數(shù)電課程設(shè)計

武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書課程設(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：信息工程學(xué)院題 目：數(shù)字頻率計初始條件：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；要求完成的主要任務(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）1、設(shè)計頻率檢測電路；2、測量信號與 TTL電平兼容，頻率范圍：0H入100KHz3、數(shù)碼管顯示頻率；4、掌握數(shù)字電路的設(shè)計及調(diào)試方法；5、撰寫符合學(xué)校要求的課程設(shè)計說明書。時間安排：時間一周，其中2天原理設(shè)計，3天電路調(diào)試指導(dǎo)教師簽名：年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名:目錄摘要11 .數(shù)字頻率計的設(shè)計總體方案 21.1 數(shù)字頻率計的簡介 22 .電路模塊設(shè)計62.1 計數(shù)電路62.2 顯示電路72.3 計時電路72.4 譯碼電路83 .系統(tǒng)總體電路圖 93.1 計數(shù)顯示部分電路 93.2 閘門邏輯控制電路104 .軟件仿真圖115 .實物調(diào)試125.1 實物制作125.2 實物顯示結(jié)果圖125.3 誤差分析135.4 元件清單136 心得體會147 考文獻161摘要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)值進行鎖存、輸出、顯示，即可得到待測信號頻率，涉及到的集成芯片主要有十進制計數(shù)芯片74LS390、用于數(shù)碼管顯示的譯碼器 CD4511、4093構(gòu)成的施 密特觸發(fā)器、以及時基芯片555構(gòu)成的不可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，共同完成了數(shù)字 頻率計的設(shè)計。關(guān)鍵詞：TTL電平兼容信號，計數(shù)，頻率計武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書1 .數(shù)字頻率計的設(shè)計總體方案1.1 數(shù)字頻率計的簡介(1)數(shù)字頻率計概述數(shù)字頻率計設(shè)計是用來對脈沖信號和正弦信號等各種波形進行頻率測量的 儀器，它將測量的結(jié)果直接用十進制數(shù)顯示出來。 數(shù)字頻率計測量目標是輸入信 號的頻率，改變輸入信號的幅值，波形不會影響對頻率的測量。如果是低頻信號， 將輸入信號轉(zhuǎn)換為與輸入信號同頻率的而且符合控制器幅值要求的信號輸入到 控制器，控制器將采集到的信號按預(yù)先編制的程序轉(zhuǎn)換為控制信號，輸出到顯示器件上。如果是高頻信號，則控制器無法直接采集，可以將輸入信號經(jīng)處理后在 分頻輸入到控制器上，控制器根據(jù)采集到的信號計算出原信號的頻率， 輸出控制 信號并且由顯示電路顯示計算結(jié)果。信號處理功能由信號調(diào)理電路完成。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。(2)頻率計測量方法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。(3)頻率計組成結(jié)構(gòu)一般以計數(shù)原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：圖1-1頻率計系統(tǒng)1.2 電路方案設(shè)計萬案1:采用頻率計模塊（如ICM7216）構(gòu)成，特點是結(jié)構(gòu)簡單，量程可以自動切換。 ICM7216內(nèi)部帶有放大整形電路，可以直接輸入模擬信號。外部振蕩部分選用一 塊高精度晶振體和兩個低溫系數(shù)電容構(gòu)成 10MH可聯(lián)振蕩電路。用轉(zhuǎn)攙開關(guān)選擇 10ms 0.1s, ls , 10s四種閘門時間，同時量程自動切換，直接點亮 LEDZu tk 2:系統(tǒng)采用可編程邏輯器件（PLD,如ATV2500炸為信號處理及系統(tǒng)控制核心， 完成包括計數(shù)、門控、顯示等一系列工作。該方案利用了 PLD的可編程和大規(guī)模 集成的特點，使電路大為簡化，但此題使用 PLD則不能充分發(fā)揮其特點及優(yōu)勢， 并且測量精度不夠高，導(dǎo)致系統(tǒng)性能價格比降低、系統(tǒng)功能擴展受到限制。TzT tk 3:系統(tǒng)采用MCS- 51系列單片機89C51作為控制核心，性能好，價格便宜。 由于單片機的計數(shù)頻率上限較低（12MHz晶振時約500kHz）,所以需對高頻被測信 號進行硬件欲分頻處理，89C51則完成運算、控制及顯示功能。由于使用了單片 機，使整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性， 能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展與改進方案4:通過單片機軟件實現(xiàn)，利用單片機內(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)碼管進行顯示，計數(shù)值即為所測頻率。具體流程 如下：圖1-2軟件實現(xiàn)流程圖方案5: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 進行計數(shù)，在1秒內(nèi)對脈沖進行計數(shù)，其1秒內(nèi)計數(shù)值通過鎖存器進行鎖存后輸 出，然后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：圖1-3數(shù)字芯片實現(xiàn)測量頻率流程圖測頻法的基本思想是：對頻率為f的周期信號，用一個標準閘門信號（閘 門寬度為TG對被測信號的重復(fù)周期數(shù)進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)結(jié)果為N,信號頻率為 f=N/TG如圖1-4所示。被測信號計數(shù)值N閘門信號rTG圖1-4測脈寬法的原理框圖測頻法的測量誤差與信號頻率有關(guān)： 信號頻率越高，誤差越?。欢盘栴l 率越低，則測量誤差越大。因此，測頻法適合于對高頻信號的測量，頻率越高， 測量精度也越高。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5。2 .電路模塊設(shè)計2.1 計數(shù)電路計數(shù)部分電路用的是二一五十進制的計數(shù)器 74LS390，通過A下降沿觸發(fā)后 開始計數(shù)，A與QA構(gòu)成二進制計數(shù)器，B與QB、QC、QD構(gòu)成五進制計數(shù)器，MR 高電平時輸出清零，沒有置數(shù)端，B與Q0相連構(gòu)成十進制。此次設(shè)計中用到 3 個74LS390進行級聯(lián)計數(shù)，構(gòu)成6位數(shù)的計數(shù)是利用QD的下降沿來觸發(fā)高位計 數(shù)，即將QD接到下一級芯片的A,則可以完成高位的計數(shù)。RCLA BA B c D QQ QQDM74LS390N圖2-1基于74LS390計數(shù)電路2.2 顯示電路CD4511是常用的共陰極數(shù)碼管譯碼器，其具體連接電路如下:LE VBDBIT7r aAbBcCdDeGNDgC5 CD4511BC7圖2-2數(shù)據(jù)鎖存器輸出顯示電路2.3 計時電路發(fā)器屏蔽抖動。一秒計時結(jié)束后，觸發(fā)器輸出變低，與非門輸出保持低電平，計計時邏輯電路主要用555構(gòu)成不可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來完成1秒后數(shù)據(jù)鎖, 用獨立按鍵作為觸發(fā)信號來源。使用獨立按鍵要防抖，所以用不可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸圖2-3門閘邏輯控制電路按下按鍵，555在2端電位置出現(xiàn)負脈沖，在輸出3端就會產(chǎn)生一個單穩(wěn)態(tài)的脈 沖波，通過外接電阻電容元件就可以改變輸出脈沖寬度tW ,輸出脈寬 tW *1.1MC3R1,則設(shè)置好合適的電容和電阻調(diào)整輸出脈寬。2.4 譯碼電路在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。 在計數(shù)的 時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字。 采用七段共陰數(shù)碼管顯示，譯碼顯示器的作用是把計數(shù)器產(chǎn)生的十進制數(shù)轉(zhuǎn)化成 能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號，從而獲得數(shù)字顯示。圖2-4數(shù)碼管顯示及其控制電路193 .系統(tǒng)總體電路圖3.1 計數(shù)顯示部分電路AlAssrLE-FlirrAHC 口 。舂EniLTAH CQ 6iJJfflETA日口口 aLK VbD 國 Ern AbBuCdDQtC1HD&A皆gI.:- 冢J11KK口:p：DFny圖3-1脈沖計數(shù)電路原理圖計數(shù)部分的電路利用的是3個雙十進制芯片74LS39Q以及后面CD4511譯碼 器和七段顯示數(shù)碼管，構(gòu)成對輸入的脈沖進行計數(shù)，最后進行輸出和顯示在數(shù)碼3.2 閘門邏輯控制電路原理圖部分二:圖3-2閘門邏輯控制電路這部分電路由555構(gòu)成的不可重復(fù)觸發(fā)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成， 主要是完成 對1秒高電平內(nèi)的連續(xù)信號脈沖進行選擇，并傳遞給 74LS39Q 555單穩(wěn)態(tài)的觸 發(fā)器目的形成1秒的延時。4 .軟件仿真圖所有單元電路調(diào)制所需值，本此設(shè)計采用 mulstisim12.0 仿真運行.測信號 送到由555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的輸入端進行整形，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)器對輸入的脈沖進行計數(shù)。當(dāng)輸入信號頻率為988時所測得信號頻率值如下 圖顯示997，在誤差范圍之內(nèi)，本次實驗可行。數(shù)字頻率計仿真圖如下：圖4-1頻率計仿真圖5 .實物調(diào)試5.1 實物制作圖5-1實物焊接圖5.2 實物顯示結(jié)果圖669Hz圖5-2實物顯示結(jié)果圖一（接上圖）說明如下：上圖信號輸入頻率為700Hz輸出結(jié)果顯示為可見存在一定的偏差，偏差為 31Hz圖5-3實物展示圖說明如下：上圖信號的輸入頻率為65KHZ ,然后顯示結(jié)果輸出為 66878HZ,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。5.3 誤差分析實驗結(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的定時為1秒，計數(shù)器只在1秒鐘內(nèi)才進行計數(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。由于沒有設(shè)置鎖存器，在計算頻率后，還需自己手動清零，所以，誤差會 比較大。5.4 元件清單表5-4元件清單表原件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注15551定時器274LS001與非門374LS3903雙10進制計數(shù)器4CD45116譯碼器57段共陰數(shù)碼管6數(shù)碼管6R1K2電阻9R1M1電阻10C10仙F1電角單電容11C0.01 1陶瓷電容1240931施密特觸發(fā)器13S2獨立按鍵6心得體會數(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。本次實習(xí)讓我們體味到設(shè)計電路、連接電路、調(diào)測電路過程中的快樂與甜。 設(shè)計是我們將來必需的技能，這次實習(xí)恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學(xué)知識 的機會，從到圖書館查找資料到對電路的設(shè)計對電路的調(diào)試再到最后電路的成 型，都對我所學(xué)的知識進行了檢驗。在實習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)了以前學(xué)的數(shù)字電路的 知識掌握的不牢。同時在設(shè)計的過程中，遇到了一些以前沒有見到過的元件， 但 是通過查找資料來學(xué)習(xí)這些元件的功能和使用。制作過程是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，馬虎，對電路的調(diào)試要一步一步來，不能急躁，因為 是在電腦上調(diào)試，比較慢，又要求我們有一個比較正確的調(diào)試方法， 像把頻率調(diào) 準等等。這又要我們要靈活處理，在不影響試驗的前提下可以加快進度。 合理的 分配時間。在設(shè)計控制電路的時候，我們可以連接譯碼顯示和計數(shù)電路， 這樣就 加快了完成的進度。最重要的是要熟練地掌握課本上的知識， 這樣才能對試驗中 出現(xiàn)的問題進行分析解決。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 01KHz內(nèi)誤差小于1%在1KHl 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。參考文獻1劉可文，數(shù)字電子電路與邏輯設(shè)計.科學(xué)出版社，20132伍時和，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第一版.清華大學(xué)出版社，20093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,20044孫梅生，電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計.高等教育出版社，20055康華光，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第五版.高等教育出版社，20066陳大欽，電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗一電子電路實驗、設(shè)計、仿真.高等教育出版社，2004本科生課程設(shè)計成績評定表姓名性別指導(dǎo)老師專業(yè)、班級課程設(shè)計題目：數(shù)字頻率計課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄：成績評定依據(jù)：最終評定成績（以優(yōu)、良、及格、/、及格評定）指導(dǎo)教師簽字: