数字频率计的设计与制作—课程设计报告

课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 数字频率计的设计与制作 初始条件：ne555定时器 74LS90 74LS123要求完成的主要任务: 1.被测信号为矩形脉冲信号，04V；2.显示的频率范围为0099Hz；3.测量精度 1Hz；4.用LED数码管显示频率数值；5.至少提出三种设计方案，并对其进行比较与选择；6.撰写课程设计报告书。时间安排：2012年6月8号10:00-12:00 ：理论讲解; 地点：教四615； 2012年6月：理论设计及实验室安装调试； 地点：鉴主15楼通信工程实验室三； 第20周：撰写设计报告及答辩；地点：鉴主17楼研究室。指导教师签名： 年 月日系主任（或责任教师）签名： 2012年 月日 目录1设计内容及其要求52思路分析与方案论证12.1待选方案42.3最终方案43电路参数计算及原理图63.1时基电路63.2数据锁存和清零电路73.3放大整形电路83.4计数器的原理图83.5锁存器部分原理图93.6BCD码8421共阴七段数码管译码驱动器的电路图94问题及解决办法104.1使用的主要仪器和仪表104.2调试电路的方法和技巧104.2.1校准时基电路104.2.2校准整形电路104.2.3测试频率计104.3电路性能指标测试结果114.4调试中出现的故障、原因及排除方法115收获、体会11参考文献12附录二：元器件名细表1416数字式频率计与制作摘要 在电子技术中，频率是最基本的参数之一，同时频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。 在传统的生产制造企业中，在计量实验室中，在无线通讯测试中都需要用到频率计。本次实验的频率计是由ne555产生时基信号，计数器74ls90计数，单稳态触发器74ls123触发锁存数据，七段共阴数码管作为显示部分来显示频率。该设计方案简单、实用、经济，能够测量099Hz幅度为04V的方波信号的频率，且精度为1Hz。关键字：频率计 时基信号 计数器 单稳态触发器 1设计内容及要求设计并制作一个数子频率计要求：被测信号为矩形脉冲信号，04V显示的频率范围为0099Hz测量精度为1Hz用LED数码管显示频率数值提出至少两种设计方案，并优选方案进行具体设计撰写符合学校要求的课程设计说明书2方案选择2.1待选方案2.1.1方案一方案一的系统框图见图2-1。 待测频率方波 时基信号 清零信号 锁存信号放大电路控制电路闸门电路计数器锁存器译码显示图2-1 方案一的系统框图方案一的电路图见图2-2。图2-2 方案一的电路图方案一的工作原理：首先将信号放大到5V，在将信号连接道闸门，闸门的控制信号是由ne555定时器构成多谐振荡电路产生的矩形波，其正脉冲时间为一秒钟，也就是闸门导通时间为一秒钟，在由于待测频率方波连到计数器的时钟脉冲脚，所以这一秒的时间内计数器对该波形脉冲计数，时间到闸门断开停止计数；同时ne555产生波形将产生一个下降沿，该下降沿驱动第一个单稳态触发器，使其产生一个正脉冲，该正脉冲促使D触发器锁存计数器中的数据；D触发器的数据通过BCD8421译码器译码驱动数码管显示，该显示数据即是所测频率；当第一个单稳态触发器重新回到稳态也就是有高电平跳变为低电平，该下降沿触发第二个单稳态产生一个低脉冲，该脉冲通过一与非门使计数器清零；如此循环，数码管就一直显示待测方波的频率。2.1.2方案二方案二的系统框图见图2-3。待测频率方波放大电路闸门电路单片机译码显示图2-3 方案二的系统框图方案二电路图见图2-4。图2-4 方案二的电路图方案二的工作原理：该方案通过单片机为频率计的核心，由单片机的定时计数器产生1s钟的通过闸门信号，且同时单片机计中的定时计数器记下该段时间的脉冲，在通过单片机计算将数据送到IO口，在通过译码器译码驱动显示出相应测试出的频率。2.2方案比较方案一：该方案由纯硬件电路搭出的频率计电路，电路复杂，计算复杂，但电路为纯硬件电路不需要编程。方案二：该方案通过单片编程实现数字频率计的设计，电路简单，但要涉及到单片机编程。2.3最终方案由于此次课设为数电课设，且刚学完数电课程，若要选择单片机方案还得学习单片机，鉴于时间有限，所以我们选择方案一。3模块电路的选择3.1时基电路方案一：采用由石英晶体和门电路构成的多谐振荡器来实现，其振荡频率稳定性高，具有非常好的选频特性。但电路的振荡频率仅取决与石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R、C值无关，所以其频率无法调节，由于其频率太高，一般都是兆的数量级，需要经过多次分频才能达到秒脉冲的数量级。故不适合用在此处。方案二：此课程设计中所需要的时钟信号约为1HZ，由于555定时器内部的比较器灵敏度高。输出驱动电流大，功能灵活，且采用差分电路形式，他的震荡频率受电源电压和温度的影响很小。改变R、C的值就能够改变其频率。所以由555定时器构成的多谐振荡器频率稳定且易于调节。方案三：利用门电路构成多谐振荡器，也可以达到1HZ的时钟信号。门电路构成的多谐振荡器利用RC电路的充放电特性，通过控制时间常数来产生方波时钟信号。但是其稳定度比较低，而且特性与所用门电路的特性直接挂钩，而且输出波形受到电源的影响特别大，不容易控制。经过分析和对比设计的要求，在所需频率较低，时基脉冲的发生选用方案二。3.2数据锁存和清零电路方案一：采用分离的门电路和电阻、电容构成一基本的单稳态触发器。电路可以完成单稳态的功能，但电路复杂耗费的元器件多且稳定性也不好，既不实用有不经济。方案二：采用Ne555和分离的电容、电阻构成单稳态触发器。电路相对简单且比较经济。方案三：采用集成的单稳态触发器，电路相当的简单，且稳定比较好。经过分析和比较，我们选用放案三。3.3放大整形电路方案一：采用基本三极管构成的放大电路，实现波形幅值的放大。该方案可轻松实现波形的放大，但是电路相对复杂，由于分离元器件太多电路的稳定行较差，所以后级还得加整形电路。方案二：采用运放构成同相放大器。该方案简单实用，且运放也广为我们熟悉，但后级还得加整形电路。方案三：直接采用运放当做比较器，由于待测为方波，同时实现放大整形功能，且电路十分简单。经过分析和比较，我们选用放案三。3.4计数器方案一：采用74ls161集成计数器，计数方便，通过反馈清零法，可轻松实现清零功能。方案二：采用74ls90二、五、十进制计数器，通过该芯片实现十进制计数十分容易，无需额外的元器件即可。经过分析和比较，我们选用放案二。3.5译码器方案一：采用BCD8421集成共阴七段数码管译码器74ls48，芯片价格昂贵。方案二：采用BCD8421集成共阴七段数码管译码器cd4511，芯片价格便宜经过分析和比较，我们选用放案二。4电路参数计算及原理图4.1时基电路时基电路是由ne555产生的，其原理图见图4-1。图4-1 时基电路原理图根据555构成的多谐振荡器电路的计算公式:T=(RV1+R2+R1)C1Ln2T=R1CLn2由于C1的值为已知10uF，可以取R1=39K；同时算出(RV1+R2+R1)=144.3K，若取R2的值为44K，那么可以选RV1为一个100K的电位器。如此可通过调节电位器的值将正脉冲的值确定为精确的1S。4.2数据锁存和清零电路数据锁存和清零电路由两个单稳态触发器构成，其原理图见图4-2。图4-2 数据锁存和清零电路原理图当ne555产生的一秒钟正脉冲结束时，产生一下降沿触发第一个74LS122单稳态触发器，使其Q端输出一正脉冲，该脉冲的上升沿触发D触发器锁存计数器中的数据，随后该芯片由暂稳态进入稳态，产生一个下降沿触发后一个74LS122使其端产生一低脉冲，该脉冲为计数器清零脉冲。为保证在555时基波形地低脉冲时间内电路清零完成，所以选取C3=C4=4.7uF，R3=R4=10K；根据单稳态触发器脉冲宽度计算公式：=RCLn2算出0.033S，显然在该段时间内能够及时清零不影响下一计数测频率。4.3放大整形电路放大整形电路的原理图见图4-3。图4-3 放大整形电路原理图考虑到待测频率方波的幅值为04V所以先把待测波形经过一比较器使其变为幅值5V的方波。此处我们可以选择比较器Lm339，和一个10K的电位器。4.4计数器的原理图计数器部分的原理图见图4-4。图4-4 计数器的原理图考虑到比较适合于十进制计数，我们选用74Ls90二、五、十进制计数器可轻松简单实现十进制计数。4.5锁存器部分原理图锁存数据部分原理图见图4-5。图4-5 锁存器部分原理图此处我们选择上升沿触发的D触发器74Ls273。4.6BCD码8421共阴七段数码管译码驱动器的电路图译码显示部分原理图见图4-6。图4-6 BCD码8421共阴七段数码管译码驱动器的电路图开始设计时候我们选的是共阴七段数码管BCD译码器74ls48，由于价格相对较昂贵我们最终用的是相对便宜的CD4511。5问题及解决办法5.1使用的主要仪器和仪表本设计所用到的主要仪器和仪表有数字万用表、数字示波器、函数发生器。5.2调试电路的方法和技巧5.2.1校准时基电路时基电路电路图见前面，接通电路电源，用示波器测输出脚的波形图，调节电位器，使正脉冲波形的宽度为一秒钟。调节电位器时一定要细心慢慢的调节，用力适当，切勿用力过猛。5.2.2校准整形电路波形校准电路图见前面,接通电路电源，给一待测频率为50Hz幅度为1V的方波，用示波器测试电路的输出波形，同时调节电位器当输出波形为幅度为5V频率为50Hz时。选择其他频率和幅度的方波重复几次，校准完毕。校准过程一定要细心。5.2.3测试频率计校准完毕后，就可以测试频率计了，任意给出一个099Hz频率04V幅值的方波，看频率是否显示正确，改变几次波形频率和幅度看测试频率的变化情况。测试过程中一定要选择比较多的不同频率或不同幅值的方波重复多次测量。5.3电路性能指标测试结果经过重复多次不同频率不同幅度的方波，频率计能在099Hz频率、04V幅值范围内测出正确的频率，测量精度为1Hz，且能够用数码管显示出来，频率计达到设计要求。5.4调试中出现的故障、原因及排除方法电路连接完成，首次测试频率计时，频率显示值是实际值的好几倍，且随不同的幅度而不同。经过检查分析后，我们认为是波形整形部分比较器的比较电压调的不好，经重新调节后发现电路可以正常测出频率。6收获、体会和改进设计的建议和展望通过这次的模拟电路课程设计，让我们学会了如何独立完成一个数字电路系统的设计，这一周多的熬炼让我感觉收获很多。首先，数字电路是一门理论性很强，很需要经验的一门学科，想要学好它需要付出足够的努力，要多动手才能有收获，课程设计就给了我们一个很好的实践的机会， 你需要先查资料 ，然后设计方案，最后再进行安装调试，使我们能够去真正的来动手独立完成整个过程，这正是我们所欠缺的。其次，通过安装调试，可以发现理论上可行的电路很有可能调试不出结果，这就需要我们来对电路进行整体的分析，考虑到各个环节的影响，才能发现问题。再次，通过这次课程设计，我发现同学之间的相互合作能够大大的加快我们设计的过程，许多资料通过同学们之间的资源共享可以达到事半功倍的效果，这就是我们以后肯定要学会的团队合作的精神，一个人的思想不可能面面俱到，相互合作就能弥补这种不足。最后，我还想对该频率计提出一些改进的建议。我希望该频率计不仅能够测量方波的频率，还能够测量正弦波、三角波、锯齿波的频率，还希望测试频率的范围跟大可以测到上KHz上Mhz的频率。课程设计是一个提高我们整体水平的好方法，希望我们以后还有更多的机会来做课程设计。参考文献1 康华光.电子技术基础数字部分.武汉:华中科技大学出版社，20062 祁存荣.电子技术基础实验（数字电子技术部分）.武汉理工大学教材中心，2007 3 彭介华.电子技术课程设计指导M. 北京：高等教育出版社,2005附录一：电路总图附图一 电路总图附录二：元器件名细表附表一 元器件明细器件型号数量ne5551741222lm339174ls00174ls90274ls2731CD45112七段共阴数码管210uF电解电容10.1uF瓷片电容14.7uF电解电容2100k电位器110k电位器139k电阻144k电阻110k电阻3按键1本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：设计方案和内容（30分）制作与调试（30分）说明书内容和规范程度（20分）答 辩（10分）考 勤（10分）总 分（100分）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日