李连玉 18 频率计

沈阳工程学院课程设计设计题目数字频率计系 别自动化学院班级通信本121学生姓名李连玉学号 2012422118指导教师曲延华/秦宏职称副教授/教授起止日期：2014年6月9日起至2014年6月20日止数字频率计沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目：数字频率计系 别 自动化学院班级 通信本121学生姓名 李连玉 张龙 王亚东 杨强学号 2012422118 2012422113 2012422124 2012422120指导教师曲延华/秦宏职称副教授/教授课程设计进行地点：F座任务下达时间：2014年6月03日起止日期：2014年6月9日起至2014年6月20日止教研室主任曲延华2014年5月25日批准1. 设计题目：数字频率计1.1设计目的：（1）掌握数字频率计的构成、原理与设计方法；（2）熟悉集成电路的使用方法。1.2基本要求：（1）要求被测信号为方波，峰值为3V到5V（和TTL兼容），被测信号频率范 围为 0Hz 到 9999Hz;（2 ）设计振荡器及分频系统，闸门时间：10ms，100ms,0.1s，1s， 10s；（3）可控制的计数、锁存、译码显示系统。1.3发挥部分：（1 ）被测信号为正弦波信号；（2 ）被测信号为三角波信号；2. 设计过程的基本要求：2.1基本部分必须完成，发挥部分可以在已给的范围或自己寻找资料的范围 内任选几个方向，至少完成两个发挥方向：2.2符合要求的设计报告一份,其中包括逻辑电路图、印刷电路板图各一份； 2.3设计过程的资料、草稿；2.4考勤情况、每天任务的完成情况、答辩情况；3. 报告的基本要求：3.1报告打印（不少于3000字）、电子版刻盘上交。3.2装订顺序：封面、任务书、成绩评定表、中文摘要、关键词、目录、正 文（正文的具体要求按老师讲课要求）、致谢、参考文献、附录（逻辑原理图）。4. 时间进度安排:顺序阶段日期计划完成内容备注12014.6 9讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始框图点名22014 610检查框图及初步逻辑图完成情况，讲解及纠正错误打分32014.6.11检查及改正逻辑图打分42014 612讲解印刷电路板图绘制及报告书写打分52014.6.13继续修正逻辑图，指导印刷电路板图绘制方法打分62014.6.16继续修正印刷电路板图的绘制，讲解波形的仿真方法打分72014.6.17仿真各部分电路波形打分82014.6.18继续仿真各部分电路波形打分92014.6.19报告书写，布置答辩打分102014.6.20答辩，收报告打分沈阳工程学院数字电子技术课程设计成绩评定表系（部）：自动化学院班级：通信本121 学生姓名：李连玉指导教师评审意见评价 内容具体要求权重评分加权 分调研 论证能独立杳阅文献，收集资料；能制定课程设计方案 和日程安排。0.15432工作 能力 态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能 够独立完成设计工作，0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度 适宜。0.25432说明 书的 丿页量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字 通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表 完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩 （加权分合计乘以12）分加权分合计指导教师签名：年 月曰评阅教师评审意见评价 内容具体要求权重评分加权 分查阅 文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明 书的 丿页量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字 通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表 完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩 （加权分合计乘以8）分加权分合计评阅教师签名：年 月曰课程设计总评成绩分中文摘要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、 测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。本次课程设计 的目的是根据已经学到的知识，按照这次课程设计的要求设计一个简易的数字频 率计，要求频率计范围内能测出所输入信号的频率。数字频率计是一种用十进制 数字显示被测信号频率的数字测量仪器，其功能是测量正弦信号，方波信号，尖 脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，因此已经成为电路设计的常用 原器件之一，有它不可取代的地位。在电子技术中，频率与许多电参量的测量方 案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率 的方法有多种，其中数字计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以 及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。其原理为通过 测量一定闸门时间内信号的脉冲个数。本文阐述了设计了一个简单的数字频率计 的过程。测量频率的方法有多种，中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、 测量迅速，其以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。 电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信 号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。根据设计的要求我是按照第一 种方法设计的，是直接测频法。可以见一定范围内的信号输入后直接测的信号的 频率。关键词 频率计，闸门，脉冲目录课程设计任务书I1.设计题目：数字频率计II数字电子技术课程设计成绩评定表II1设计任务描述11.1基本部分11.1.1要求被测信号为方波，峰值为3V到5V （和TTL兼容），被测信号频率范围为OHz到 9999Hz。11.1.2设计石英晶体振荡器及分频系统，闸门时间：10ms, 100ms,0.1s, 1s， 10s。11.1.3可控制的计数、锁存、译码显示系统。11.2发挥部分12设计思路13设计方框图34各部分电路设计及参数计算44.1闸门电路44.2时基电路44.3逻辑控制电路54.4计数器64.5锁存器以及显示器部分65工作过程分析76元器件清单8小结9致谢10参考书目11A1逻辑电路图12A2 PCB 图121设计任务描述1.1基本部分111要求被测信号为方波，峰值为3V到5V （和TTL兼容），被测信号频率范 围为 OHz 到 9999Hz。112设计石英晶体振荡器及分频系统，闸门时间：1 Oms, 100ms,0.1s, Is, 10s。 113可控制的计数、锁存、译码显示系统。1.2发挥部分1-2,1测信号为正弦波信号。122被测信号为三角波信号。1.2.3在原有要求即可测量三角波信号、正弦波信号的频率的基础上，利用放大 整形电路对信号进行处理，使输入端可输入任意被测信号，该电路均可准确的测 量出该被测信号的频率。2设计思路频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。它可以测量正 弦波、方波、三角波的频率。利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用 计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。频率是 指单位时间（Is）内信号振动的次数。从测量的角度看，即单位时间测得的被测信 号的脉冲数。被测信号送入通道，经放大整形后，使每个周期形成一个脉冲，这 些脉冲加到主门的A输入端，门控双稳输出的门控信号加到主门的B输入端。在 主门开启时间内，脉冲信号通过主门，进入计数器，则计数器记得的数，就是要 测的频率值。首先，我们要获得一个标准的固定宽度T的方波脉冲做门控制信号,他的选 择会改变闸门时间从而直接影响频率计的量程。其次，我们要把这个标准的信号和被测信号相“与”通过门控制信号可以 获得T时间内通过脉冲的个数，此脉冲直接进入计数器进行计数，最后通过译码 显示其频率。最后，我们要设计的是对计数器和锁存器的控制，这个的基本思路是在时基 电路脉冲的上升沿到来时闸门开启，计数器开始计数,在同一脉冲的下降沿到来 时，闸门关闭,计数器停止计数.同时,锁存器产生一个锁存信号输送到锁存器的 使能端将结果锁存,并把锁存结果输送到译码器来控制七段显示器，这样就可以 得到被测信号的数字显示的频率而在锁存信号的下降沿到来时逻辑控制电路产 生一个清零信号将计数器清零,为下一次测量做准备，实现了可重复使用，避免两 次测量结果相加使结果产生错误。综合上面所说的可以将数字频率计的电路分为五大部分即：整形放大电路、 时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、锁存、译码、显示电路。放大整形电路的组成:对测量信号进行放大，是微弱信号达到可测量的幅度, 对输入的三角波和正弦波进行整形，整形成为同频率的方波，进而测量其频率。时基电路：作用是提供用于测量单位时间，及闸门信号的开启时间，同时产 生的方波信号激发锁存信号，再由该信号激发计数器的计数信号。闸门电路：它的目的是提供闸门开启的时间，该闸门可由一“与”门充当。 可以用74160将标准信号进行分频，从而获得的闸门时间分别为 10ms,0.1s,ls,10s。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，也就是说其量程越 小。逻辑控制电路：在时基信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信 号的负跳变又用来产生清零信号，锁存信号和清零信号单稳态触发器产生，它们 的脉冲宽度由电路的时间常数决定。计数、锁存、译码、显示电路：锁存器的作用是将计数器在T结束时所计得 的数进行锁存，使显示器上能稳地显示此时计数器的值。所示将些时，T计数时 间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将些时计数器的值送译码显示器。3设计方框图图3-1数字频率计整体方案结构方框图4各部分电路设计及参数计算4.1闸门电路闸门电路的仿真参照图4-4逻辑控制电路的仿真，其中包涵了闸门电路。4.2时基电路本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器，使其成为规矩的数字信号实现 频率测量的另一必备环节是时基电路。时基电路就是产生时间标准信号的电路装 置，通常要求精确稳定。本设计中采取用555定时器组成的多谐振荡器。接通电源后，电容被充电，当v上升到三分之二VCC时，使v为低电平，同时放电三极管T导通，此时电CO容C通过R和T放电，v下降。当v下降到三分之一 VCC时，v翻转为高电平。2CCO电容器C放电所需的时间为t = R Cln2沁0.7R C当放电结束时，T截止，V将pL 22CC通过R、R向电容C充电，v由三分之一 VCC上升到三分之二VCC所需的时间12C为t二(R + R )Cln2沁0.7(R + R )C当v上升到三分之二VCC时，电路又翻转pH1212C为低电平。如此周而复始，当v上升到三分之二VCC时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是 C在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为11.43f 二 U 一t +1(R + 2R )CpL pH124.3逻辑控制电路逻辑控制电路的作用主要是控制主控门的开启和关闭，同时也控制整机逻辑关 系。本设计采用LM555CN组成逻辑控制电路，先启动脉冲置成1,其余触发器置成 0,然后时基电路传入脉冲，控制电路开始工作。被测信号通过闸门进入计数电 路，于是计数器译码器同时工作，从而记下所测信号频率值。当控制电路转为其他状态时，闸门关闭，计数器停止工作，数码管继续显示 所测频率值。直到有一次循环，计数器清零，数码管显示消失，到此为止，频率 计完成一次测量。脉冲信号可由两个单稳态触发器LM555CN产生，它们的脉冲宽 度由电路的时间常数决定。由LM555CN的功能得出，当1 RD = IB = 1、触发脉冲 从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端1Q可获得一负脉冲，其波 形关系正好满足要求，手动复位开关S按下时，计数器清零。图4-4逻辑控制电路的仿真4.4计数器74LS160N计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求最高测量频率为 9999HZ，应采用4位十进制计数器。其作用还有当逻辑控制电路输出“清零”信 号到计数器“清零”端时，对显示器进行清零。74LS373N锁存器在确定的时间内计数器的计数结果必须锁定后才能获得稳 定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来送显示 译码器。锁存器可以采用一般的八位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用 边沿触发方式的器件。74LS160N为低电平有效,，是把8421BCD码表示的10进制转换成能驱动数码管正常 显示的段信号，以获得数字显示。图4-5计数器电路的仿真4.5锁存器以及显示器部分锁存，显示电路由锁存器和显示器组成。其中计数器按十进制计数。如果在 系统中不接锁存器，则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化，只 有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定。锁存器的工作是受单稳 态触发器控制的。门控波形的下降沿，使单稳态触发器1进入暂态，单稳态1暂态的上升沿作 为锁存器的锁存（使能）脉冲。锁存器在锁存脉冲作用下，将门控信号周期内的计 数结果存储起来，并隔离计数器对译码显示的作用。在锁存器将门控信号周期内 的计数结果存储起来情况下，在显示器上得到稳定的计数显示。图4-6锁存器以及显示器部分的仿真5工作过程分析根据课题要求，电路采用555定时器组成的多谐振荡器，为获得较为稳定的 时间基准信号，用来准确的控制主控门的开启时间。被测信号首先通过放大整形 电路进行整形，使其得到所需的整形信号，晶体振荡器的输出信号经整形和分频 器逐级分频后，可获得各种事件基准。计数器是最常用的时序电路之一，计数器的种类不胜枚举，按触发器动作分 类，可分为同步计数器和异步计数器；按计数数值增减分类，可分为加计数器、 减计数器和可逆计数器；按编码分类，又可分为二进制码计数器、BCD码技术区、 循环码计数器。此设计采用十进制计数器进行计数。通过时基选择开关，将所选用的时基信号作为控制电路的触发信号（用8 位寄存器，实际上就是触发器构成的计数器，它可以循环位移一个1电平，也可 以循环位移一个0电平），再将信号传入逻辑控制电路中，控制电路输出接往主 控门，该输出端仅在所选时间基准内维持高电平，使主控门开启，被测信号在采 样时间内通过主控门，进入十进制计数器计数，计数器数值由数字显示器在数字 频率计面板上显示出来。此即为所测信号之频率值。译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码和 显示译码两类。它们的工作原理和分析设计方法大同小异，其中二进制译 码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型，使用十分广泛的译码电路。显示译码器，一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码，并通过显示器件将译码器的状态显示出来。本设计译码显示器则采用十进制74LS48来实现，其作用是把BCD码表示的十进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信 号，以获得数字显示。6元器件清单原件序号型号主要参数数量备注15552定时器2RPACK44限流37408J2与门474LS160N410进制计数器574LS373N2锁存器6R1.4MQ1电阻7R107KQ1电阻8R36KQ1电阻9Clp F1电解电容10C10p F1电解电容11C10 nF2电解电容204显示器小结刚接到课程设计的时候完全没有思路，不知该如何下手，好像自己学到的 东西一点都用不上，后来经过翻阅资料就有了思路，在整个课程设计完后，总的 感觉是：有收获。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，女如 如何利用现有的元件组装得到设计利用计算机来画图等等。在学习中的小问题在 课堂上不可能犯，在动手的过程中却很有可能犯。特别是在接电路时，一不小心 就会犯错，而且很不容易检查出来。但现在回过头来看，还是挺有成就感的。我 的动手能力又有了进一步的提咼，我感到十分的咼兴我学到了课本上没有的东西，还知道课本上的知识也是很重要的，在你完全 没有思路的时候课本会给我很多灵感，这在以后的学习和生活中会有很大的用 处，增强了我的动手能力和实践能力，但是我还有不足，我会在以后的学习中逐 步提高，做一个动手能力强的大学生。头来看，还是挺有成就感的。我的动手能 力又有了进一步的提高，我感到十分的高兴。再此，还得感谢老师给了我们这次动手实践的课题，使我明白了很多，让我 觉自己学到的知识是这么的有用，还了解了在实际的应用中许多应该注意的但没 有注意到的问题，这对以后的应用实践有很大的帮助。还得感谢在这次的课程设 计中和我同组的同学，是他们给了我很多启发，然我能顺利的完成实验课题。通过一周的课程设计，发现自己有些能力还是有很大的欠缺的，特别是对陌 生软件的掌握上，所以还需要大量的实习机会来通过实际的练习来弥补自己能力 上的不足之处。正如老师所说，经历了数字电子设计的课程设计将成为你大学四年最难忘的事情，我现 在深有体会，以前做设计的时候都是一组成员共同完成一份,而这次，是完全靠自己的力量， 虽然感觉挺累的，但是当自己完成的时候，此时的成就感是别人无法给予的，感觉自己确实 学到了很多东西，在以后的道路中也更加的相信自己致谢在这两周的课程设计中，遇到很多困难，但是在老师和同学的热心帮助下, 我还是顺利的完成了这次设计，通过这次设计我对数字电子有了更深一层的认识 并且产生了浓厚的兴趣。本篇论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是我个人智慧的结晶，是大家共同 创造的，如果没有学校给了我们这次机会没有导师的指引和赠予，朋友的帮助和 支持，我在设计肯定会大打折扣。当我打完设计论文的最后一个字符，涌上心头 的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。我首先要嘎感谢 我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，使我在完成论文 的同时也深受启发和教育。其次我要感谢身边的朋友是你们不断地给我前进的动 力让我在困难面前奋勇向前。最后我要感谢在网络上发表材料的朋友们，是你们 给了我最初的设计灵感。从开始的一片茫然，到现在巨大的成就感，心里的感激不言而喻，在这 里，我要衷心感谢我的老师，我的组员，谢谢您们的帮助！参考书目1 邱寄帆，唐程山数字电子技术实验与综合实训北京：人民邮电出版社，20092 尹雪飞，陈克安.集成电路速查大全.西安：西安电子科技大学出版社，2002 康华光，邹寿彬，秦臻电子技术基础北京：高等教育出版社，20064赵负图数字逻辑集成电路手册北京：化学工业出版社，2005 吕思忠，施齐云.数字电路实验与课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学,2001A1逻辑电路图A2PCB 图