1、武漢理工大學電工電子技術課程設計說明書學 號： 0121211350416課 程 設 計題 目簡單數字頻率計的設計與制作學 院自動化專 業電氣工程及其自動化班 級電氣1204姓 名游旭指導教師王宏2014年6月25日課程設計任務書學生姓名：游旭 專業班級：電氣1204指導教師：王宏 工作單位：武漢理工大學題 目: 簡單數字頻率計的設計與制作 初始條件：（1） 要求用直接測量法測量輸入信號的頻率（2） 輸入信號的頻率為19999HZ要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設計任務及要求（2） 方案比較及認證（3） 系統框圖，原理說明（4） 硬件原

2、理，完整電路圖，采用器件的功能說明（5） 調試記錄及結果分析（6） 對成果的評價及改進方法（7） 總結（收獲及體會）（8） 參考資料（9） 附錄：器件表，芯片資料時間安排：6月16日6月19日：明確課題，收集資料，方案確定6月19日6月21日：整體設計，硬件電路調試6月21日6月24日；報告撰寫，交設計報告，答辯指導教師簽名： 2014年 6月 26 日目錄摘要11結構設計與方案選擇21.1設計要求21.2設計原理及方案21.2.1方案一：利用單片機制作頻率計21.2.2方案二：利用寄存器與計數器制作頻率計31.2.3 方案確定42單元電路的設計52.1脈沖信號的形成電路52.2時基電路和閘門

3、電路62.3計數電路72.4寄存電路、譯碼電路和顯示電路83整體電路的設計93.1總電路分析93.2 總電路圖94電路的調測與分析104.1計數、顯示電路的調測104.2調試電路的注意事項115所用芯片及其它器件說明115.1 555定時器115.1.1 555構成的施密特觸發器125.1.2 555構成的多諧振蕩器135.2 74LS175寄存器145.3 74LS90計數器145.4 數碼譯碼顯示器165.4.1 七段譯碼管165.4.2 BCD 碼七段譯碼驅動器17結束語18參考文獻19附錄_元件清單列表20摘要數字頻率計是用數字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波、方波或其它周

4、期性變化的信號。它被廣泛應用與航天、電子、測控等領域。它的基本測量原理是，首先讓被測信號與標準信號分別通過閘門電路與時基電路，然后用計數器計數信號脈沖的個數，把標準時間內的計數的結果用寄存器寄存起來，最后用顯示譯碼器把寄存的結果用LED數碼顯示管顯示出來。本文設計的是要求用直接測量法測量輸入信號的頻率并且能夠直接地顯示頻率在1Hz至9999Hz范圍內的被測信號的頻率。 根據數字頻率計的基本原理及設計的基本要求，本文設計的基本思想是分為五個模塊即時基電路、閘門電路、寄存電路、計數電路和譯碼顯示電路。其中利用555定時器分別構成施密特觸發器及多諧振蕩器來組成閘門電路和時基電路，計數電路是由四塊74

5、LS90芯片組成，寄存電路則由四塊74ls175芯片組成，譯碼顯示電路是由四塊CD4511芯片及四塊共陰極數碼管組成，最終整個設計電路可以顯示被測信號的頻率。關鍵字：計數器 74ls90 74ls175 CD4511 555定時器21簡單數字頻率計的設計與制作1結構設計與方案選擇1.1設計要求（1） 要求用直接測量法測量輸入信號的頻率（2） 輸入信號的頻率為19999HZ1.2設計原理及方案數字頻率計是直接用十進制的數字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它不僅可以測量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號的頻率 ，而且還可以測量它們的周期。根據根據課程設計任務書中的要求，及我們對頻率計數器的了解，大

6、致可以設計出以下兩種方案。1.2.1方案一：利用單片機制作頻率計 如下圖所示，此方案是采用單片機程序處理輸入信號并且將結果直接送往LED顯示，為了提高系統的穩定性，輸入信號前進行放大整形，在通過A/D轉換器輸入單片機系統，采用這種方法可大大提高測試頻率的精度和靈活性，并且能極大的減少外部干擾，采用VDHL編程設計實現的數字頻率計，除被測信號的整形部分、鍵輸入部分和數碼顯示部分以外，其余全部在一片FPGA芯片上實現整個系統非常精簡，而且具有靈活的現場可更改性。但采用這種方案相對設計復雜度將會大大提高并且采用單片機系統成本也會大大提高。LED數顯電路輸入信號放大器A/D轉換器單片機 1.2.2方案

7、二：利用寄存器與計數器制作頻率計圖中脈沖形成的電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測信號的頻率f。時間基準信號發生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則們控電路的輸出信號持續時間亦準確的等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數器譯碼顯示電路。秒信號結束時閘門關閉，技計數器得的脈沖數N是在1秒時間內的累計數，所以被測頻率f= N Hz。 被測信號f經整形電路變成計數器所要求的脈沖信號，其頻率與被測信號的頻率相同。時基電路提供標準時間基準信號，其高電平持續時間t1=1 秒，當l秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計

8、數器開始計數，直到l秒信號結束時閘門關閉，停止計數。若在閘門時間1s內計數器計得的脈沖個數為N，則被測信號頻率f=NHz,如圖1.1所示，即為數字頻率計的組成框圖。圖1.1 數字頻率計的組成框圖 圖1.2 數字頻率計的工作時序波形 邏輯控制單元的作用有兩個：其一，產生清零脈沖，使計數器每次從零開始計數；其二，產生所存信號，是顯示器上的數字穩定不變。這些信號之間的時序關系如圖1.2所示數字頻率計由脈沖形成電路、時基電路、閘門電路、計數寄存和清零電路、譯碼顯示電路組成。1.2.3 方案確定方案一：整個系統非常精簡，而且具有靈活的現場可更改性。但采用這種方案相對設計復雜度將會大大提高并且采用單片機系

9、統成本也會大大提高。有了單片機雖然可以通過編寫一段適當的程序就可以得到結果但到目前為止我們還沒有正式地接觸單片機的知識。此方案不能起到鞏固所學知識的作用。方案二：所選的單元電路都是我們在模電和數電課上學到的知識，并且這些單元電路很常用，也很便宜，所以易于購買。它的整體結構也簡單便于組裝和調試，也容易出結果并且能鞏固我們所學的知識。綜合以上兩種頻率計的設計方案，通過考慮設計方案設計復雜程度、調試難易程度及所用的元器件的價格等幾個方面，得出：應選用方案二。2單元電路的設計2.1脈沖信號的形成電路脈沖信號形成電路的作用是將待測信號fx（如正弦波、三角波或者其他呈周期性變化的波形）整形為計數器所要求的

10、脈沖信號，其周期不變。將其他波形變換成脈沖波的電路有多種，如施密特觸發器、單穩態觸發器、比較器等。其中施密特觸發器的應用較多。我在這里設計的電路形式是采用555定時器構成的施密特觸發器，電路原理如圖2.1 所示。圖2.1 脈沖信號形成電路圖中R3與R4的作用是將被測信號進行電平移動，因為555構成的施密特觸發器的上觸發電平UT+ =2/3Ucc，下觸發電平UT=1/3Ucc，如圖2.2所示圖2.2 脈沖信號形成輸入信號的直流電平Uxo從C3左側輸入應該滿足下列關系1/3UccUxo1/2UT=0.83V.為使Uxo=2.5V，對于圖3.1所示電路，則取R3=R4=10K。2.2時基電路和閘門電

11、路如圖2.1所示，閘門電路是控制計數器計數的標準時間信號，決定了被測信號的脈沖通過閘門進入計數器進行計數的計數個數，其精度很大程度上決定了頻率計的頻率測測量精度。當要求頻率測量精度高時，應使用晶體振蕩器通過分頻獲得。在此簡單數字頻率計的中，時基信號采用由555定時器構成的多諧振蕩器電路，當標準時間信號（1s高電平）來到時，閘門開通，被測信號的脈沖通過閘門進入計數器計數；標準時間脈沖結束時（為低電平），閘門關閉，計數器無時鐘脈沖輸入。例如，時基信號的作用時間為1s，閘門電路將打開1s，若在這段時間內通過閘門電路的脈沖數目為1000個，則被測信號的頻率就是1000Hz。設標準時基為1s的脈沖是由5

12、55定時器構成的多諧振蕩器電路產生的，由555定時器構成的多諧振蕩氣的周期計算公式為：周期計算公式： t=t1+t2=0.693（R1+2R2）C；占空比為： D= t2/ （t1+t2）= R2/（ R1+2R2）50%，t1為正方波的寬度，t2為負方波的寬度；若取振蕩器的頻率f0=1/ （t1+t2）=0.8HZ,則振蕩器的輸出波形如圖2.4所示，其中t1=1s，t2=0.25s。圖2.3標準脈沖產生的閘門電路2.4閘門電路各波形特點2.3計數電路計數器用4個74LS190同步十進制可逆計數器構成。作用是對放大整形電路輸出的頻率信號進行計數，并將輸出的數值輸入到寄存器。如圖2.5所示。 圖

13、2.5 計數電路圖U10的CKA接外來信號，U7、8、9、10的CKB均接相應的QA。U10的Q3接U9的CKA,U9的Q3接U8的CKA,U8的Q3接U7的CKA。四個芯片的R01、R02均接地，R91、R92連在一起接時基信號的反向信號。當R91、R92同為高電平時，四位十進制計數器同時清零。當R91。R92同為低電平時，四位十進制計數器正常計數2.4寄存電路、譯碼電路和顯示電路 圖2.6 寄存、譯碼、顯示電路寄存器可選用4個寄存器74LS175構成。寄存器的作用是將計數器在1s 結束時所計得的數進行寄存，使顯示器上能穩定地顯示此時計數器的值。因為計數器在一秒內要計算成千個輸入脈沖，若不加

14、寄存器，顯示器上的數字將隨機數器的輸出變化而變化，不便于讀數。當時鐘脈沖CP的上升沿到來時，寄存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將4個十進制計數器即個位、十位、百位、千位的輸出值送到寄存器的輸出端。正脈沖結束后，無論輸入端D為何值，輸出端Q的狀態仍然保持原來的狀態。譯碼器采用4個CD4511共陰極顯示譯碼器構成。譯碼/驅動器CD4511的作用是將輸入的高低電平信號轉化為數碼管需要的高低電平信號，并控制數碼燈的亮滅。3整體電路的設計3.1總電路分析如圖3所示，被測信號（三角波、正弦波、方波）輸入由555定時器組成的施密特觸發器整形成與輸入信號同頻率的矩形脈沖。將該脈沖輸入由74LS90組成的十進

15、制計數器用作時鐘信號。另一片555定時器接成的多諧振蕩器輸出的高電平時間為1S，低電平時間為0.25S的矩形脈沖信號通過閘門，輸給74LS175，做寄存的時鐘信號，同時輸給計數器74LS90的R01、R02控制計數器的計數和清零。當取反后的時基信號來個上升沿時，寄存器寄存0000。高電平階段計數器清零，寄存器一直顯示0000不變。低電平時，計數器開始計數，寄存器清零。當再來個上升沿時寄存器寄存剛才1S內計數器所計的數據，高電平時，計數器清零，寄存器數據保持不變。低電平時，寄存器清零，計數器計數。如此循環工作。若在閘門時間1s內計數器計得的脈沖個數為N，則被測信號頻率為f=NHz。本電路可實現直

16、接測量輸入信號的頻率，輸入的頻率范圍19999HZ。3.2 總電路圖在上述子模塊電路的基礎上，畫出整個電路的總電路圖。如圖3所示： 圖3 整體電路圖4電路的調測與分析4.1計數、顯示電路的調測 如圖3所示，連接好電路后。開始仿真，計數器開始計數，并將相應的計的數通過CD4511芯片譯碼給七段譯碼顯示器進行顯示所計的數。4.2調試電路的注意事項在通電調試前，一定要認真檢查電路是否有錯接、漏接等。因此要用萬用表歐姆檔，測量芯片各引腳和各個元器件之間的連接是否正常，測量各個元器件之間的連接是否正常。用電壓表把各個芯片所用的電壓調整到規定的數值。檢查各個芯片的接地是否連接牢固。檢查無誤，方可通電調試。

17、5所用芯片及其它器件說明本次設計選用的器件有74LS90，CD4511，74LS175，555定時電路，共陰極七段LED數碼管等，下面是這些元器件在頻率計數器中的應用及原理。5.1 555定時器555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內部電路框圖如右圖所示 圖5.1 555集成電路內部結構555集成電路是8腳封裝，雙列直插型，如圖5.2(A)所示，按輸入輸出的排列可看成如圖5.2 (B)所示。其中6腳稱閾值端(TH)，是上

18、比較器的輸入；2腳稱觸發端(TR)，是下比較器的輸入；3腳是輸出端(Vo)，它有O和1兩種狀態，由輸入端所加的電平決定；7腳是放電端(DIS)，它是內部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態，也是由輸入端的狀態決定；4腳是復位端(MR)，加上低電平時可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端(Vc),可用它改變上下觸發電平值；8腳是電源端，1腳是地端。圖5.2 555定時器5.1.1 555構成的施密特觸發器圖5.3 555定時器構成的施密特觸發器4UI 再增大時，對電路的輸出狀態沒有影響。（a） 上升過程 （b）下降過程5.1.2 555構成的多諧振蕩器 由555定時器構成的多諧振蕩器如圖5.4(a)所

19、示，其工作波形見圖5.4（b）所示。接通電源后，電源VDD通過R1和R2對電容C充電，當Uc2C，由電容C放電時間決定；TH=0.7(R1+R2)C，由電容C充電時間決定，脈沖周期TTH+TL。圖5.4 555構成多諧振蕩器 上面僅討論了由555定時器在本次數字頻率計課程設計中的應用及原理。實際上，由于555定時器靈敏度高，功能靈活，因而在電子電路中獲得廣泛應用。5.2 74LS175寄存器.其引腳功能如圖5.5所示。 圖5.5 74ls175的引腳圖及真值表5.3 74LS90計數器 集成十進制異步計數器的型號有：74LS90、74196、74S196，74LS196、74290、74LS2

20、90等，它們都是按照8421BCD碼進行加法計數的電路（如圖5.6），本設計采用的是74LS90計數器。圖5.6 8421BCD碼加法計數狀態圖74LS90是TTL系列的十進制計數器，其內部由四個主從觸發器和一些附加門電路組成，以提供一個2分頻計數器和一個三級的二進制計數器。其引腳排列如圖5.7所示；邏輯功能示意圖如圖5.8所示。圖5.7 74LS90的引出端排列圖此芯片有門控置“0”輸入端及還有門控置“9”輸入端。為了使用其最大計數長度，須將Q0輸出端連到B輸入端。計數輸入脈沖加到輸入端A上，則輸出為BCD計數（見表2）。若把Q3連接到輸入端A上，輸出則為二五混合進制（見表3）。這時輸入脈沖

21、加在B端，在Q0的輸出上可以得到一個十分頻的方波。74LS90 復位/計數功能表（見表4）。圖5.8 74LS90的邏輯功能示意圖由于本次課程設計的技術指標為1Hz9999Hz，因此就要求四個計數器級聯，圖5.10是由74LS90 利用輸出Q3控制高一位的CP 端構成的加計數級聯圖。表1 74LS90 復位計數功能表 圖5.9 異步計數器級聯方案 5.4 數碼譯碼顯示器5.4.1 七段譯碼管一個LED數碼管可用來顯示一位09十進制數和一個小數點。小型數碼管（0.5寸和0.36寸）每段發光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為22.5V，每個發光二極管的

22、點亮電流在510mA。LED數碼管要顯示BCD碼所表示的十進制數字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當的驅動能力。LED數碼管是目前最常用的數字顯示器，按連接方式不同，七段顯示數碼管分為共陰極和共陽極兩種。圖5.11 (a)、(b)為共陰管和共陽管的電路，(c)為兩種不同出線形式的引出腳功能圖。(d) 為7段LED顯示器顯示的字形。 圖(a) 共陰連接（“1”電平驅動） 圖(b) 共陽連接（“0”電平驅動）圖(c) 符號及引腳功能圖5.10 7段LED顯示器的字形5.4.2 BCD 碼七段譯碼驅動器此類譯碼器型號有74LS47（共陽），74LS48（共陰），CD45

23、11（共陰）等，本設計采用CD4511BCD碼七段譯碼/驅動器，并驅動共陰極LED數碼管。圖5.11為CD4511引腳排列圖及其真值表。圖5.11 CD4511引腳圖及其真值表結束語本次課程設計對我個人而言，確實是一項艱巨而富有挑戰性的任務。剛開始拿到這個題目感覺無從下手，然后通過自己去圖書館查閱文獻以及上網搜索在為期兩周的課程設計期間，我投入了自己的熱情和精力，從開始設計電路圖，選擇元器件，到使用仿真電路等等。在共同做實物的過程中出現了不少的問題，例如時基電路的調試便花費了我們很長時間，最后通過不斷嘗試與修改，終于達到課設任務的要求。 實物制作過程中出現的一些不熟練的操作問題都需要我在平時多

24、學習，進一步的完善自己。在實習中經常會遇到一些自己可能暫時無法想明白的問題，請教同學或老師是很好的做法，節省時間也會從別人上上學到更多。在設計時和同學相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人對問題的看法總有差異，我們可以從交流中獲得不同的思路，其他人的設計一定有比你出色的地方，很好的借鑒，并在大家的商討中選擇最優方案最終一定會得到最好的設計方法通過查閱搭建電路所需元器件的引腳圖及功能表，例如74ls175寄存器、74ls90計數器、CD4511譯碼器以及555構成打的多諧振蕩和施密特觸發器，只有充分了解其功能表，才能在理論分析以及實物搭建過程中做到游刃有余。通過這次課程設計，我認識到實踐的重要

25、性，它加深了我對數字電路的認識。它使我掌握了設計一個數字電路的基本方法和基本步驟，增強了我在實際設計中尋找問題，解決問題的能力。此次課程設計的成功不僅幫助我更好地掌握了書本知識，還增強了我的自信，培養了我獨立思考、自主學習和動手能力。不過，在這次課程設計的過程中，我還是發現了自己的不足。如運用仿真電路，開始時我的操作不是很熟練，經常找不到所需的元件，仿真頻頻失敗。從現在開始要有針對性的學習這類軟件，以便往后工作的需要。總的來說，整個課程設計在指導老師熱心指導、組員之間相互團結合作下取得了不錯的成果。 參考文獻1 康華光.電子技術基礎數字部分（第五版）.北京:高等教育出版社，2006.12 吳友宇.模擬電子技術基礎.北京:清華大學出版社，2009 .53 Charles k.Alexander等.Fundamentals of Electric Circuits.北京:清華大學出版社，2008,84 周新民.工程實踐與訓練教程.武漢:武漢理工大學出版社，2009.85 陳惠民.數字邏輯電路分析與設計學習指導及題解.清華大學出版社.2007.56 梁宗善.電子技術基礎課程設計第1版.武昌：華中理工大學出版社.1995.17 王松武.于鑫. 武思軍.電子創新設計與實踐第1版. 國防工業出版社.2005.1附錄_元件清單列表序號名稱代號規格型號數量1七段數碼管DS1-DS4SEV