1、 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：工作單位： 題目:數(shù)字頻率計設(shè)計初始條件：數(shù)字電路基礎(chǔ)知識。電路板焊接知識。要求完成的主要任務(wù):根據(jù)理論知識書寫課程設(shè)計報告。按照要求焊接實物，并調(diào)試電路功能。參考書：電子線路設(shè)計實驗測試（第二版） 謝自美 主編 華中理工大學(xué)出版社新型集成電路的應(yīng)用電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計梁宗善 主編 華中科技大學(xué)出版社電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分康華光 主編 高等教育出版社時間安排：1、理論講解，老師布置課程設(shè)計題目，學(xué)生根據(jù)選題開始查找資料。2、課程設(shè)計時間為 1 周。確定技術(shù)方案、電路，并進(jìn)行分析計算， 時間 1 天；選擇元器件、安裝與調(diào)

2、試，或仿真設(shè)計與分析，時間 2 天；總結(jié)結(jié)果，寫出課程設(shè)計報告，時間 2 天。指導(dǎo)教師簽名：2010年 7月9 日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年月日1 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計目 錄 HYPERLINK l _TOC_250015 摘要2 HYPERLINK l _TOC_250014 Abstract3 HYPERLINK l _TOC_250013 引 言5 HYPERLINK l _TOC_250012 數(shù)字頻率計原理簡介6 HYPERLINK l _TOC_250011 方案的選擇與論證6放大整形電路的選擇錯誤！未定義書簽。 HYPERLINK l _TOC_250010 時基電

3、路的選擇8 HYPERLINK l _TOC_250009 數(shù)字頻率計各個模塊設(shè)計10 HYPERLINK l _TOC_250008 時基電路10 HYPERLINK l _TOC_250007 放大整形電路11 HYPERLINK l _TOC_250006 邏輯控制電路11 HYPERLINK l _TOC_250005 計數(shù)器13 HYPERLINK l _TOC_250004 鎖存器14 HYPERLINK l _TOC_250003 顯示譯碼器14總體電路設(shè)計錯誤！未定義書簽。仿真結(jié)果錯誤！未定義書簽。 HYPERLINK l _TOC_250002 心得體會17 HYPERLIN

4、K l _TOC_250001 參考文獻(xiàn)19 HYPERLINK l _TOC_250000 附 錄202 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計摘 要在數(shù)字電路中，數(shù)字頻率計屬于時序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構(gòu)成。在計算機及各種數(shù)字儀表中，數(shù)字頻率計得到了廣泛的應(yīng)用，它與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有密切關(guān)系，因此，頻率的測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。本文介紹了一種基于 TTL 系列芯片的簡易數(shù)字頻率計。數(shù)字頻率計應(yīng)用所學(xué)的數(shù)字電路知識進(jìn)行設(shè)計。電路由放大整形電路、時基電路、邏輯控制電路、計數(shù)鎖存電路及譯碼顯示電路組成。能夠較精準(zhǔn)的測量幅值在 0.2V5V 的正弦波、三角波

5、、方波的頻率。測量范圍能夠達(dá)到 1Hz9999Hz。關(guān)鍵詞：頻率計，TTL 芯片，數(shù)字電路3 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計AbstractIn digital circuits, digital frequency meter are sequential circuits, it is primarily a memory flip-flop form.In the computer and various digital devices, the digital frequency meter has been widely used, with many electrical par

6、ameters measurement program, measurement results are closely related, therefore, the frequency of measurement in research and practical application of the increasingly important role.In this paper,a design of simple digital cymometer based on the TTL serises chipswas described.This design is based o

7、n the knowledge about the digital circuit we learned.It consists of amplifier and shaping circuit , time-base circuit, control circuit, latch circuit and decoding count show circuit.It can be used to accurately detect the frequency of sine wave, triangle wave and square wave accurately that the ampl

8、itude is between 0.2V and 5V. Detecting range can be achieved 1Hz 9.99kHz.Key words : frequency counter, the TTL series chips,digital circuit4 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計引 言在電子技術(shù)中，頻率是一個重要參量。應(yīng)用計數(shù)法原理制成的數(shù)字式頻率測量儀器具有精確度高，測頻范圍寬，便于實現(xiàn)測量過程自動化等一系列突出特點，所以數(shù)字式頻率測量計(簡稱數(shù)字式頻率計)已成為目前測量頻率的主要儀器。5 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計數(shù)字頻率計原理簡介放大整形電路閘

9、門電路計數(shù)器寄存器顯示譯碼器時基電路邏輯控制電路圖 1 數(shù)字頻率計的原理框圖該數(shù)字頻率計可以測量 1HZ9999HZ 的信號頻率，并在四位數(shù)碼管上顯示。該系統(tǒng)包括標(biāo)準(zhǔn)時鐘發(fā)生器、放大整形電路、邏輯控制電路、計數(shù)器、鎖存器及譯碼電路六個模塊。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，被測信號經(jīng)過放大整形整形之后變成計數(shù)器所要求的脈沖信號 1。標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號 2 由時基電路提供其高電平持續(xù)時間為 1s，計數(shù)器對 1s 時間中的脈沖計數(shù)，當(dāng) 1s 信號結(jié)束時，時基電路產(chǎn)生信號 2，閘門電路關(guān)閉，邏輯控制電路產(chǎn)生鎖存信號 6 是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定，清零信號 5 是計數(shù)器從 0 開始計數(shù)。若在閘門時間 1s 內(nèi)計數(shù)器計得的脈

10、沖個數(shù)為 N，則被測信號頻率為 N(Hz)。各信號的時序圖如圖 2 所示。信號 2信號 1 信號 6 信號 5圖 2 波形關(guān)系6 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計方案的選擇與論證放大整形電路對信號的放大功能由三極管構(gòu)成放大電路來實現(xiàn)，對信號整形的功能由施密特觸發(fā)器來實現(xiàn)。施密特觸發(fā)器電路是一種特殊的數(shù)字器件，一般的數(shù)字電路器件當(dāng)輸入起過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當(dāng)輸入小于這個閾值時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)，而施密特觸發(fā)器不是單一的閾值，而是兩個閾值，一個是高電平的閾值，輸入從低電平向高電平變化時， 僅當(dāng)大于這個閾值時才為高電平，而從高電平向低電平變化時即使小于這個閾值，其仍看成為高電平，輸出狀態(tài)不

11、這；低電平閾值具有相同的特點。方案一：放大整形電路由三極管與與非門組成。三極管構(gòu)成的放大器將輸入頻率為fx 的周期信號如正弦波、三角波、等進(jìn)行放大。將電源電壓設(shè)為 5V,當(dāng)輸入信號幅值比較大時，會出現(xiàn)線性失真，將放大后的波形幅度控制在 5V 以內(nèi)。與非門構(gòu)成施密特觸發(fā)器對放大器的輸出信號進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。電路圖如圖 3 所示。圖 3 放大整形電路方案二：放大部分同方案一，整形部分是由 555 構(gòu)成的施密特整形電路。電路圖如圖4 所示。7 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計圖 4555 構(gòu)成的施密特觸發(fā)器方案對比：555 定時器的比較器靈敏度高，輸出驅(qū)動電路大，但考慮到設(shè)計的這個頻率計對

12、精度的要求不是太高，因此沒必要使用 555 定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，使用與非門可以降低成本，因此選用方案一。時基電路的選擇方案一：時基電路的作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)時間信號（高電平持續(xù)時間為1s）可用定時器 555 構(gòu)成的多諧振蕩器作為時基電路。多諧振蕩器又稱矩形波發(fā)生器，電路不具有穩(wěn)定狀態(tài)，但是具有兩個暫穩(wěn)態(tài)，當(dāng)電路由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)時，其“觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外部觸發(fā)脈沖，電路工作就是在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換。在此方案中時基信號 2 由引腳 3 輸出。脈寬由電阻 R1、R2 及電容 C4 決定。電路圖如圖 5 所示。555 定時器內(nèi)部的比較器靈敏度高，

13、而且采用差分電路形式， 用 555 定時器組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。8 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計圖 5 時基電路方案二：時基電路可用晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成。晶振頻率取 32768Hz，晶振產(chǎn)生脈沖經(jīng)分頻器 14 級二分頻后輸出 2Hz 脈沖（高、低電平各持續(xù) 1s）。方案對比：方案二中晶振分頻產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時間精度要高于方案一中的 555 多諧振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時間。但是 555 定時器電路元件較少，結(jié)構(gòu)簡單使用較方便。而且由于設(shè)計要求精度不是很高，所以采用方案一。9 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計數(shù)字頻率計各個模塊設(shè)計時基電路圖 6 時基電路時基電路參數(shù)的確

14、定：振蕩器產(chǎn)生的時基信號高脈沖持續(xù)時間為 t1=1s,令低脈沖信號持續(xù)時間為 t2=0.25s,那么振蕩器的頻率為;fo=1/(t1+t2)=0.8Hz.(公式 1)由公式：t1=0.7(R1+R2)C.(公式2) t2=0.7R2*C.(公式3)可計算出電阻 R 、 R12及電容C的值。若取電容C=10uF,則取R2=,取10武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計放大整形電路圖 7 放大整形電路放大整形電路由晶體管 3DG100 與 74LS00 等組成，其中 3DG100 組成放大器將輸入頻率為 f 的周期信號如正弦波、三角波進(jìn)行放大。與非門 74LS00 構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號

15、進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。邏輯控制電路根據(jù)圖 2 所示波形，在時基信號 2 結(jié)束時產(chǎn)生的下跳沿來產(chǎn)生鎖存信號 6,鎖存信號 6 的下跳沿又用來產(chǎn)生清零信號 5.脈沖信號 6 和 5 可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74LS123 產(chǎn)生，它們的脈沖寬度有電路的時間常數(shù)決定。電路如圖 8 所示。11 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計圖 8 邏輯控制電路由 74LS123 的功能表可得，當(dāng) MR=B=1,觸發(fā)脈沖從 A 端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端1Q 可獲得一正脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖圖 2 所示波形 5 和 6 要求。手動復(fù)位開關(guān) S 按下時，計數(shù)器清零。表 174LS123 功能表MR

16、0 xx1Ax1x00Bxx01Q000正脈沖正脈沖Q111負(fù)脈沖負(fù)脈沖輸入輸出邏輯控制電路參數(shù)的確定：鎖存信號 6 和清零信號 5 脈沖的總的寬度要小于時基信號負(fù)脈沖的寬度。令鎖存信號和清零信號的脈沖寬度均為則由公式.(公式 4)取電阻則取標(biāo)稱值12 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計計數(shù)器該部分常用的二五十進(jìn)制異步計數(shù)器 74LS90。將Q0 與 CPB 相連，脈沖從CPA 輸入，構(gòu)成 8421BCD 碼十進(jìn)制計數(shù)器。其功能表如表 2 所示。表 274LS90 功能表R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)Q3Q2Q1Q0110 x000011x00000Xx111001x0 x0計數(shù)0 x

17、0 x計數(shù)0 xx0計數(shù)x00 x計數(shù)當(dāng) R9(1)R9(2)=0，且 R0(1)R0(2)=0 時，計數(shù)器工作。計數(shù)器電路如圖 7 所示，R9(1)=0， R0(1)=SIGNAL5(SINGAL5 為邏輯控制電路產(chǎn)生的清零信號)。CPA 輸入要計數(shù)的脈沖。計數(shù)電路如圖 9 所示。圖 9 計數(shù)鎖存電路13 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計鎖存器在 1s 的標(biāo)準(zhǔn)時間信號高電平結(jié)束時，鎖存器將計數(shù)器此時所計得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能夠穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。如圖 2 所示 1s 計數(shù)時間結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號 6，將此時計數(shù)器的值送譯碼顯示器。可選用 8D 鎖存器 74LS273

18、可以完成上述功能。當(dāng)時鐘脈沖 CP 的正跳變到來時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束 后，無論D 為何值，輸出端 Q 的狀態(tài)人保持原來的狀態(tài)不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼器顯示器，即顯示器的示數(shù)不會變。計數(shù)鎖存譯碼顯示電路如圖 9。顯示譯碼器采用四個 74LS48 及四個七段數(shù)碼管來實現(xiàn)，電路圖如圖 10 所示。圖 10 顯示譯碼部分14 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計總體電路設(shè)計被測信號經(jīng)由晶體管 3DG100 組成的放大器放大后，送到由與非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的輸入端進(jìn)行整形，使之成為計數(shù)器所要求的脈沖信號。由于放大電路

19、的電源值為 5V, 所以輸入信號比較大時，會出現(xiàn)線性失真，放大后的信號不會太大，超過5V。當(dāng)時基脈沖處于高電平時，閘門電路打開，計數(shù)器對輸入的脈沖進(jìn)行計數(shù)。總電路圖如圖 11 所示。圖 11 頻率計總電路圖時基脈沖高電平持續(xù)時間是 1s。當(dāng) 1s 計數(shù)結(jié)束時，閘門關(guān)閉，計數(shù)停止；74LS123 的 13 引腳產(chǎn)生一個正脈沖，脈沖送到鎖存器的時鐘脈沖輸入端，鎖存器將計數(shù)器此時的結(jié)果鎖存并顯示。此時顯示的數(shù)字就是被測信號的頻率。74LS123 的 13 引腳產(chǎn)生的正脈沖下調(diào)時，74LS123 的 12 引腳產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，對計數(shù)器進(jìn)行清零。鎖存和清零的全過程必須在時基信號處于低電平時完成，即在時基

20、信號下一個高電平到來之前， 74LS123 的 12 引腳產(chǎn)生的負(fù)脈沖結(jié)束，恢復(fù)到高電平。如果在時基信號下一個高電平到來以后 74LS123 的 12 引腳產(chǎn)生的負(fù)脈沖才結(jié)束，那么計數(shù)器計的計算的將是少于 1s 的時間的脈沖個數(shù)，15武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計最后顯示將小于實際值。仿真結(jié)果在軟件 Protus 中畫好電路圖進(jìn)行仿真。開始的仿真結(jié)果并不正確，顯示的頻率和設(shè)定的輸入信號頻率差距很大，例如輸入信號頻率設(shè)為 100Hz,顯示數(shù)值為 46。經(jīng)過觀察各個功能模塊的輸出，通過分析發(fā)現(xiàn)問題出在控制電路產(chǎn)生的鎖存信號和清零信號的脈沖寬度 上，經(jīng)過閘門電路后的信號、時基信號、鎖存信號和清零信

21、號的波形圖如圖 12 所示。圖 12 信號時序圖波形從上到下依次為經(jīng)過閘門電路后的信號、時基信號、鎖存信號和清零信號。當(dāng)時基信號的 1s 高電平結(jié)束時，鎖存信號上跳，計數(shù)結(jié)果顯示在數(shù)碼管上，當(dāng)鎖存信號下跳， 清零信號上跳，計數(shù)器清零端置“1”，直到清零信號脈沖結(jié)束，計數(shù)重新開始。從圖 9 中可以看出，清零信號脈沖結(jié)束之前，時基信號早已處于高電平，所以計數(shù)不是從時基信號16 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計上跳時開始計數(shù)的，當(dāng) 1s 的時基信號高脈沖還沒結(jié)束時，清零信號又處于高電平狀態(tài)。顯示結(jié)果當(dāng)然不正確。檢查邏輯控制部分電路，線路并沒有連接錯誤，將元件參數(shù)改小一些后，結(jié)果還是沒有錯誤。最后決定

22、將時基信號低電平時間延長，設(shè)為2s。由于 555 定時器組成的多諧振蕩器輸出信號低電平持續(xù)時間是小于高電平持續(xù)時間的，所以在振蕩器的輸出加了一個反相器，以達(dá)到目的。修改電路后仿真的結(jié)果如下：表 3波形仿真結(jié)果正弦波三角波幅值0.550.2頻率110001909010999顯示數(shù)字19991908210997波形三角波正弦波幅值50.25頻率10050001900019998顯示數(shù)字1004991899319990當(dāng)誤差最大時，精確度為.(公式 5)因為 74LS 計數(shù)器是異步計數(shù)器，所以頻率越高計數(shù)速度越慢。17 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計心得體會在這次數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計中，雖然應(yīng)用的都是在書本上學(xué)過的知識，但是只有應(yīng)用到實際中才算真正的學(xué)懂了這些知識。本次數(shù)字頻率計的涉及到了三極管放大電路、555 應(yīng)用，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時應(yīng)用，時序電路的計數(shù)、鎖存，組合電路的譯碼顯示等，涉及了數(shù)電所學(xué)的大部分內(nèi)容。通過這次課程設(shè)計實踐鞏固了學(xué)過的知識并能夠較好的利用， 是對自己一次很好的實踐鍛煉機會。課程設(shè)計實踐不單是將所學(xué)的知識應(yīng)用于實際，在設(shè)計的過程中，只擁有理論知識是不夠的。