數電課程設計--數字頻率計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題 目：數字頻率計</p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　具備電子電路的基礎知識和設計能力；具備查閱資料的基本方法；熟悉常用的電子器件；熟悉電子設計常用軟件的使用；</p><p>　　要求

2、完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　1、設計頻率檢測電路；</p><p>　　2、測量信號與TTL電平兼容，頻率范圍：0HZ～100KHZ；</p><p>　　3、數碼管顯示頻率；</p><p>　　4、掌握數字電路的設計及調試方法；</p><p>

3、　　5、撰寫符合學校要求的課程設計說明書。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　時間一周，其中2天原理設計，3天電路調試</p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名：

4、 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　1. 數字頻率計的設計總體方案2</p><p>　　1.1數字頻率計的簡介2</p><p>　　1.2電路方案設計3</p&

5、gt;<p>　　2. 電路模塊設計4</p><p><b>　　2.1計數電路4</b></p><p>　　2.4時基控制電路6</p><p>　　3. 系統(tǒng)總體電路圖7</p><p>　　3.1計數部分電路7</p><p>　　3.2閘門邏輯控制電路8<

6、;/p><p>　　4. 軟件仿真圖9</p><p>　　5. 實物調試10</p><p>　　5.1實物制作10</p><p>　　5.3誤差分析11</p><p>　　5.4元件清單12</p><p>　　6 心得體會13</p><p><

7、b>　　參考文獻14</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文介紹了一種測量僅與TTL電平兼容的信號的數字頻率計，其頻率的測量范圍為0HZ到100KHZ，此次設計頻率計思路主要是利用計數原理，通過一定的時基控制電路能在1秒鐘以內讓計數器工作于計數狀態(tài)，最后在1秒鐘內將計數值進行鎖存﹑輸出﹑顯示，即可得到待測信號頻率

8、 ，涉及到的集成芯片主要有十進制計數芯片74LS90﹑邊沿控制鎖存器74LS273﹑用于數碼管顯示的譯碼器CD4511﹑以及時基芯片555和雙可重復單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123,共同完成了數字頻率計的設計。</p><p>　　關鍵詞：TTL電平兼容信號，計數，頻率計</p><p>　　數字頻率計的設計總體方案</p><p>　　1.1數字頻率計的簡介</p

9、><p>　　(1) 數字頻率計概述</p><p>　　數字頻率計主要是采用數字電路制做成的能實現對周期性變化信號頻率測量的儀器。頻率計主要用于測量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號的頻率值。其擴展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。通常說的，數字頻率計是指電子計數式頻率計。 </p><p><b>　　頻率計測量方法</b></p&

10、gt;<p>　　頻率計的測量方法很多，因其工作原理的不同導致有很多的測量方法。比如有比較法、無源測量法﹑示波器法和計數法 ，最常用的的是計數法，計數器法測量電路簡單﹑可靠，而且頻率的測量精度還較高，便于直接進行數字化的顯示。計數法測量頻率又分為直接測頻法和間接測頻法。</p><p><b>　　頻率計組成結構</b></p><p>　　一般以計數原

11、理來制作的頻率計是由時基控制電路，放大整形電路，計數電路以及顯示電路等部分組成，頻率計的組成框圖如下：</p><p><b>　　|</b></p><p>　　圖1-1頻率計系統(tǒng)組成圖</p><p><b>　　1.2電路方案設計</b></p><p>　　方案一：通過單片機軟件實現，利用單

12、片機內部所集成的定時器，在編程基礎定時周期1秒，然后設置I/O端口為計數模式，并且設置中斷時間為1秒，然后直接用單片機I/O端口驅動數碼管進行顯示，計數值即為所測頻率。具體流程如下：</p><p>　　圖1-2軟件實現流程圖</p><p>　　方案二：通過直接計數法測頻率，利用計數芯片和時基控制電路實現對脈沖進行計數，在1秒內對脈沖進行計數，其1秒內計數值通過鎖存器進行鎖存后輸出，然后

13、通過顯示電路顯示計數值，其計數值則為測量頻率。其方案設計流程圖如下所示：</p><p>　　圖1-3數字芯片實現測量頻率流程圖</p><p>　　方案比較論證： 方案一主要是依靠軟件編程實現，對于設計一個數字頻率計還是電路相對簡單，成本也較低，也便于容易實現。方案二是依靠數字集成芯片，原理比較清析，但是用到的集成芯片較多，外圍線路很多，但是對于熟練掌握數字電路芯片是個很好鍛煉機會，另外

14、本次是完成數電的課程設計。綜合考慮下，最終還是選擇方案二。</p><p><b>　　電路模塊設計</b></p><p><b>　　2.1計數電路</b></p><p>　　計數部分電路用的是二—五十進制的計數器74LS90,通過CLK0下降沿觸發(fā)后開始計數，CLK0與Q0構成二進制計數器，CLK1與Q2﹑Q3﹑Q

15、4構成五進制計數器，MR1與MR2同時高電平則輸出清零，MS1與MS2同時為高則置9，Q0與CLK1相連構成十進制。此次設計中用到6個74LS90進行級聯計數，構成6位數的計數是利用Q3的下降沿來觸發(fā)高位計數，即將Q3接到下一級芯片的CLK0，則可以完成高位的計數。</p><p>　　圖2-1基于74LS09計數電路</p><p>　　2.2數據鎖存輸出以及顯示電路</p>

16、<p>　　數據的鎖存用到的是上升沿觸發(fā)的74LS273的八位數據鎖存器，只有在有上升沿才將數據鎖存輸出，CD4511是常用的共陰極數碼管譯碼器，其具體連接電路如下：</p><p>　　圖2-2數據鎖存器輸出顯示電路</p><p><b>　　2.3門閘電路</b></p><p>　　門閘邏輯電路主要用雙可重復單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7

17、4LS123來完成1秒后數據鎖</p><p>　　圖2-3門閘邏輯控制電路</p><p>　　存輸出，緊接著將計數器清零，避免下次脈沖到來時又再此基礎上重新計數，導</p><p>　　致頻率測量發(fā)生錯誤。74LS123觸發(fā)器在B端電位置為高電平時，在A端出現下降沿時，在輸出Q端就會產生一個單穩(wěn)態(tài)的脈沖波 ，此次設計的門閘主要利用產生的脈沖波的上升沿來使計數值鎖

18、存輸出，然后再將計數器進行清零。通過外接電阻電容元件就可以改變輸出脈沖寬度，輸出脈寬，則設置好合適的電容和電阻調整輸出脈寬。</p><p><b>　　2.4時基控制電路</b></p><p>　　時基電路主要用到555定時器來產生一個方波信號,如下圖由555構成一個多諧振蕩器電路</p><p>　　圖2-4由555構成多諧振蕩器電路圖&

19、lt;/p><p>　　通過調節(jié)電位器R1可以改變輸出的占空比，該方波的整個充放電周期為，高電平所占時間為，此次設計要求輸出方波的高電平時間為1秒，，則可以有理論計算出，用高精度的電位器R1就可以將高電平的脈寬調到很精準1秒，則數字頻率計的精度也會提高。</p><p><b>　　系統(tǒng)總體電路圖</b></p><p><b>　　3.

20、1計數部分電路</b></p><p><b>　　原理圖部分一：</b></p><p>　　圖3-1脈沖計數電路原理圖</p><p>　　計數部分的電路利用的是6個十進制芯片74LS90，3個上升沿觸發(fā)八位數據74LS123的鎖存器，以及后面CD4511譯碼器和七段顯示數碼管，構成對輸入的秒沖進行計數﹑鎖存，最后進行輸出和顯示

21、在數碼管上。</p><p>　　3.2閘門邏輯控制電路</p><p><b>　　原理圖部分二：</b></p><p>　　圖3-2閘門邏輯控制電路</p><p>　　這部分電路由555構成的時基脈沖電路和74LS123可重復觸發(fā)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，主要是完成在1秒的高電平內進行計數，然后再利用邊沿使數據進行鎖

22、存，然后再將74LS90的數據進行清零。74LS123單穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器目的主要是考慮到芯片的延時，必須是先將1秒計時后的數據進行鎖存輸出，然后再利用觸發(fā)信號將74LS90計數值進行清零。</p><p><b>　　軟件仿真圖</b></p><p>　　數字頻率計仿真圖如下：</p><p>　　圖4-1頻率計仿真圖</p>&l

23、t;p>　　仿真圖中輸入信號的頻率為1963HZ，仿真結果輸出值也為1963HZ，可見仿真是成功的，可見原理上可行。</p><p><b>　　實物調試</b></p><p><b>　　5.1實物制作</b></p><p><b>　　圖5-1實物焊接圖</b></p>&

24、lt;p>　　5.2實物顯示結果圖</p><p>　　圖5-2實物顯示結果圖一</p><p>　　（接上圖）說明如下：上圖信號輸入頻率為110HZ，輸出結果顯示為115HZ，可見存在一定的偏差，偏差為5HZ。</p><p>　　圖5-3實物展示圖二</p><p>　　說明如下：上圖信號的輸入頻率為10KHZ，然后顯示結果輸出為1

25、0095HZ，存在一定的誤差，但是結果還是說明問題，證明電路原理和設計的正確性。</p><p><b>　　5.3誤差分析</b></p><p>　　實驗結果分析:從上面實驗結果顯示值存在著一定的誤差，誤差主要在于555時基脈沖信號很難精準的定時為1秒，計數器只在1秒鐘內才進行計數，當高電平時間超過1秒時，則會使計數值偏大，頻率測量值就會偏大，如果高電平時間小于1

26、秒，則計數值偏小，頻率的測量值偏小。此外影響頻率測量誤差還可能存在集成芯片再進行級聯時延時值較大存在的微小誤差，影響到最終頻率值得測量結果。</p><p><b>　　5.4元件清單</b></p><p><b>　　表5-4元件清單表</b></p><p><b>　　6 心得體會</b>&

27、lt;/p><p>　　數電課設我們的題目是數字頻率計，在了解原理之后，我們考慮到這個電路是時鐘信號的輸入比較重要，因為頻率計就是要測量一秒鐘內一個信號源輸出了多少個完整周期信號，所以時鐘電路模塊我們要精準到1秒，而不能直接給高低電平，因此我們考慮了很多方案，做出了555多諧振蕩器和晶體振蕩器，由于工藝的問題，555振蕩器在我們的后續(xù)調試中很穩(wěn)定，而晶體卻不那么穩(wěn)定，所以我們選用555振蕩器。</p>

28、<p>　　其次重要的部分是計數，鎖存及輸出部分，由于這部分電路較為復雜，有21個芯片，手工焊線的話，我們需要的杜邦線太多，也無法完成調試，所以我們還是選用做PCB板，而單面線路太多，就考到做雙面PCB，一方面是方便走線，一方面是嘗試雙面PCB板的手工制作，給自己挑戰(zhàn)。不過過程就沒這么簡單，雙面板的對齊很難，我們做了三塊板子，完成了兩塊，之后在過孔和焊錫上花了很多時間，但是花時間更多的是檢查線路，由于我們鍍錫做的不是很好，很多

29、焊點都有虛焊，我們在檢查了二三十處錯誤之后，終于完成了板子的焊接。</p><p>　　在調試過程中，我們發(fā)現數碼管一直計零，完全沒有計數，在多次檢查通斷之后，問題還是沒有解決，最后我們在原理上找到了問題，因為90芯片的清零比273的鎖存要快，所在鎖存器鎖存之前，計數就已經被清零了，為了解決這個問題，我們選用了74LS123組成的延時電路來解決這個問題，由于延時電路有兩個部分，讓快的部分接入鎖存器，慢的部分接入計

30、數器清零端，就可以避免這個問題。</p><p>　　于是我們的課程設計到此終于完成了基本功能的測試，為了提高精度，我們微調了555振蕩電路，使其在0—1KHz內誤差小于1%，在1KHz—100 KHz內誤差小于5%。這次試驗真的是得到了很多東西，學會了雙面PCB板的焊接，學會了數電芯片的調試，學會了培養(yǎng)自己的耐心，這是一次很有意義的課程設計。</p><p><b>　　參考文

31、獻</b></p><p>　　[1]伍時和,數字電子技術基礎第一版. 清華大學出版社,2009</p><p>　　[2]梁宗善,新型集成電路的應用--電子技術基礎課程設計.華中科技大學出版社,2004</p><p>　　[3]孫梅生,電子技術基礎課程設計.高等教育出版社,2005</p><p>　　[4]康華光,數字電子技