簡(jiǎn)易數(shù)字頻計(jì)器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　1.1整體功能要求</b></p><p><b>　　1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求</b></p><p><b>　　1.3電氣指標(biāo)</b><

2、/p><p><b>　　1.4擴(kuò)展指標(biāo)</b></p><p><b>　　1.5設(shè)計(jì)條件</b></p><p>　　第二章 整體方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1 算法設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.2 整體方框圖及原理</p

3、><p>　　第三章 單元電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 時(shí)基電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2 閘門(mén)電路控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4 計(jì)數(shù)電路和顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5 小數(shù)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.6 超量程指示燈設(shè)計(jì)</p>&l

4、t;p>　　3.7 整體電路原理圖</p><p>　　3.8 整機(jī)原件清單</p><p>　　第四章 測(cè)試與調(diào)整</p><p>　　4.1 時(shí)基電路的調(diào)測(cè)</p><p>　　4.2 顯示電路和計(jì)數(shù)電路的調(diào)測(cè)</p><p>　　4.3 控制電路的調(diào)測(cè)</p><p>　　4.4

5、 整體指標(biāo)測(cè)試</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)小結(jié)</p><p>　　5.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況</p><p><b>　　5.2 問(wèn)題及改進(jìn)</b></p><p><b>　　5.3心得體會(huì)</b></p><p><b>　　附錄</b>&

6、lt;/p><p>　　第一章 技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　整體功能要求</b></p><p>　　頻率計(jì)主要用于測(cè)量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號(hào)的頻率值。其擴(kuò)展功能可以測(cè)量信號(hào)的周期和脈沖寬度。</p><p><b>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求</b></p><

7、;p>　　數(shù)字頻率計(jì)的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測(cè)信號(hào)為外部信號(hào)，送入測(cè)量電路進(jìn)行處理、測(cè)量，檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測(cè)試的項(xiàng)目------頻率、周期或脈寬，若測(cè)量頻率則進(jìn)一步選擇檔位。</p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)整體方案結(jié)構(gòu)方框圖</p><p><b>　　電氣指標(biāo)</b></p><p>　　3.1被測(cè)信號(hào)波形：正弦波、三角波和矩形波

8、。</p><p>　　3.2 測(cè)量頻率范圍：分三檔：</p><p><b>　　1Hz~999Hz</b></p><p>　　0.01kHz~9.99kHz</p><p>　　0.1kHz~99.9kHz</p><p>　　3.3 測(cè)量周期范圍：1ms~1s。</p>&l

9、t;p>　　3.4 測(cè)量脈寬范圍：1ms~1s。</p><p>　　測(cè)量精度：顯示3位有效數(shù)字（要求分析1Hz、1kHz和999kHz的測(cè)量誤差）。</p><p>　　3.6當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率超出測(cè)量范圍時(shí),報(bào)警.</p><p><b>　　4.擴(kuò)展指標(biāo)</b></p><p>　　要求測(cè)量頻率值時(shí)，1Hz~9

10、9.9kHz的精度均為+1。</p><p><b>　　5.設(shè)計(jì)條件</b></p><p>　　5.1 電源條件：+5V。</p><p>　　5.2 可供選擇的元器件范圍如下表</p><p>　　門(mén)電路、阻容件、發(fā)光二極管和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等原件自定。</p><p>　　第二章 整體方案設(shè)計(jì)&

11、lt;/p><p><b>　　2.1 算法設(shè)計(jì)</b></p><p>　　頻率是周期信號(hào)每秒鐘內(nèi)所含的周期數(shù)值?？筛鶕?jù)這一定義采用如圖2-1所示的算法。圖2-2是根據(jù)算法構(gòu)建的方框圖。</p><p><b>　　被測(cè)信號(hào)</b></p><p>　　圖2-2 頻率測(cè)量算法對(duì)應(yīng)的方框圖</p&

12、gt;<p>　　在測(cè)試電路中設(shè)置一個(gè)閘門(mén)產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生脈沖寬度為1s的閘門(mén)信號(hào)。改閘門(mén)信號(hào)控制閘門(mén)電路的導(dǎo)通與開(kāi)斷。讓被測(cè)信號(hào)送入閘門(mén)電路，當(dāng)1s閘門(mén)脈沖到來(lái)時(shí)閘門(mén)導(dǎo)通，被測(cè)信號(hào)通過(guò)閘門(mén)并到達(dá)后面的計(jì)數(shù)電路（計(jì)數(shù)電路用以計(jì)算被測(cè)輸入信號(hào)的周期數(shù)），當(dāng)1s閘門(mén)結(jié)束時(shí)，閘門(mén)再次關(guān)閉，此時(shí)計(jì)數(shù)器記錄的周期個(gè)數(shù)為1s內(nèi)被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，即為被測(cè)信號(hào)的頻率。測(cè)量頻率的誤差與閘門(mén)信號(hào)的精度直接相關(guān)，因此，為保證在1s內(nèi)被測(cè)信號(hào)

13、的周期量誤差在10³量級(jí)，則要求閘門(mén)信號(hào)的精度為10量級(jí)。例如，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為1kHz時(shí)，在1s的閘門(mén)脈沖期間計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)1000次，由于閘門(mén)脈沖精度為10，閘門(mén)信號(hào)的誤差不大于0.1s，固由此造成的計(jì)數(shù)誤差不會(huì)超過(guò)1，符合5*10³的誤差要求。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率增高時(shí)，在閘門(mén)脈沖精度不變的情況下，計(jì)數(shù)器誤差的絕對(duì)值會(huì)增大，但是相對(duì)誤差仍在5*10³范圍內(nèi)。</p><p>

14、;　　但是這一算法在被測(cè)信號(hào)頻率很低時(shí)便呈現(xiàn)出嚴(yán)重的缺點(diǎn)，例如，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0.5Hz時(shí)其周期是2s，這時(shí)閘門(mén)脈沖仍未1s顯然是不行的，故應(yīng)加寬閘門(mén)脈沖寬度。假設(shè)閘門(mén)脈沖寬度加至10s，則閘門(mén)導(dǎo)通期間可以計(jì)數(shù)5次，由于數(shù)值5是10s的計(jì)數(shù)結(jié)果，故在顯示之間必須將計(jì)數(shù)值除以10.</p><p>　　2.2 整體方框圖及原理</p><p><b>　　被測(cè)信號(hào)</b>

15、</p><p>　　圖2-5 測(cè) 量 脈 寬 的 原 理 框 圖</p><p>　　輸入電路：由于輸入的信號(hào)可以是正弦波，三角波。而后面的閘門(mén)或計(jì)數(shù)電路要求被測(cè)信號(hào)為矩形波，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測(cè)量的時(shí)候，首先通過(guò)整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱的情況。所以在通過(guò)整形之前通過(guò)放大衰減處理。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較大時(shí)，通過(guò)輸入衰減電路將電壓

16、幅度降低。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較小時(shí)，前級(jí)輸入衰減為零時(shí)若不能驅(qū)動(dòng)后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時(shí)被測(cè)信號(hào)得以放大。</p><p>　　頻率測(cè)量：測(cè)量頻率的原理框圖如圖2-3.測(cè)量頻率共有3個(gè)檔位。被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)（矩形波或者方波），送入閘門(mén)電路，等待時(shí)基信號(hào)的到來(lái)。時(shí)基信號(hào)有CD4093構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)，作為閘門(mén)開(kāi)通的基準(zhǔn)時(shí)間。被測(cè)信號(hào)通過(guò)閘門(mén)

17、，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器即開(kāi)始記錄時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，這樣就達(dá)到了測(cè)量頻率的目的。</p><p>　　周期測(cè)量：測(cè)量周期的原理框圖2-4.測(cè)量周期的方法與測(cè)量頻率的方法相反，即將被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形、二分頻電路后轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)。方波信號(hào)中的脈沖寬度恰好為被測(cè)信號(hào)的1個(gè)周期。將方波的脈寬作為閘門(mén)導(dǎo)通的時(shí)間，在閘門(mén)導(dǎo)通的時(shí)間里，計(jì)數(shù)器記錄標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)通過(guò)閘門(mén)的重復(fù)周期個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器累計(jì)的結(jié)果可以換算出被測(cè)信號(hào)的周期。用時(shí)間T

18、x來(lái)表示：Tx=NTs式中：Tx為被測(cè)信號(hào)的周期；N為計(jì)數(shù)器脈沖計(jì)數(shù)值；Ts為時(shí)基信號(hào)周期。</p><p>　　脈寬測(cè)量：測(cè)量周期的原理框圖2-5.測(cè)量脈寬的方法與測(cè)量頻率的方法相反，即被測(cè)方波信號(hào)中的脈沖寬度恰好為被測(cè)信號(hào)的1個(gè)周期。將方波的脈寬作為閘門(mén)導(dǎo)通的時(shí)間，在閘門(mén)導(dǎo)通的時(shí)間里，計(jì)數(shù)器記錄標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)通過(guò)閘門(mén)的重復(fù)周期個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器累計(jì)的結(jié)果可以換算出被測(cè)信號(hào)的周期。用時(shí)間T來(lái)表示：T=NTs式中：T為被

19、測(cè)信號(hào)的脈寬；N為計(jì)數(shù)器脈沖計(jì)數(shù)值；Ts為時(shí)基信號(hào)周期。</p><p>　　時(shí)基電路：時(shí)基信號(hào)由CD4093、RC組容件構(gòu)成多諧振蕩器，其兩個(gè)暫態(tài)時(shí)間分別為： T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC</p><p>　　重復(fù)周期為 T=T1+T2 。由于被測(cè)信號(hào)范圍為1Hz~1MHz，如果只采用一種閘門(mén)脈沖信號(hào)，則只能是10s脈沖寬度的閘門(mén)信號(hào)，若被測(cè)信

20、號(hào)為較高頻率，計(jì)數(shù)電路的位數(shù)要很多，而且測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)不便，所以可將頻率范圍設(shè)為幾檔： 1Hz~999Hz檔采用1s閘門(mén)脈寬；0.01kHz~9.99kHz檔采用0.1s閘門(mén)脈寬；0.1kHz~99.9kHz檔采用0.01s閘門(mén)脈寬。多諧振蕩器經(jīng)二級(jí)10分頻電路后，可提取因檔位變化所需的閘門(mén)時(shí)間1ms、0.1ms。閘門(mén)時(shí)間要求非常準(zhǔn)確，它直接影響到測(cè)量精度，在要求高精度、高穩(wěn)定度的場(chǎng)合，通常用晶體振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)

21、中我們采用的就是前一種方案。在電路中引進(jìn)電位器來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器產(chǎn)生的頻率,使得能夠產(chǎn)生10kHz的信號(hào)，再經(jīng)CD4518J進(jìn)行分頻分別得到1KHz,100Hz,10HZ和1Hz的信號(hào)。這對(duì)后面的測(cè)量精度起到?jīng)Q定性的作用。</p><p>　　計(jì)數(shù)顯示電路：在閘門(mén)電路導(dǎo)通的情況下，開(kāi)始計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)中有多少個(gè)上升沿。在計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，此時(shí)要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字并鎖存。</p>

22、<p>　　控制電路：控制電路里面要產(chǎn)生計(jì)數(shù)清零信號(hào)和鎖存控制信號(hào)，利用CD4017脈沖分配器產(chǎn)生的,的脈沖信號(hào)分別作為清零信號(hào)和鎖存信號(hào)。設(shè)此時(shí)的門(mén)閘時(shí)間是T,則在第一個(gè)T時(shí)間里對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，第二個(gè)T時(shí)間里是計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)的時(shí)間，第三個(gè)T時(shí)間里允許顯示電路輸出并顯示數(shù)值（只有在第三個(gè)T時(shí)間里CD4511可以輸出，其余時(shí)間均鎖存）。</p><p>　　閘門(mén)電路：利用CD4017的，被測(cè)信號(hào)或被

23、測(cè)信號(hào)的二分頻信號(hào)作為閘門(mén)，設(shè)閘門(mén)的時(shí)間是T，則截取并選通一段T時(shí)間的計(jì)數(shù)的脈沖，進(jìn)入計(jì)數(shù)電路。 </p><p>　　開(kāi)關(guān)和小數(shù)點(diǎn)控制電路：用一片74153的兩個(gè)輸出分別控制兩個(gè)小數(shù)點(diǎn)，根據(jù)檔位的不同也就是開(kāi)關(guān)的狀態(tài)的不同來(lái)控制小數(shù)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)要用三個(gè)，分別編號(hào)A,B,C,其中C是高位。</p><p>　　第三章 單元電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 電路基本原

24、理</p><p>　　頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱(chēng)閘門(mén)時(shí)間為1秒。閘門(mén)時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)則沒(méi)測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門(mén)時(shí)間越短，測(cè)的頻率值刷新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響。數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，被測(cè)信號(hào)可以是正弦波，方波或其它

25、周期性變化的信號(hào)。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎梢詫?duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試，比如機(jī)械振動(dòng)的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等，由組成框圖可見(jiàn)數(shù)字頻率計(jì)主要由放大整形電路、閘門(mén)電路、計(jì)數(shù)器電路、鎖存器、時(shí)基電路、邏輯控制、譯碼顯示電路幾部分組成，被測(cè)信號(hào)Vx經(jīng)放大整形電路變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)Ⅰ，其頻率與被測(cè)信號(hào)的頻率fx相同。時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)Ⅱ，具有固定寬度T的方波時(shí)基信號(hào)II作為閘門(mén)的一個(gè)輸入端，控制閘門(mén)的開(kāi)放時(shí)間，被測(cè)信號(hào)

26、I從閘門(mén)另一端輸入，被測(cè)信號(hào)頻率為fx,閘門(mén)寬度T，若在閘門(mén)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則被測(cè)信號(hào)頻率fx=N/THz?？梢?jiàn)，閘門(mén)時(shí)間T決定量程,通過(guò)閘門(mén)時(shí)基選擇開(kāi)</p><p>　　3.2 時(shí)基電路設(shè)計(jì)</p><p>　　時(shí)基電路它由兩部分組成:</p><p>　　圖3-1 振蕩電路原理圖</p><p>　　圖 3-2

27、 分頻電路原理圖</p><p>　　如圖3-1所示，第一部分為CD4093，10K的電位器和30000pF的電容（實(shí)際電路中使用三個(gè)103的電容并聯(lián)）組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生10KHz的脈沖.通過(guò)10K的電位器調(diào)節(jié)使得振蕩電路能夠產(chǎn)生非常接近10KHz的頻率的脈沖。第二部分為分頻電路,主要由4518組成（4518的管腳圖，功能表及波形圖詳見(jiàn)附錄），因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的是10KHz的脈沖,也就是其周

28、期是0.1ms,而時(shí)基信號(hào)要求為0.01s、0.1s和1s。4518為雙BCD加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成，計(jì)數(shù)器級(jí)為D型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在時(shí)鐘上升沿或下降沿加計(jì)數(shù)，在單個(gè)運(yùn)算中，EN輸入保持高電平，且在CP上升沿進(jìn)位，CR線為高電平時(shí)清零。計(jì)數(shù)器在脈動(dòng)模式可級(jí)聯(lián)，通過(guò)將 連接至下一計(jì)數(shù)器的EN輸入端可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，同時(shí)后者的CP輸入保持低電平。如圖3-2所示，利用兩片CD4518級(jí)聯(lián)進(jìn)行分頻，可分別得

29、到要求的頻率為1Hz,10Hz,100Hz(測(cè)量頻率)和周期為1ms的信號(hào)。</p><p>　　圖3-3 分頻后的波形圖</p><p>　　3.3 閘門(mén)電路和控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖3-4所示，通過(guò)第一片74151數(shù)據(jù)選擇器來(lái)選擇所要的100分頻、1000分頻和10000分頻信號(hào)。74151的CBA接撥盤(pán)開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)檔位進(jìn)行控制。當(dāng)CBA輸入001

30、時(shí)74151輸出的方波的頻率是1Hz；當(dāng)CBA輸入010時(shí)74151輸出的方波的頻率是10Hz；當(dāng)CBA輸入011時(shí)74151輸出的方波的頻率是100Hz。當(dāng)CBA輸入為100-111時(shí)均輸出被測(cè)信號(hào)；這里我們以輸出100Hz的信號(hào)為例。分析其通過(guò)4017后出現(xiàn)的波形圖（4017的管腳圖、功能表和波形圖詳見(jiàn)附錄）。4017是5位計(jì)數(shù)器，具有10個(gè)譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端，時(shí)鐘輸入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對(duì)輸入時(shí)鐘脈

31、沖上升和下降時(shí)間無(wú)限制，INH為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。100Hz的方波作為4017的CP端，如圖3-4，信號(hào)通過(guò)4017后，從Q1輸出的信號(hào)高電平的脈寬剛好為100Hz信號(hào)的一個(gè)周期(10ms)，原信號(hào)經(jīng)過(guò)4017后輸出的信號(hào)脈寬是原信號(hào)的兩倍，頻率是原信號(hào)的0.1倍。也就是4017的輸出信號(hào)高電平持續(xù)的時(shí)間為10ms，那么這個(gè)信號(hào)可以用來(lái)導(dǎo)通閘門(mén)和關(guān)閉閘門(mén)。圖3-5，是4017的輸入輸出</p><p>　　圖

32、3-4 閘門(mén)電路和控制電路原理圖</p><p>　　圖3-5 4017的輸入和輸出波形圖</p><p>　　通過(guò)分析我們知道控制電路這部分是本實(shí)驗(yàn)的最為關(guān)鍵，且較為復(fù)雜和容易出錯(cuò)的模塊。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)選擇所要測(cè)量的檔位：頻率，周期，脈寬。同時(shí)控制電路還要產(chǎn)生符合時(shí)間順序的4029的清零信號(hào)和4511的鎖存信號(hào)，以及有效的計(jì)數(shù)脈寬。</p><p&

33、gt;　　當(dāng)CBA的狀態(tài)為001、010、011的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)頻率的功能。當(dāng)CBA的狀態(tài)為100、110的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)周期的功能。當(dāng)CBA的狀態(tài)為101、111的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)脈寬的功能。圖3-6分別是測(cè)試被測(cè)信號(hào)頻率時(shí)，4029的PE端輸入波形（清零信號(hào)）、4029的CP端信號(hào)波形（計(jì)數(shù)脈沖）、4511鎖存端波形圖(鎖存信號(hào))和被測(cè)信號(hào)波形圖。在時(shí)間順序上先對(duì)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行清零，以保證數(shù)值的正確；然

34、后允許計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)電路，對(duì)上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)；最后，允許4511輸出數(shù)據(jù)到顯示電路進(jìn)行顯示。控制電路在實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期和脈寬的測(cè)量時(shí)，原理是一樣的，只是將測(cè)評(píng)率是的被測(cè)信號(hào)換為周期為1ms或0.1ms的時(shí)基信號(hào)，將原信號(hào)或原信號(hào)的二分頻作為門(mén)閘信號(hào)即可，波形的示意圖和測(cè)頻率的也是一樣。當(dāng)CBA處在不同的狀態(tài)，控制電路就會(huì)選擇不同的信號(hào)和閘門(mén)，以此實(shí)現(xiàn)測(cè)量頻率、周期和脈寬的功能。</p><p>　　圖3-6

35、 控制電路輸出的波信圖</p><p>　　3.4計(jì)數(shù)電路和顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示電路由三個(gè)七段共陰數(shù)碼管和三片4511（譯碼器）以及保護(hù)電阻（阻值為120歐姆）組成。LE為4511的鎖存控制端，當(dāng)LE輸入高電平時(shí)保持輸出不變，當(dāng)LE為低電平時(shí)允許數(shù)據(jù)輸出。這樣利用4511的鎖存功能，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的時(shí)候讓數(shù)碼管不顯示，計(jì)完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)器計(jì)到的數(shù)字的功能。根據(jù)圖3-

36、6可以看到，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖結(jié)束的時(shí)候，此時(shí)4511的LE端的輸入信號(hào)也剛好到達(dá)下降沿，允許數(shù)據(jù)輸出。 </p><p>　　圖3-7 顯示電路原理圖</p><p>　　圖3-8 計(jì)數(shù)電路原理圖</p><p>　　計(jì)數(shù)電路有三片4029（同步計(jì)數(shù)器）組成，并通過(guò)4029的進(jìn)位輸出端CO和進(jìn)位輸入端CI進(jìn)行級(jí)聯(lián)。三片4029 同步接入時(shí)鐘信號(hào)。低位

37、的4029 的進(jìn)位輸入端CI接地，進(jìn)位輸出端CO 接入下一片的進(jìn)位輸入端CI。通過(guò)控制端將三片4029設(shè)置為十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。PE為為4029 的置數(shù)控制端，將輸入信號(hào)ABCD全部接地，則置數(shù)也就是清零了。</p><p>　　3.5小數(shù)點(diǎn)控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在測(cè)量頻率的時(shí)候，由于分3個(gè)檔位，那么在不同的檔的時(shí)候，小數(shù)點(diǎn)也要跟著顯示。比如CBA接011測(cè)量頻率的時(shí)候，它所測(cè)信號(hào)

38、頻率的范圍是0.1KHz~99.9KHz，那么在顯示的時(shí)候三個(gè)數(shù)碼管的第二個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)要顯示。CBA接010測(cè)量頻率的時(shí)候，它所測(cè)號(hào)頻率的范圍是0.01KHz~9.99KHz，那么顯示的時(shí)候，最高位的數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)也要顯示。另外在冊(cè)量周期和脈寬時(shí)有0.1ms的檔位，也就數(shù)當(dāng)CBA接110和111時(shí)，第二個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)要顯示。我們可以想到可以通過(guò)74153（雙四選一數(shù)據(jù)選擇器)來(lái)實(shí)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)顯示的問(wèn)題。</p><

39、p>　　利用以前學(xué)習(xí)《數(shù)字電路基礎(chǔ)》課程中的降維知識(shí)，可以解得74153輸入端的數(shù)據(jù)。 卡諾圖如下：</p><p>　　最高位的小數(shù)點(diǎn) 第二位的小數(shù)點(diǎn) </p><p><b>　　降維后得</b></p><p>　　由以上分析可知：74153的輸入數(shù)據(jù)</p>

40、<p>　　具體的實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)圖3-9所示。</p><p>　　圖 3-9 小數(shù)點(diǎn)電路原理圖</p><p>　　3.6 超量程指示燈設(shè)計(jì)</p><p>　　當(dāng)測(cè)量超過(guò)量程時(shí)，只有在計(jì)數(shù)電路部分有體現(xiàn)。當(dāng)最高位的計(jì)數(shù)器長(zhǎng)生了進(jìn)位，就說(shuō)明此時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)量程。經(jīng)分析4029 計(jì)數(shù)器的工作原理可知：當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到九時(shí)，進(jìn)位信號(hào)輸出端CO輸出一個(gè)時(shí)鐘的

41、低電平，使得高位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸入端CI（當(dāng)CI 為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器保持，當(dāng)CI為低電平時(shí)，且有時(shí)鐘的上升沿到來(lái)則計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)）接入一個(gè)時(shí)鐘的低電平，即在下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)能夠計(jì)一次數(shù)。利用T’觸發(fā)器的原理：當(dāng)有時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)，輸出就跳變一次。由于可選器件中沒(méi)有觸發(fā)器，此處用4029的Q1代替。設(shè)計(jì)原理如圖3-10。</p><p>　　圖3-10 超量程指示燈原理圖</p><p>　　

42、由原理圖可知，此處的4029的清零信號(hào)和計(jì)數(shù)電路部分的清零信號(hào)接到一起，保證每次計(jì)數(shù)的開(kāi)始時(shí)，發(fā)光二極管都是滅的（Q1輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管滅；Q1輸出高電平時(shí)，發(fā)光二極管亮）。超量程時(shí)，最高位的進(jìn)位輸出端有可能輸出多個(gè)進(jìn)位脈沖信號(hào)（負(fù)脈沖），所以當(dāng)?shù)谝粋€(gè)進(jìn)位脈沖信號(hào)將發(fā)光二極管點(diǎn)亮后，通過(guò)與非門(mén)使得4029的CO端的進(jìn)位脈沖信號(hào)不能再次進(jìn)入4029的CP端進(jìn)行計(jì)數(shù)。</p><p>　　發(fā)光二極管經(jīng)120歐姆

43、的保護(hù)電阻接地。</p><p>　　3.7 整體電路原理圖</p><p>　　下圖是用 protues 軟件繪制的整體電路原理圖（仿真原理圖）。</p><p>　　3.8 整機(jī)原件清單</p><p>　　在實(shí)際電路中，常用7400的與非門(mén)代替7404的非門(mén)，以減少擺放芯片的數(shù)量。故在實(shí)際電路中沒(méi)有使用7404芯片。</p>

44、<p>　　第四章 測(cè)試與調(diào)整</p><p>　　4.1 時(shí)基電路的調(diào)測(cè)</p><p>　　對(duì)于由4093，電容和電位器組成的振蕩器，產(chǎn)生的10k脈沖信號(hào)不是很穩(wěn)定。但相對(duì)來(lái)說(shuō)，分頻電路的工作較穩(wěn)定。所以在調(diào)測(cè)時(shí)基電路時(shí)，調(diào)測(cè)時(shí)分別將振蕩電路的輸出和10分頻的信號(hào)接入雙宗示波器，并利用示波器測(cè)量頻率。通過(guò)調(diào)節(jié)10k的電位器，來(lái)調(diào)節(jié)輸出脈沖的頻率到10k左右，誤差在10

45、0Hz以?xún)?nèi)。再利用示波器，分別觀察100分頻、1000分頻和10000分頻信號(hào)。</p><p>　　4.2 顯示電路和計(jì)數(shù)電路的調(diào)測(cè)</p><p>　　顯示電路和計(jì)數(shù)電路是最先在面包板上組裝的。放在一起測(cè)式：先將4511的鎖存信號(hào)控制端LE接低電平，允許4511輸出數(shù)據(jù)到數(shù)碼管顯示；然后，從函數(shù)發(fā)生器輸出1Hz的時(shí)鐘信號(hào)（振幅5V），接入4029的CP端；再將4029的置數(shù)控制端接高電

46、平使得4029計(jì)數(shù)器清零，觀察數(shù)碼管是否顯示正常（顯示3個(gè)“0’）。若顯示不正常，先用萬(wàn)用表測(cè)量4029的數(shù)據(jù)輸出端是否全為零，是則顯示電路有問(wèn)題。一般，顯示電路不易出問(wèn)題，只要注意數(shù)碼管的管腳正確對(duì)應(yīng)。在確保顯示電路正確的前提下，將4029的置數(shù)端PT接低電平，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。觀察第一位數(shù)碼管從0-9是否顯示正常。同時(shí)還要注意第二片數(shù)碼管是否在第一個(gè)數(shù)碼管顯示0時(shí)，開(kāi)始進(jìn)位。</p><p>　　4.3 控制電

47、路的調(diào)測(cè)</p><p>　　先將時(shí)基電路和控制電路并接，再將計(jì)數(shù)脈沖接入示波器，通電后調(diào)換檔位觀察示波器是否能夠得到入圖3-6中的計(jì)數(shù)脈沖的波形。另外小數(shù)點(diǎn)電路的測(cè)試，也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)的不同檔位，觀察數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)顯示。</p><p>　　4.4 整體指標(biāo)測(cè)試</p><p><b>　　頻率測(cè)量：</b></p><p&

48、gt;　　檔位 被測(cè)信號(hào)頻率 測(cè)量值 檔位 被測(cè)信號(hào)頻率 測(cè)量值</p><p>　　000 不計(jì)數(shù) 001 666HZ 665</p><p>　　010 6.5KHz 6.49 011 78.6KHz

49、 78.5</p><p><b>　　周期測(cè)量：</b></p><p>　　100 20Hz（周期50ms） 049 110 200Hz(5ms) 05.1</p><p><b>　　脈寬測(cè)量：</b></p><p>　　101

50、20Hz(脈寬25ms) 025 111 200Hz(2.5ms) 02.5</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)小結(jié)</p><p>　　5.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況</p><p>　　通過(guò)為期兩周的課程設(shè)計(jì)，完成了本次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，并且擴(kuò)展的增加了測(cè)量周期和脈寬的0.1ms-99.9ms的范圍。剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候，控制電路這

51、部分的設(shè)計(jì)有錯(cuò)誤，在經(jīng)過(guò)老師的指導(dǎo)，才完善了控制電路的設(shè)計(jì)。振蕩電路最初使用555設(shè)計(jì)的，后因沒(méi)有555芯片，而改用4093完成。</p><p><b>　　5.2 問(wèn)題及改進(jìn)</b></p><p>　　由4093構(gòu)成多諧振蕩器輸出的脈沖信號(hào)，由于電路里面使用的電容元件，在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，隨著實(shí)驗(yàn)室里面溫度的變化，輸出信號(hào)的頻率也會(huì)發(fā)生變化，這是造成誤差的一個(gè)原因，為

52、了在驗(yàn)收的時(shí)候提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以在測(cè)量前要調(diào)節(jié)電位器，把產(chǎn)生的脈沖信號(hào)接示波器，測(cè)量其輸出頻率，調(diào)節(jié)電位器，使輸出的信號(hào)非常接近10KHz，這樣的話(huà)在后面的測(cè)量中會(huì)減小誤差。在調(diào)測(cè)計(jì)數(shù)顯示電路的時(shí)候，在連接4511元件的時(shí)候忘記了將4511的5端接地，導(dǎo)致數(shù)碼管無(wú)法計(jì)數(shù)，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒(méi)反應(yīng)，然后通過(guò)示波器一個(gè)一個(gè)檢測(cè)元件的輸入和輸出信號(hào)，看看是不是和理論的一樣。找出不符合理論的那部分，對(duì)照電路圖進(jìn)行檢查修改，

53、最后發(fā)現(xiàn)有的芯片的使能端沒(méi)有接地，導(dǎo)致元件的功能沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。所以在連接電路的時(shí)候要細(xì)心，這也是要改進(jìn)的地方。不然的話(huà)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)又一個(gè)的連接上面的問(wèn)題。在最終測(cè)量頻率很低的時(shí)候，那么本次電路測(cè)量頻率的算法就有了一定的缺點(diǎn)。例如，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0.5Hz時(shí)，其周期為2s，這時(shí)閘門(mén)的脈沖仍為1s顯然是不行的。故應(yīng)該加寬閘門(mén)脈沖的寬度假設(shè)閘門(mén)脈沖寬度加至10S，則閘門(mén)導(dǎo)通期間可計(jì)數(shù)5次，由于計(jì)數(shù)值5是10</p><p>

54、<b>　　5.3心得體會(huì)</b></p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)讓我經(jīng)歷設(shè)計(jì)電路、連接電路、調(diào)測(cè)電路的整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程。對(duì)我們今后的學(xué)習(xí)和工作都是有幫組的。電路設(shè)計(jì)是我們將來(lái)必需的技能，這次課程設(shè)計(jì)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，從到圖書(shū)館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)，對(duì)電路的調(diào)試，再到最后面包板的連接，都對(duì)我所學(xué)的知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)行了檢驗(yàn)。在實(shí)習(xí)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了以前學(xué)的數(shù)字電路的知識(shí)

55、掌握的不牢。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了一些以前沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)的元件，但是通過(guò)查找資料來(lái)學(xué)習(xí)這些元件的功能和使用。制作過(guò)程是一個(gè)考驗(yàn)人耐心的過(guò)程，不能有絲毫的急躁和馬虎，往往有接錯(cuò)導(dǎo)線的現(xiàn)象發(fā)生。這是電路連接完成后得主要對(duì)電路的調(diào)試要一步一步來(lái)，不能急躁。而且在課程設(shè)計(jì)的兩周時(shí)間里，需要我們要靈活安排時(shí)間。因?yàn)檫B接電路需要花大量的時(shí)間，在面包板上連線時(shí)不產(chǎn)生跳線，是需要提前做好芯片的擺放和布局。</p><p><

56、;b>　　附錄</b></p><p>　　CD4093 四雙輸入與非門(mén)</p><p>　　Cd4093由四個(gè)2輸入端施密特觸發(fā)器電路組成。每個(gè)電路均為在兩輸入端具有斯密特觸發(fā)功能的2輸入與非門(mén)。每個(gè)門(mén)在信號(hào)的上升和下降沿的不同點(diǎn)開(kāi)、關(guān)。上升電壓(V P)T和下降電壓(V N)之差定義為滯后電壓(△V T)。</p><p>　　CD4

57、017：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器 　　</p><p>　　CD4017 是5 位Johnson 計(jì)數(shù)器，具有10 個(gè)譯碼輸出端，CP、CR、INH 輸入端。時(shí)鐘輸 入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無(wú)限制。INH 為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)；反之，計(jì)數(shù)功能無(wú)效。CR 為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。</p><p>　　CD4511 七段碼譯碼器</p

58、><p>　　CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：</p><p>　　具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。</p><p><b>　　其功能介紹如下：</b></p><p>　　BI：4

59、腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。  LT：3腳是測(cè)試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來(lái)檢測(cè)數(shù)碼管是否損壞。   LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。 

60、0;A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。   a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。</p><p>　　CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。</p><p>　　數(shù)碼管 1------a 2---------b 4--------c 5-------DP</p>&

61、lt;p>　　6-------d 7--------e 9-------f 10-------g</p><p>　　3、8---------- 公共端</p><p>　　CD4029------4位二進(jìn)制/十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　簡(jiǎn)要說(shuō)明：</b></p><p>　　CD4

62、029 是由具有預(yù)進(jìn)位功能的4 位二進(jìn)制或BCD 碼十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器構(gòu)成。</p><p>　　LD 為高電平時(shí)，D0～D3 預(yù)置計(jì)數(shù)器為任何狀態(tài)，為低電平時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)CI和LD 均為低電平時(shí)，在時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。CO一般為高電平，只有在加至最大或減至最小時(shí)，為低電平。計(jì)數(shù)器閑置時(shí)，CI 端需與Vss 相連，當(dāng)B/ D為高電平時(shí)，以二進(jìn)制計(jì)數(shù)；反之，為十進(jìn)制。U/ D為高電平時(shí)，為加計(jì)數(shù)器；反之，為減