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測得頻率值；待閘門關閉，計數器停止工作；電路則繼續工作進行下次循環，計數器清零，顯示器數值消失，頻率計完成一次測量。3.4鎖存器鎖存器是構成各種時序電路的存儲單元

11、電路，其具有0和1兩種穩定狀態，一旦狀態被確定，就能自行保持，鎖存器是一種脈沖電平敏感的存儲單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態。在確定的時間內（1s）,計數器的計數結果必須經鎖定后才能獲得穩定的顯示值.鎖存器的作用通過觸發脈沖控制.將測得的數據寄存起來,送顯示譯碼器.鎖存器可以采用8位并行輸入寄存器.為使數據穩定,采用邊沿觸發方式的器件.在確定的時間內計數器的技術結果必須經鎖定后才能獲得穩定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發脈沖控制，將測量的數據寄存起來，送入譯碼顯示器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器。 此電路采用74LS273N鎖存器，其作用是將計數器在1s結束時鎖記得

12、的數進行鎖存，使顯示器上能穩定地顯示此時計數器的值。當1s計數結束時，通過邏輯電路產生信號送入鎖存器，將此時計數的值送入譯碼顯示器。選用兩個8位鎖存器74LS273N可以完成上計數功能。當時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計數器的輸出值送到鎖存器的輸出端正脈沖結束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態仍保持原來的狀態的Q不變。所以在計數期間內，計數器的輸出不會送到譯碼顯示器。 鎖存器芯片3.5譯碼電路在閘門電路導通的情況下，開始計數被測信號中有多少個上升沿。在計數的時候數碼管不顯示數字。當計數完成后，此時要使數碼管顯示計數完成后的數字。采用七段共陽數碼管顯示,譯碼顯示

13、器的作用是把計數器產生的十進制數轉化成能驅動數碼管正常顯示的段信號,從而獲得數字顯示圖3.5 3.5數碼管顯示及其控制電路3.6設計總圖4設計小結4.1 設計任務完成情況通過為期一周的課程設計，我對于數字頻率計的組成與功用有了了解與掌握，并且對于數字頻率計的個部分電路有了各設計的方案進行了論證與設計。在設計頻率計的電路過程中對于邏輯控制電路有了更深一步的認識，了解并掌握了芯片74LS123N的功能與連接，并且對于譯碼顯示器、計數器與鎖存器的工作有了認識與了解。4.2 問題及改進連接好電路以后，發現沒反應，然后通過對照電路圖進行檢查修改，用萬用表測所有元器件接口電壓，一步一步改進。當閘門導通時，時基信號通過閘門到達計數電路計數。由于閘門導通時間與被測信號周期相同，則可根據計數器計數值和時基信號的周期算出被測信號的周期T。T=1S*計數器計數值,所測頻率可直接表示為所測信號頻率.4.3 心得體會因為是第一次做課程設計，在拿到題目時，很茫然不知如何下手。后來通過廣泛查閱相關資料還有和同組同學的討論，總算找到了方