数字频率计_课程设计报告.pdf

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1、word 电气与信息工程学院 数字频率计 设计报告书 摘 要：在电子技术中，频率是最基木的参数之一，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。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。关键词：频率计，闸门，逻辑控制，计数锁存word 第一章 设计目的 第二章设计任务和设计要求 21 设计任务及基木要求 2.2 系统结构要求 第三章 系统概述 3.1 概述 3.

2、2 设计原理及方案 第四章 单元电路设计及分析 4.1 时基电路 4.2 逻辑控制电路 4.3 计数电路 4.4 锁存电路 4.5 显示译码电路 4.6 闸门电路 第五章安装与调试过程 5.1 电路的安装过程 5.2 电路的调试过程 5.3 出现的问题及解决办法 第六章结果分析 word 第七章收获与体会 第八章元件清单 第九章实现结果实物图 附录 A 参考文献 第一章 设计目的：1.了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理；2.熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误 差的方法。3.本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应 用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制

3、 作与调试的方法和步骤。4.针对电子线路课程要求，对我们进行实用型电子线路设 计、安装、调试等各环节的综合性训练，培养我们运用课程中 所学的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。word 第二章 设计任务及要求：2.1 设计任务及基本要求：设计一简易数字频率计，其基本要求是：1）测量频率范围 09999Hz；2）最大读数 9999HZ,闸门信号的采样时间为 1s；3）被测信号可以是正弦波、三角波和方波；4）显示方式为 4 位十进制数显示；5）完成全部设计后，可使用 EWB 进行仿真，检测试验设计电路 的正确性。2.2系统结构要求 数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部 信

4、号，送入测量电路进行处理、测量。word 第三章 31概述：频率计的基木原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时 钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉 冲个数，此时我们称闸门时间为 1 秒。闸门时间也可以大于或小于一 秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测 一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但 测得的频率精度就受影响。木文。数字频率计是用数字显示被测信号 频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数 字电路。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能

5、在更小的空 间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振 动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率 计是一种应用word 很广泛的仪器 数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子 设备中。一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变,但在实践分布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。数字 集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一，己广泛地深入到各个 应用领域。3.2设计原理及方案 数字频率计是直接用十进制的数字来显示被测信号频率的一种 测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信

6、号的频 率，而且还可以测量它们的周期。所谓频率就是在单位时间(1s)内周期信号的变化次数。若在一 定时间间隔 T 内测得周期信号的重复变化次数为 N,则其频率为 仁 N/T,据此，设计方案框图如图 1 所示：word 图中脉冲形成的电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复 频率等于被测信号的频率伎。，时间基准信号发生器提供标准的时间 脉冲信号，若其周期为 1s,则们控电路的输岀信号持续时间亦准确 的等于 1s。闸门电路由标准秒信号进行控制当秒信号来到时，闸门 开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数器译码显示电路。秒信号结束word 时闸门关闭，技计数器得的脉冲数 N 是在 1 秒时间内的累计数，

7、所 以被测频率 fx=NHz 同时由图可知数字频率计由八部分组成:时基电路，逻辑控制电 路，闸门电路，整形电路，计数电路，锁存器，译码显示器和振荡电 路。时基信号发生器提供标准的时间脉冲信号，其高电平持续时间为 1S。闸门电路由标准时间信号进行控制，在时基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,计数停止计数。同时逻辑控制电路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。而在锁存信号的上升沿 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

8、可重复使用，避免两次测量结果相加使结果产生错 误。被测信号频率通过计数锁存可直接从计数显示器上读出。各点的波形如图；锁存 ：TX L计数 I C：I t,1 I n j1LTLrL.ruL一 n.；N m word 数字频率计的工作时序波形 其中，1 路为未知频率波形，2 路为时基波形，3 路为计数信号 波形，4路为锁存信号波形，5 路为清零信号波形。逻辑控制单元的作用有两个：其一，产生清零脉冲，使计数器每次从零开始计数；其二，产生所存信号，是显示器上的数字稳定不变。这些信号 之间的时序关系如图 2(b)所示数字频率计由时基电路、控制电路、闸门电路、计数锁存和清零电路、脉冲形成电路和译码显示电

9、路组成 第四章 单元电路设计及分析 4.1时基电路 时基电路的功能是产生一个高电平持续时间为 1S 的信号送到 闸门电路以及一个周期为 is 的信号送到逻辑控制电路。它由两部分 组成，是一个32768 和一个 CC4060 芯片以及两个 T 触发器组成。32768 的核心是晶体振荡管，晶体振荡管提供一个频率稳定的 32768hz 的方波信号，由 32768和 CC4060 连成的电路产生的 2HZ 脉 冲信号送到逻辑控制电路，此脉冲信号在经过一个 T触发器分频后 得到高电平持续时间为 1S 的脉冲信号送入闸门。word 时基信号电路图如下;42逻辑控制电路 逻辑控制电路的功能是在计数器计数完成

10、后产生一个 3S 的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。而在锁存信号的上升沿到来时，逻辑控制电路产生一个清零信号 将计数器清零。逻辑控制电路由一个 74LS160 芯片和一个 74LS138 芯片组成以 及两个非门。选用 74LS160 和一个非门改装成一个五进制计数器，再 把五进制计数器前三个输出端对应的接到 74LS138 的三个输入端 A2,A1,A0,从时基电路送来的周期为 1S 的脉冲信号输送到 74LS160 的 word C P 端，于是在脉冲信号的不断作用下 7 4 L S 1 3 8 的

11、输出端从 Y 0Y 4 的非之间不断变化。其中 Y 0 的非信号经过一个非门送到计 数器的 S 1,S 2端使计数器能够正常计数，Y 1 的信号即是锁存信 号，送到锁存器的 CP端，Y 4 的非信号是清零信号，送到锁存器的 C P 端。其电路图如下:f Lx、了 T|AL 寸 7-J Vi I 6-b I ,U27 叮 -CM g 寸八 9 卜 U2 4 on 二 j 74LS160 TLS1 38 9 7 1 *P J S T -=一 -I I C X U2 (a r 二 r 一 一：寸 -1 1 :r 43计数器 计数器的功能是对闸门送来的被测信号的频率进行测量计数。根据精度要求，采用 6

12、 个十进制计数器级联，构成 N=1 0 六次 方计数器。十进制计数器仍采用 7 4 L S 1 6 0 实现。闸门电路 的输出送到每个 7 4 L S 1 6 0 的 C P 端，计数器在 7 4 L S 1 3 8 的后输出信号的控制下对被测信号进行脉冲送数。其中计数 器的清零word 信号由 7 4 L S 1 3 8 的 Y 4 的非输出端提供，控制信 号由 7 4 L S 1 3 8的 Y 0 的非输出端提供，计数器输出结果后 送入锁存器。其电路图如下；-r 寸 J k.寸 r-.匸 U 6 r-u r)-一 1 44锁存电路 锁存器的作用是将计数器在 1s 结束时的计数值进行锁存，使

13、显 示器获得稳定的测量值。因为计数器在 1s 内要计算成千上万个输入 脉冲，若不加锁存器，显示器上的数字将随计数器的输出而变化，不 便于读数。如图 2所示，1s 的计数结束时。逻辑控制电路发出的锁 存信号，将计数器此时的word 值送到译码器，因此显示器的数字是稳定的。选用了三片 8D 锁存器 74LS273 可以完成上述锁存功能 74LS273 的真值表如表 1 所示。表1 74LS273真值表 MR CP D Q 0 X X 0 1 t/1 1 t 0 0 1 0 X 保持 当时钟脉冲 CP 的上升沿到来时，锁存器的输出等于输入，即 9。从而将六个个十进制计数器即个位、十位、百位、千位、万

14、位、十万 位的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论输入端 D 为何 值，输出端 Q 的状态仍然保持原来的状态。所以在计数周期内，计 数器的输出不会送到译码显示器。word 锁存电路如下:45显示译码电路 本部分电路由译码器和显像管组成。在锁存器将门控信号周期内 的计数结果存储起来情况下，把所存储的状态送入译码器进行译码,在显示器上得到稳定的计数显示。6 r 0 2 ,0 0 出 oonoonnn zgrrozoc-j IE K.亠，I A-.9 9 l S2 J 厂.丁 z 苛 f *T 1 1 1 word 46波形整形电路 为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测 信

15、号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信 号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。波形整形一般由与非 门逻辑电路构成。整形电路由晶体二极管 74LS00 等组成。与非门 74LS00 构成施 密特触发器，它输出信号进行整形，从而得到方波脉冲。47闸门电路 本部分电路由与门组成，该电路有两个输入端和一个输出端，输 入端的一端，接门控信号，另一端接整形后的被测方波信号。闸门是 否开通，受门控信号的控制，当门控信号为高电平“1”时，闸门开启;而门控信号为低电平“0”时，闸门关闭。显然，只有在闸门开启的时 间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门 开启时间。可见，

16、门控word 信号的宽度一定时，闸门的输出值正比于被测 信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来，就可以 得到被测信号的频率。第五章 安装与调试过程 设计好以上每个模块的电路后便可画出整个数字频率计的电 路图，然后列出所需要的元器件清单。拿到元器件按照整体电路图安 装好数字频率及的电路后，进行调试，首先分模块进行调试，在每个 模块调试正确后，不规则进行联调。因为整个电路的分析是瞬态分析,故总体电路的分析需要较长时间。5.1电路的安装过程 1 连电路之前要先做好一切准备，如；线检查一下面包板是否完好,整理好要用的实验工具，再将要用的芯片按型号分类，这样在连接电 路时又方便又不易出错。

17、2开始连接电路，电路连接要求导线要横平竖直并且最好不要交叉，所以要先考虑好电路的布局后根据电路连接合理的插接芯片，插芯片 时也要注word 意，要把所有的管脚都插进去后要均匀平稳的按下去，拔芯 片的时候也要平稳，以免折断管脚。3连电路是要分局部连接，每一个功能模块要分开接，这样连接的电 路除了什么错误就比较容易发现并改正。5.2电路的调试过程 1用示波器来检测电源的输出波形和频率，晶振正常的输出频率应为 0050HZo 2将频率为 0050HZ 的信号送入分频器，并用示波器检查各级分频器 的输出频率是否符合设计要求。3用周期为 1S 的信号作逻辑控制电路的时基信号输入，用发光二极 管来检查 7

18、4LS138 的的输出端从 Y 0Y 4 的输出端是否正常 4用周期为一秒的信号送入各计数器 CP 端，用发光二极管检查个计 数器的正常工作情况。5最后用同样的方法检测锁存器是否正常锁存，译码器能否正常工 作是显示管显示数字等。6分频，逻辑控制电路，计数，锁存和显示都没有问题后，调试完成。word 5.3电路出现问题及解决方法 1 在检测面包板状况中，岀现本该相通的地方却未通的状况，经检查 发现是由于接线点中间断开所致，用导线连接急排除。2在检测整体电路时，发现电路短路的情况，并导致数码管烧坏，经 检查发现，是有好几个芯片坏掉所致，更换新的数码管和芯片就解决 了问题。在检测 74LS160 向

19、 74LS273 送数的时候，发现 74LS273 的 输出始终为 0000,测量各管脚的电压后，发现是 7460 与 74LS273 之间的线少接了两根，连接上后便能正常工作。去检测 6 个 74LS160 芯片的进位状况时，发现千位到万位的进位无法正常进行，经过仔细 排查，最后发现有两个 74LS160 之间的线路连接有问题。3检测脉冲发生器时，发现脉冲发生器的 输出始终为高电平，这可 能是某些元器件损坏的缘故，在对每个元件逐一更换后发现是其中一 个电阻坏掉了，更换该电阻后，秒脉冲发生器的输出终于可以在高电 平和低电平之间不断地跳变了。4在检测 74LS273 的锁存功能的时，发现输入的频

20、率信号会被重复技 术导致显示的频率为原来的两倍，检测后发现锁存功能无法实现的原 因是有两根线没有连接，在连接后，电路就恢复正常了。5最后输入被测信号的频率测量，发现数码显示的数值是输入信号的 一般，而有时候显示的数字却又是正常的。发生这中不稳定的现象时,我们开始初步认定是分频器的问题。在设计电路时候，我们采用的是 一片 74LS112 双word JK 触发器转换成两个触发器作为分频器，于是我 们最后使用了两片74LS112双 JK 触发器，一片 74LS112 双 JK 触发 器只转换成一个触发器，采用了这次改变后，我们发现显示的数 值终于正常了。6.整个连接的时间花了整整两天，而调试却花了

21、三天的时间。可见 数字电路的重点是调试工作，调试是设计的核心内容，这是关键。第六章 结果分析 经过几天的安装与调试，最后终于出结果，实现了以下几个功 能：1）测量频率范围 09999Hz 的频率；2）最大读数 9999HZ,闸门信号的采样时间为 1s；3）被测信号可以是正弦波、三角波和方波；4）显示方式为 4 位十进制数显示；存在一定的误差，原因：线路接口太多，为了保持接线的美观，没有很弯曲的线，所以只能弄折线，接线点就会增加，导致一定的误 差。最终试验整体电路图：分为如下几个模块：整形电路、时钟控制电路，计数模块，锁存 模块，译码显示。输入信号：时钟基准信号 ip,待测信号 fry WUIU

22、word 第七章 心得及体会 首先，经过一个星期的课程设计，通过对各种资料的查阅，我发 现了自己动手的乐趣。以前所学的知识都被局限于课木之中，这次通 过课程设计我体会到了，只要勇于探索和吸收，知识是无边无境的。以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以前学的东 西作出有实际价值的东西。在这个过程中，我的确学得到很多在书木 上学不到的东西，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。但也遇到了不少的挫折，有时遇到了一个错误怎么找也 找不到原因所在，找了老半天结果却是接头的方向接错了，有时更是 忘接电源了。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

23、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 又有了进一步的提高，我感到十分的高兴.其次，这次课程设计中，我锻炼了自己的自学能力和解决问题 的能力。在这个过程中遇到了很多问题，比如如何画图，如何组织那 种专业语言，上网、到图书馆查找相关的资料。虽然很费劲，但是其 乐无穷。通过此次的设计，我发现到这个设计对数字电子技术的学习 要求非常高，我相信在今后的学习和工作中它也占据着非常重要的地 位。课堂中的学习是远远不够的，我们还需要自己吸收和再学习，不 断的探索和研究。这样在以后的学习工作中才能节节进步，不断创新。word 不但如此，我想要完成一个

24、任务，不能只局限于自己所学的知识中，要各个方面都有涉猎，提高自己的综合能力，这样才能取得长足的进 步。最后，通过此次的设计，我还领略到了团队精神的可贵。我觉得 我的的专业知识学习的不扎实，在设计的过程中，会遇到各种问题。这时我就会向同组同学请教，共同完成这个设计。尽管如此，设计中 仍会有我们未发现的问题，感谢老师的悉心指正。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是 一份财富，经历是一份拥有。这次设计将成为我学习旅途中一个美好 的回忆！第八章 元件清单:名称 参数 个数 备注 74LS160 4 计数器 共阴极数码管 4 显示器 CD4511 4 译码器 二极管 2 一个为发光二

25、极管 电阻 11 一个为 10K 滑动变阻 器 555 2 电容 5 a 1 X t e c?!气鼻鼻r k.l Q i 二 2L JK Jk,J X A A 4 .A a WAOOOO SGCX 52WAX32XX3AX it?WVK 二 50000?SyY WTXV1X:；：d xxvoccsyi oooooo xtw.OOOOM3C itc cvoocoo nb MXZ 心 04 aGG w y V GQCC/、CQv fQvO lx.、4.y V wO(o&QC y CCGL GCr/ecc*O9CCr tQoctc&cr cccecoi f.ott CMCX 八.-“CCOCC；，/CGUGVO C.OVOv(.C ww.f5 C*DC wove*A*QC*O W W*.*X*CCVC/A 37 A*iCCKX 666c 7v.ooccx 6MCXAXXX/9COCOO X 0M*/OOOWQWOVVCXA 5X/OC X*OCK*AXAOC-uCMXKK X OOCOC j -C,#o6o 3S AMfQOCr VMCC/OOC QC 宀3 word 附录A参考文献 1.模拟电子电路及技术基础 2.数字电子技术基础