數(shù)電課程設(shè)計(jì)--數(shù)字頻率計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　題 目：7 數(shù)字頻率計(jì)</p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　具備數(shù)字電子電路的理論知識(shí)；具備數(shù)字電路基本電路的設(shè)計(jì)能力；具備數(shù)字電路的基本調(diào)試手段；自選相關(guān)電子器件；可以使用實(shí)驗(yàn)室儀器調(diào)試。</p>

2、;<p>　　要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）</p><p>　　1、4位LED數(shù)字頻率顯示；；</p><p>　　2、設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器（5MHz，方波）；</p><p>　　3、測(cè)頻范圍1Hz—1MHz，誤差1Hz；</p><p>　　4、安裝調(diào)試并完成符合學(xué)校要求的設(shè)

3、計(jì)說(shuō)明書(shū)；</p><p><b>　　5、設(shè)計(jì)電源；</b></p><p>　　6、焊接：采用實(shí)驗(yàn)板完成，不得使用面包板。</p><p><b>　　時(shí)間安排：</b></p><p>　　第十九周一周，其中3天硬件設(shè)計(jì)，2天硬件調(diào)試</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名：

4、 2012年 5 月 30日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1設(shè)計(jì)背景3</b></p><p>　　1.1了解數(shù)字電路

5、系統(tǒng)的定義及組成3</p><p>　　1.2掌握時(shí)鐘電路的作用及基本構(gòu)成3</p><p><b>　　2設(shè)計(jì)方案5</b></p><p>　　2.1方案設(shè)計(jì)與論證5</p><p>　　2.2單元模塊功能分析7</p><p>　　2.2.1時(shí)基電路7</p>&l

6、t;p>　　2.2.2放大整形電路8</p><p>　　2.2.3計(jì)數(shù)器9</p><p>　　2.2.4數(shù)碼顯示電路9</p><p>　　2.2.5整體設(shè)計(jì)電路圖及原理分析10</p><p><b>　　3仿真結(jié)果12</b></p><p><b>　　4實(shí)物圖

7、展示13</b></p><p>　　5設(shè)計(jì)心得體會(huì)14</p><p><b>　　6參考文獻(xiàn)15</b></p><p>　　7本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表16</p><p><b>　　附錄17</b></p><p><b>　　1設(shè)計(jì)背

8、景</b></p><p>　　1.1了解數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成</p><p>　　數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時(shí)鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其形式包括各種輸入接口電路。比如數(shù)字頻率計(jì)中，通過(guò)輸入電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)則需要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)輸

9、入電路時(shí)，必須首先了解輸入信號(hào)的性質(zhì)，接口的條件，以設(shè)計(jì)合適的輸入接口電路。</p><p>　　1.2掌握時(shí)鐘電路的作用及基本構(gòu)成</p><p>　　時(shí)鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個(gè)系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時(shí)鐘電路包括主時(shí)鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時(shí)鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的 555 多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計(jì)中的基準(zhǔn)時(shí)間形成電路等都屬于

10、時(shí)鐘電路。設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時(shí)鐘的頻率，并注意與其他控制信號(hào)結(jié)合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時(shí)鐘脈沖。</p><p><b>　　2設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)是一種用數(shù)字顯示的頻率測(cè)量?jī)x表，它不僅可以測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)和尖脈沖信號(hào)的頻率，而且還能對(duì)其他多種物理量的變化頻率進(jìn)行測(cè)量，諸如機(jī)械振動(dòng)次數(shù)，物體轉(zhuǎn)動(dòng)速度，明暗變化的閃光次

11、數(shù)，單位時(shí)間里經(jīng)過(guò)傳送帶的產(chǎn)品數(shù)量等等，這些物理量的變化情況可以有關(guān)傳感器先轉(zhuǎn)變成周期變化的信號(hào)，然后用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)變化次數(shù)，再用數(shù)碼顯示出來(lái)。</p><p>　　2.1方案設(shè)計(jì)與論證</p><p>　　交流電信號(hào)或脈沖信號(hào)的頻率是指單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電振動(dòng)的次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)。用數(shù)學(xué)模型可表示為：</p><p><b>　　f=</b&

12、gt;</p><p>　　式中f——頻率。N——電振動(dòng)次數(shù)或脈沖數(shù)。t——產(chǎn)生N次電振動(dòng)或脈沖所需要的時(shí)間。</p><p>　　首先必須把各種被測(cè)信號(hào)通過(guò)放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的另一必備環(huán)節(jié)是時(shí)基電路。所謂時(shí)基電路，就是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電路裝置。通常要求精確穩(wěn)定，所以采用1MHz或5MHz石英晶體振蕩器做成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)發(fā)生器。一般計(jì)數(shù)器則

13、采用十位計(jì)數(shù)器，N進(jìn)制的計(jì)數(shù)器也就是N分頻器，其N(xiāo)進(jìn)位信號(hào)也可作為N分頻信號(hào)。</p><p>　　如圖2.1.1所示為數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)原理總框圖，被測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)放大與整形電路傳入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，變成其所要求的信號(hào)，此時(shí)數(shù)字頻率計(jì)與被測(cè)信號(hào)的頻率相同，時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，此時(shí)利用所獲得的基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)觸發(fā)控制電路，進(jìn)而得到一定寬度的閘門(mén)信號(hào)，當(dāng)1s信號(hào)傳入時(shí)，閘門(mén)開(kāi)通，被測(cè)量的脈沖信號(hào)通過(guò)閘門(mén)，其計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)

14、，當(dāng)1s信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門(mén)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。根據(jù)公式得被測(cè)信號(hào)的頻率f=NHz。</p><p>　　圖2.1.1 數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器原理框圖</p><p>　　邏輯控制電路的一個(gè)重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門(mén)和時(shí)基信號(hào)輸入，使計(jì)數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時(shí)間，以便觀測(cè)和讀取數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)而言之，控制電路的任務(wù)就是打開(kāi)主控門(mén)計(jì)數(shù)，關(guān)上主控門(mén)顯示，然后清零，這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行。控制電路如圖2.1.2

15、所示：</p><p>　　圖2.1.2邏輯控制電路</p><p>　　2.2單元模塊功能分析</p><p><b>　　2.2.1時(shí)基電路</b></p><p>　　為了獲得較為穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，以便準(zhǔn)確的控制主控門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間，其電路見(jiàn)圖2.2.1所示：</p><p>　　圖2.2.1

16、 時(shí)基電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)采取用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3.3所示。接通電源后，電容被充電，當(dāng)上升到時(shí)，使為低電平，同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過(guò)和T放電，下降。當(dāng)下降到時(shí)，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為</p><p>　　當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，將通過(guò)、向電容C充電，由上升到所需的時(shí)間為</p><p>　　當(dāng)上升到時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)

17、為低電平。如此周而復(fù)始，于是在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。其振蕩頻率為</p><p>　　2.2.2放大整形電路</p><p>　　為保證測(cè)量精度，在整形電路的輸入端加一前置放大器。對(duì)幅值較低的被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大后再送入整形器整形。</p><p>　　此電路采用LM555CN芯片組成，可對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行放大再傳入整形器中對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形。</p>

18、<p>　　圖2.2.2 555放大整形電路</p><p><b>　　2.2.3計(jì)數(shù)器</b></p><p>　　為了提高計(jì)數(shù)速度，可采用同步四位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其特點(diǎn)是計(jì)數(shù)脈沖作為時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)接于各位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端，在每次時(shí)鐘脈沖沿到來(lái)之前，根據(jù)當(dāng)前計(jì)數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準(zhǔn)備好適當(dāng)?shù)臈l件。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖沿到來(lái)時(shí)，所有應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時(shí)

19、翻轉(zhuǎn)，同時(shí)也使用所有應(yīng)保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。由于頻率計(jì)的測(cè)量范圍1HZ～1MHz，因此采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90。</p><p>　　圖2.2.3 計(jì)數(shù)器</p><p>　　2.2.4數(shù)碼顯示電路</p><p>　　通過(guò)74LS48譯碼器和七段共陰數(shù)碼管組成電路的數(shù)碼顯示。</p><p>　　圖2.2.4 數(shù)碼顯示電路<

20、;/p><p>　　2.2.5整體設(shè)計(jì)電路圖及原理分析</p><p>　　在多諧振蕩器中，電路從暫穩(wěn)態(tài)過(guò)渡帶另一個(gè)狀態(tài)，其“觸發(fā)”信號(hào)是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無(wú)需外部觸發(fā)脈沖。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間是脈沖電路的主要參數(shù)，它與電路的阻容原件取值有關(guān)。電路中RC電路充、放電過(guò)程對(duì)相應(yīng)門(mén)輸入電平的影響是分析電路的關(guān)鍵。</p><p>　　圖中根據(jù)課題要求，電路采用

21、555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，為獲得較為穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，用來(lái)準(zhǔn)確的控制主控門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間。被測(cè)信號(hào)首先通過(guò)放大整形電路進(jìn)行整形，使其得到所需的整形信號(hào)，晶體振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)整形和分頻器逐級(jí)分頻后，可獲得各種時(shí)間基準(zhǔn)。</p><p>　　計(jì)數(shù)器是最常用的時(shí)序電路之一，計(jì)數(shù)器的種類(lèi)不勝枚舉，按觸發(fā)器動(dòng)作分類(lèi)，可分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器；按計(jì)數(shù)數(shù)值增減分類(lèi)，可分為加計(jì)數(shù)器、減計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器；按編碼分類(lèi)，又可

22、分為二進(jìn)制碼計(jì)數(shù)器、BCD碼技術(shù)區(qū)、循環(huán)碼計(jì)數(shù)器。此設(shè)計(jì)采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過(guò)時(shí)基選擇開(kāi)關(guān)，將所選用的時(shí)基信號(hào)作為控制電路的觸發(fā)信號(hào)（用8位寄存器，實(shí)際上就是觸發(fā)器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，它可以循環(huán)位移一個(gè)1電平，也可以循環(huán)位移一個(gè)0電平）,再將信號(hào)傳入邏輯控制電路中，控制電路輸出接往主控門(mén)，該輸出端僅在所選時(shí)間基準(zhǔn)內(nèi)維持高電平，使主控門(mén)開(kāi)啟，被測(cè)信號(hào)在采樣時(shí)間內(nèi)通過(guò)主控門(mén)，進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器數(shù)值由數(shù)字顯示器在數(shù)字頻率計(jì)面板上顯

23、示出來(lái)。此即為所測(cè)信號(hào)之頻率值。</p><p>　　圖2.2.5 整體設(shè)計(jì)電路圖</p><p><b>　　3仿真結(jié)果</b></p><p>　　此數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器由輸入整形電路、分頻器及量程選擇開(kāi)關(guān)、門(mén)控電路、閘門(mén)、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路等組成。被測(cè)信號(hào)(以正弦波為例)通過(guò)放大、整形電路將其轉(zhuǎn)換成同頻率的脈沖信號(hào)，被測(cè)量的脈沖通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入到計(jì)

24、數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。邏輯控制電路是控制計(jì)數(shù)器的工作順序的，使計(jì)數(shù)器按照一定的工作程序進(jìn)行有條理的工作(例如準(zhǔn)備——計(jì)數(shù)——顯示——清零——準(zhǔn)備下一次測(cè)量)。</p><p>　　通過(guò)顯示器顯示的數(shù)據(jù)，可以測(cè)出脈沖的個(gè)數(shù)N，通過(guò)時(shí)基電路以及分頻電路可以得到在時(shí)間段T內(nèi)，被測(cè)信號(hào)發(fā)生的脈沖個(gè)數(shù)N，從而可以通過(guò)計(jì)算得到脈沖頻率f1，被測(cè)信號(hào)的原頻率為f，得誤差W=(f1-f)/f.測(cè)的誤差小于10%。</p>

25、<p><b>　　圖3 仿真結(jié)果</b></p><p><b>　　4實(shí)物圖展示</b></p><p><b>　　圖5 實(shí)物圖</b></p><p>　　由于芯片較多，在連接實(shí)物時(shí)很費(fèi)時(shí)費(fèi)力，常常弄錯(cuò)引腳的接線。在實(shí)物做成后的調(diào)試中，由于74LS90焊接不好導(dǎo)致接觸不良，數(shù)碼管

26、顯示不正常。經(jīng)過(guò)調(diào)試依然無(wú)法得到預(yù)期的結(jié)果。</p><p><b>　　5設(shè)計(jì)心得體會(huì)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)是我們學(xué)習(xí)過(guò)程中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，是鍛煉我們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)正確分析和解決實(shí)際問(wèn)題的一個(gè)重要方面，也是培養(yǎng)應(yīng)用型專(zhuān)門(mén)人才的要求。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，主要強(qiáng)調(diào)我們能夠利用所學(xué)的知識(shí)來(lái)裝配電路。通過(guò)本次設(shè)計(jì),不但使我們鞏固了書(shū)本上所學(xué)的知識(shí),而且也學(xué)到了

27、很多書(shū)本外的知識(shí),同時(shí)也加強(qiáng)和鍛煉了自己的動(dòng)手能力,為以后參加工作奠定了牢固的基礎(chǔ)。同時(shí)利用無(wú)限的網(wǎng)絡(luò)資源更加準(zhǔn)確的各個(gè)元件的功能、作用。</p><p>　　經(jīng)過(guò)此次的課程設(shè)計(jì)，使我學(xué)會(huì)了仿真軟件Proteus的一些基本使用方法，我能和我的組員一起討論我們的課題，共同研討設(shè)計(jì)方案，選定設(shè)計(jì)器件及電路，并進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的調(diào)試，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查找資料，并結(jié)合課內(nèi)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行綜合性的分析與評(píng)估。我們組使用了仿真軟件Prot

28、eus，選定了包括74LS90N、LM555CN、74LS48、共陰晶體管等等器件。</p><p>　　在實(shí)物調(diào)試時(shí)，數(shù)碼管顯示的示數(shù)與仿真結(jié)果不符。</p><p><b>　　6參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高教出版社，2006</p><p>　　

29、[2] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M]. 北京：高教出版社，2006</p><p>　　[3] 金唯香,謝玉梅.電子測(cè)試技術(shù)[M]. 湖南：湖南大學(xué)出版社，2008</p><p>　　[4] 葉青.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2011</p><p>　　[5] 曾喆昭.信號(hào)與系統(tǒng)[M]. 湖南：湖南大學(xué)出版社，2010&l

30、t;/p><p>　　[6] 邱關(guān)源,羅先覺(jué). 電路[M].北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　7本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表</p><p>　　指導(dǎo)教師簽字： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　附錄</b>&l

31、t;/p><p>　　74LS90功能：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（÷2 和÷5） </p><p>　　原理說(shuō)明：本電路是由4 個(gè)主從觸發(fā)器和用作除2 計(jì)數(shù)器及計(jì)數(shù)周期長(zhǎng)度為除5 的3 位2 進(jìn)制計(jì)數(shù)器所用的附加選通所組成。有選通的零復(fù)位和置9 輸入。為了利用本計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)長(zhǎng)度（十進(jìn)制），可將B 輸入同QA 輸出連接，輸入計(jì)數(shù)脈沖可加到輸入A 上，此時(shí)輸出就如相應(yīng)的功能表上所要求