數(shù)字頻率計課程設(shè)計報告

1、<p>　　數(shù)電課程設(shè)計實驗報告</p><p>　　學院： 機械與電子工程學院 </p><p>　　班級： </p><p>　　姓名： </p><p>　　學號： </p><p><

2、;b>　　指導老師：</b></p><p>　　2016．11.18</p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p><b>　　一、設(shè)計題目</b></p><p><b>　　數(shù)字頻率計設(shè)計</b></p><p&g

3、t;<b>　　二、設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T內(nèi)的周期個數(shù)為N時，則被測信號的頻率f=N/T。</p><p>　　用中小規(guī)模數(shù)字集成電路和半導體顯示器件實現(xiàn)以下技術(shù)指標：</p><p>　　頻率測量范圍：10～9

4、999Hz</p><p>　　輸入電壓幅度：300mV～3V</p><p>　　輸入信號波形：任意周期信號</p><p>　　顯示位數(shù)： 4位</p><p>　　電源： 220V50Hz</p><p><b>　　三、設(shè)計要求</b></p><p

5、>　　1. 系統(tǒng)工作原理說明；</p><p>　　2. 畫出系統(tǒng)電路原理圖；</p><p>　　3. 對所設(shè)計的電路全部或部分進行仿真，使之達到設(shè)計任務(wù)要求；</p><p>　　4. 寫出設(shè)計說明書。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　0綜

6、述2</b></p><p><b>　　1 方案論證4</b></p><p>　　2 原理及技術(shù)指標5</p><p>　　3 單元電路設(shè)計及參數(shù)計算7</p><p><b>　　3.1時基電路7</b></p><p>　　3.2邏輯控制電路8

7、</p><p><b>　　3.3計數(shù)器9</b></p><p><b>　　3.4鎖存器11</b></p><p>　　3.5譯碼電路12 </p><p>　　3.6設(shè)計總圖13</p><p><b>　　4設(shè)計小結(jié)13&

8、lt;/b></p><p>　　4.1 設(shè)計任務(wù)完成情況13</p><p>　　4.2 問題及改進14</p><p>　　4.3 心得體會14</p><p>　　摘要 </p><p>　　數(shù)字頻率計是一種用十進制數(shù)字，顯示被測信號頻率的

9、數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計。</p><p>　　頻率測量中直接測量的數(shù)字頻率計主要由四個部分構(gòu)成：時基（T）電路、輸入電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成方波信號，加

10、到與非門的另一個輸入端上.該與非門起到主閥門的作用,在與非門第二個人輸入端上加閥門控制信號,控制信號為低電平時閥門關(guān)閉,無信號進入計數(shù)器;控制信號為高電頻時,閥門開啟整形后的信號進入計數(shù)器,若閥門控制信號取1s,則在閥門時間1s內(nèi)計數(shù)器得到的脈沖數(shù)N就是被測信號的頻率</p><p><b>　　1 方案論證</b></p><p>　　數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期

11、信號的頻率。頻率是單位時間（ 1S ）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。信號的頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其表達式為f=N/T，其中f為被測信

12、號的頻率，N為計數(shù)器所累計的脈沖個數(shù)，T為產(chǎn)生N個脈沖所需的時間。計數(shù)器所記錄的結(jié)果，就是被測信號的頻率。如在1s內(nèi)記錄1000個脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。</p><p><b>　　2 原理及技術(shù)指標</b></p><p>　　交流電信號或脈沖信號的頻率是指單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電振動的次數(shù)或脈沖個數(shù)。用數(shù)學模型可表示為：f=式中f為頻率。N為電振動次數(shù)或

13、脈沖數(shù)。T為產(chǎn)生N次電振動或脈沖所需要的時間。</p><p>　　第一步把各種被測信號通過放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字信號實現(xiàn)頻率測量的另一必備環(huán)節(jié)是時基電路。時基電路就是產(chǎn)生時間標準信號的電路裝置。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準時間信號發(fā)生器。一般計數(shù)器則采用十位計數(shù)器，N進制的計數(shù)器也就是N分頻器，其N進位信號也可作為N分頻信號。</p><p&g

14、t;　　如圖2.1所示為數(shù)字頻率計系統(tǒng)原理總框圖，被測量信號經(jīng)過放大與整形電路傳入十進制計數(shù)器，變成矩形波信號，此時數(shù)字頻率計與被測信號的頻率相同，時基電路提供標準時間基準信號，此時利用所獲得的基準信號來觸發(fā)控制電路，進而得到一定寬度的閘門信號，計數(shù)時1S內(nèi)，閘門開通，被測量的脈沖信號通過閘門，其計數(shù)器開始計數(shù)，當1s至1.25S閘門關(guān)閉，停止計數(shù),所得的數(shù)字N就是其頻率.</p><p>　　圖2.1數(shù)字頻率計

15、系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　邏輯控制電路的一個重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時基信號輸入，使計數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時間，以便觀測和讀取數(shù)據(jù)。簡而言之，控制電路就是通過循環(huán)打開主控門計數(shù)，關(guān)上主控門顯示，然后清零，這個過程來完成頻率的計數(shù)?？刂齐娐啡鐖D2.1.b所示.</p><p>　　圖2.2 邏輯控制電路</p><p><b>　

16、　3 單元電路設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1時基電路</b></p><p>　　用于獲得穩(wěn)定的時間基準信號，以此來控制主控門的開啟時間，電路見 如下

17、 </p><p><b>　　圖3.1 時基電路</b></p><p>　　本設(shè)計中采取用555定時器組成的多諧振蕩器如圖3.1所示。接通電源后，

18、電容被充電，當上升到時，使為低電平，同時放電三極管T導通，此時電容C通過和T放電，下降。當下降到時，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為當放電結(jié)束時，T截止，將通過、向電容C充電，由上升到所需的時間為當上升到時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復始，于是在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為</p><p><b>　　3.2邏輯控制電路</b></p><p

19、>　　控制電路需要控制幾個模塊。包括計數(shù)電路，鎖存電路，和譯碼顯示電路。通過產(chǎn)生控制信號控制所要控制的模塊，同時會產(chǎn)生清零信號和鎖存信號，使顯示器顯示的測量結(jié)果穩(wěn)定.輯控制電路的作用主要是控制主控門的開啟和關(guān)閉，同時也控制整機邏輯關(guān)系。</p><p>　　本次設(shè)計采用74LS123N組成邏輯控制電路，先啟動脈沖置成1，其余觸發(fā)器置成0，此時時基電路傳入脈沖，控制電路開始工作。被測信號通過閘門進入計數(shù)電路，

20、于是計數(shù)器譯碼器開始計數(shù)，記下所測信號頻率值。</p><p>　　當控制電路轉(zhuǎn)為其他狀態(tài)時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止工作，數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測頻率值。直到有一次循環(huán)，計數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失，到此為止，頻率計完成一次測量。</p><p>　　脈沖信號可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123N產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。由74LS123N的功能得出，當1、觸發(fā)脈沖從1A端輸入時，在觸

21、發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出端可獲得一負脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖2.2所示的波形Ⅳ和Ⅴ的要求，手動復位開關(guān)S按下時，計數(shù)器清零。邏輯控制電路如圖3.2所示：</p><p>　　邏輯控制電路圖3.2</p><p><b>　　3.3計數(shù)器</b></p><p>　　為了提高計數(shù)速度，可采用同步計數(shù)器。采用4個74LS90D二-五-十進制計數(shù)

22、器，該芯片無需額外的元器件就可實現(xiàn)十進制計數(shù)，所以首選。計數(shù)器依次從個位開始計數(shù)，向上為發(fā)出進位信號而是高位開始計數(shù)。其特點是計數(shù)脈沖作為時鐘信號同時接于各位觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端，在每次時鐘脈沖沿到來之前，根據(jù)當前計數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準備好適當?shù)臈l件。當計數(shù)脈沖沿到來時，所有應翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時翻轉(zhuǎn)，同時也使用所有應保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。</p><p>　　被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或

23、者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由石英晶體多諧振蕩器電路產(chǎn)生，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標準的時基信號，作為閘門開通的基準時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，被測信號由閘門開通送入計數(shù)器，記錄所測信號頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測得頻率值；待閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止工作；電路則繼續(xù)工作進行下次循環(huán)，計數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，頻率計完成一次測量。</p><p

24、><b>　　3.4鎖存器</b></p><p>　　鎖存器是構(gòu)成各種時序電路的存儲單元電路，其具有0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持，鎖存器是一種脈沖電平敏感的存儲單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。在確定的時間內(nèi)（1s）,計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值.鎖存器的作用通過觸發(fā)脈沖控制.將測得的數(shù)據(jù)寄存起來,送顯示譯碼器.鎖存器可以采用

25、8位并行輸入寄存器.為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定,采用邊沿觸發(fā)方式的器件.</p><p>　　在確定的時間內(nèi)計數(shù)器的技術(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測量的數(shù)據(jù)寄存起來，送入譯碼顯示器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器。</p><p>　　此電路采用74LS273N鎖存器，其作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時鎖記得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的

26、值。當1s計數(shù)結(jié)束時，通過邏輯電路產(chǎn)生信號送入鎖存器，將此時計數(shù)的值送入譯碼顯示器。</p><p>　　選用兩個8位鎖存器74LS273N可以完成上計數(shù)功能。當時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端正脈沖結(jié)束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)的Q不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。</p><p&g

27、t;<b>　　鎖存器芯片</b></p><p><b>　　3.5譯碼電路</b></p><p>　　在閘門電路導通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字。采用七段共陽數(shù)碼管顯示,譯碼顯示器的作用是把計數(shù)器產(chǎn)生的十進制數(shù)轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號,從

28、而獲得數(shù)字顯示圖3.5</p><p>　　3.5數(shù)碼管顯示及其控制電路</p><p><b>　　3.6設(shè)計總圖</b></p><p><b>　　4設(shè)計小結(jié)</b></p><p>　　4.1 設(shè)計任務(wù)完成情況</p><p>　　通過為期一周的課程設(shè)計，我對于數(shù)字頻

29、率計的組成與功用有了了解與掌握，并且對于數(shù)字頻率計的個部分電路有了各設(shè)計的方案進行了論證與設(shè)計。在設(shè)計頻率計的電路過程中對于邏輯控制電路有了更深一步的認識，了解并掌握了芯片74LS123N的功能與連接，并且對于譯碼顯示器、計數(shù)器與鎖存器的工作有了認識與了解。</p><p><b>　　4.2 問題及改進</b></p><p>　　連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒反應，然后通

30、過對照電路圖進行檢查修改，用萬用表測所有元器件接口電壓，一步一步改進。當閘門導通時，時基信號通過閘門到達計數(shù)電路計數(shù)。由于閘門導通時間與被測信號周期相同，則可根據(jù)計數(shù)器計數(shù)值和時基信號的周期算出被測信號的周期T。T=1S*計數(shù)器計數(shù)值,所測頻率可直接表示為所測信號頻率.</p><p><b>　　4.3 心得體會</b></p><p>　　因為是第一次做課程設(shè)計，

31、在拿到題目時，很茫然不知如何下手。后來通過廣泛查閱相關(guān)資料還有和同組同學的討論，總算找到了方向。</p><p>　　課程設(shè)計實踐不單是將所學的知識應用于實際，在設(shè)計的過程中，只擁有理論知識是不夠的。邏輯思維、電路設(shè)計的步驟和方法、考慮問題的思路和角度等也是很重要，需要我們著重鍛煉的能力。</p><p>　　通過設(shè)計也達到了設(shè)計目的，了解掌握了數(shù)字電子技術(shù)的知識并應用于實踐。培養(yǎng)了自己獨