[電子設(shè)計精品] 自動換擋型1Hz-9.99KHz頻率計(數(shù)電課設(shè)報告)

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計題目：自動換擋型1hz-9.99khz數(shù)字頻率計班級：xxxx 姓名：xxxx 學(xué)號： xxxx 成績： xxxxx 完成日期：2010年7月9日自動換擋型1hz-9.99khz頻率計一、設(shè)計目的 熟練掌握數(shù)字電路基本器件的使用方法，訓(xùn)練、提高讀圖能力； 掌握數(shù)字頻率計的設(shè)計、組裝、調(diào)試方法。二、設(shè)計內(nèi)容及要求 1設(shè)計一個能測量1hz9.99khz、ttl電平的頻率計，具有自動換擋功能。 要求用三位數(shù)字顯示，1999hz顯示單位為hz、1khz9.99khz顯示單位為0.01khz。畫出完整的電路圖，說明電路的工作原理。 2根據(jù)所給參考電路分析其工作原理并解答思考題。 3

2、根據(jù)上述原理電路圖，在印刷電路圖中標(biāo)出元器件的位置及代號，并完成跳線，使連接完整。 4 組裝、調(diào)試頻率計；寫出實驗、調(diào)試報告。選作內(nèi)容： 1頻率計輸入接口，可以測量5mv10v的正弦波、三角波方波信號。 2讓頻率計具有以下精度：1 99hz精度為0.2hz100999hz精度為0.5hz1khz9.99khz精度為1hz三、設(shè)計方案選擇方案一：（完全采用數(shù)字電路芯片去完成）1、 用555定時器產(chǎn)生1s的脈寬，然后通過十進制計數(shù)器在1s內(nèi)對被測信號源實現(xiàn)計數(shù)功能，1s內(nèi)的計數(shù)值即為對應(yīng)的頻率值，經(jīng)計數(shù)器的輸出端通過七段譯碼驅(qū)動管使數(shù)碼管顯示相應(yīng)的頻率值。 由于555定時器的微分電路可以由可調(diào)電阻

3、構(gòu)成，可以實現(xiàn)閘門時間的控制與調(diào)節(jié)，這樣在測量更高頻率范圍時電路的改進就會很方便，但是由于微分電路的充放電時間不是很穩(wěn)定，這樣得到的閘門時間1s就不是很精確， 在1s內(nèi)對頻率的計數(shù)值與實際的頻率值就有一定的誤差。2、 由于只有三只數(shù)碼管，當(dāng)從999hz上升到1khz以上時，三只數(shù)碼管無法顯示全部數(shù)值，因此要用相應(yīng)的控制電路控制換擋，對被測信號源十分頻，只顯示千、百、十三位的數(shù)值而丟掉了個位的數(shù)值，同時將第三只數(shù)碼管的小數(shù)點點亮，按khz讀取數(shù)據(jù)。方案二：（也是完全采用數(shù)字電路芯片去完成）1、 為了得到1s的精確的閘門時間，我們可以采用石英晶體多諧振蕩器，這樣測量的頻率值就比較接近實際值，但有一

4、個缺憾就是如果要更換測量范圍，就必須更換石英晶體多諧振蕩電路，改進起來就會很麻煩。 2、 譯碼器我們也可以采用74ls48，但由于74ls48內(nèi)部有限流電阻而沒有內(nèi)部鎖存器，結(jié)果顯示時就不是那么穩(wěn)定，產(chǎn)生1s閘門時間的555定時電路就要做相應(yīng)的改進，閘門時間過后的低電平的時間就要延長，保證結(jié)果能穩(wěn)定顯示。方案三：（采用單片機方案）1、我們采用定時/計數(shù)器t0工作于定時方式產(chǎn)生1s的精確的閘門時間，而采用定時/計數(shù)器t1工作于計數(shù)方式對外部被測頻率信號實現(xiàn)計數(shù)。將每次的計數(shù)結(jié)果分為高8位和低8位分別放入一個寄存器中。2、對于自動換擋，我們需要一個比較轉(zhuǎn)移指令 cjne rn，#date，next

5、將每次的計數(shù)結(jié)果與999比較大小，分999三種情況分別轉(zhuǎn)向三個子程序執(zhí)行相應(yīng)的處理操作。3、采用軟件譯碼，用查表指令實現(xiàn)三個數(shù)碼管的顯示最終給定的方案為方案一，下面我們將對方案一的原理作詳細(xì)的說明四、整體構(gòu)思及系統(tǒng)框圖（1）基本原理我們舉一個很簡單的例子：若f =1hz，則它的周期即為t=1s，那么在1s內(nèi)就有1個脈沖若f =2hz，則它的周期即為t=1/2s，那么在1s內(nèi)就有2個脈沖若f =nhz，則它的周期即為t=1/ns，那么在1s內(nèi)就有n個脈沖,若對這n個脈沖進行計數(shù)，計數(shù)值就是被測頻率信號源的頻率nhz。我們采用555定時器產(chǎn)生1s的脈寬，在這1s的脈寬內(nèi)我們通過計數(shù)器對被測頻率信號

6、源計數(shù)。由于要求只能用三位數(shù)字顯示，當(dāng)頻率小于999hz時，只需三個十進制的計數(shù)器就可以得到正確的計數(shù)結(jié)果；當(dāng)頻率大于999hz時，就需要四個十進制的計數(shù)器才能夠得到正確的計數(shù)結(jié)果。于是我們采用相應(yīng)的控制電路，使被測頻率經(jīng)過四個計數(shù)器計數(shù)，只取高三位的數(shù)值，同時將第三位數(shù)碼管的小數(shù)點點亮。每次開始計數(shù)的時候，我們就用相應(yīng)的控制電路讓所有計數(shù)器的輸出端全部清零，保證每一個閘門時間內(nèi)計數(shù)器都是從0開始計數(shù)的。被測信號門控電路 自動換擋型頻率計原理框圖 分頻器計數(shù)、譯碼、驅(qū)動、顯示高位計數(shù)溢出檢測電路分頻、顯示控制電路（2）系統(tǒng)框圖五、設(shè)計中可能用到的芯片的使用說明定時我們采用ne555定時器，計數(shù)

7、我們采用十進制/二進制計數(shù)器dm74ls90，譯碼我們采用bcd7段鎖存譯碼器/驅(qū)動器cd4511，分頻顯示控制電路我們用到4與非門74ls00和雙jk觸發(fā)器74ls112。（1）ne555定時器ne555定時器芯片將555的thr和tri端兩個輸入端連在一起作為信號輸入端即可得到施密特觸發(fā)器。 施密特的輸出端經(jīng)電阻接到輸入端，輸入端經(jīng)電容接地就可以得到多諧振蕩器。同樣的道理，也可將555定時器接成如上右圖所示的多諧振蕩器。振蕩周期僅由c3和r2、r3所組成的充放電電路的充放電時間決定： t=t1+t2=（r3+r2）cln2+r2cln2=（r3+2r2）cln2 （說明：這里c=c3） f

8、 =1/t=1/（r3+2r2）cln2（2）dm74ls90 74ls90芯片引腳圖 74ls90的邏輯功能表復(fù)位輸入輸出r01r02r91r92qdqcqbqa110x000011x00000xx111001x0x0計數(shù)0x0x計數(shù)0xx0計數(shù)x00x計數(shù)由功能表可知：當(dāng)r01和r02都為1時，才具有清零功能，而當(dāng)r01和r02中有一個為0時，清零都無效。r91和r92的置9功能也是當(dāng)r91和r92同時為1時置9才有效，而當(dāng)r91和r92中只要有一個為0時置9都無效。當(dāng)置9和清零都無效時。將輸出端qa與b輸入端相接，clk從a輸入端輸入就實現(xiàn)十進制加計數(shù)功能。（3）cd4511 4511芯

9、片引腳圖 4511的邏輯功能表輸 入輸 出lebiltdcbaabcdefg顯 示xx0xxxx1111111 8x01xxxx0000000消 隱011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013 011010001100114011010110110115011011000111116011011111100007011100011111118 01110011110011901110100000000消 隱01110110000000消 隱01111000000000消 隱01111010000000消 隱011111

10、00000000消 隱01111110000000消 隱111xxxx鎖 存鎖 存由功能表可知：l t燈測試輸入端，l t=“0”時，譯碼輸出全為“1”，燈顯示數(shù)字“8“bi消隱輸入端，bi=“0”時，譯碼輸出全為“0”，燈不顯示任何數(shù)字。le鎖定端，le=“1”時，譯碼器處于鎖定（保持）狀態(tài)，譯碼輸出保持在le=“0”時的數(shù)值，le=0時為正常譯碼。a、b、c、dbcd碼輸入端a、b、c、d、e、f、g譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅(qū)動共陰極led數(shù)碼管。（4）雙jk觸發(fā)器74ls112 jk觸發(fā)器的邏輯功能表 輸 入輸 出sdrdcpjkqn+1qn+101xxx1010xxx0100x

11、xx1100qnqn1110101101011111qnqn11xxqnqn由功能表可知：clk端為下降沿觸發(fā)sd、 rd 端異步置數(shù)和異步清零端，當(dāng)其中一個有效時，即為低電平0時，不管clk脈沖是否到來，都執(zhí)行相應(yīng)的置數(shù)或清零操作。j、k端在sd、 rd端均無效的情況下，clk的下降沿到來時，若j=1、k=0則置1；若j=0、k=1則清零；若j=0、 k=0則保持；若j=1、 k=1則翻轉(zhuǎn)。六、各部分定性說明以及定量計算：（1）555定時電路01（用于產(chǎn)生被測頻率信號源）當(dāng)tr和tr端為低電平輸入時，3腳vo輸出為高電平，vo經(jīng)r2、r1給電容c1充電。 t1=（r2 +r1）c.ln2 （

12、說明：這里c=c1=0.01uf）當(dāng)達到正向閾值電壓時，vo立刻跳變?yōu)榈碗娖健1又經(jīng)r2、r1給vo放電。t2= （r2 +r1）c.ln2于是t=t1+t2=2（r2 +r1）c.ln2 f=1/t=1/2（r2 +r1）c.ln2由于r1已知，r2為可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)r2即可以改變vo輸出的頻率。（2）555定時電路02（用于產(chǎn)生1s的閘門時間）此電路是將dis經(jīng)r3/d1之后接到tr和tr端，dis的電平特性與3腳vo完全相同。tr和tr端為低電平輸入時，3腳vo和7腳dis均輸出為高電平，dis經(jīng)r3、d1給電容c1充電。t1=（r3/rd1正+r2+r1）c.ln2當(dāng)達到正向閾值電壓時

13、，dis立刻跳變?yōu)榈碗娖?。c1又經(jīng)r3、d1給dis放電，流經(jīng)d1的為反向電流，d1可以視為開路。t2= （r3）c.ln2由于（r3/rd1正+r2 +r1）（r3），故t1 t2，即輸出端vo高電平持續(xù)時間1s遠(yuǎn)大于低電平持續(xù)的時間。（3）微分電路 當(dāng)與非門輸入端有一個為0時，輸出端為1，電容c1兩端電壓為0，而當(dāng)輸入端全為1時，輸出端為0，由于電容c1兩端的電壓不能突變，故電容c1的右端與電阻相接的一端輸出為0，但是這個低電平是不能長久的，電源vcc經(jīng)680歐的電阻r1給電容c1充電，一段時間之后，電容c1的右端又恢復(fù)高電平。（4）計數(shù)電路 當(dāng)1s的閘門時間開始的時候，輸入的高電平經(jīng)c2

14、使計數(shù)器的清零端清零。每次1s的閘門時間開始的時候都是這樣實現(xiàn)清零。由于1n4148的鉗位作用，很快置零端又下降為低電平，置零信號很快就消失，允許計數(shù)器計數(shù)。將qa接到clkb的輸入端，使74ls90構(gòu)成十進制計數(shù)器。當(dāng)?shù)臀挥浀?時q3=1，下一個計數(shù)脈沖到來的時候，計數(shù)器記滿溢出，q3由10，產(chǎn)生的下降沿正好可以作為高一位的clk輸入。（5）自動換擋電路（分頻切換和小數(shù)點控制） 起始的時刻，閘門時間內(nèi)的高電平信號經(jīng)3個與非門u7b、u6b、u2b后轉(zhuǎn)化為低電平將jk觸發(fā)器u4a置1，但很快5v電源又經(jīng)680歐的電阻給電容c2充電，置一端很快又回到高電平，所以置一信號很快消失。而在計數(shù)的過程中

15、，若f100hz,則最高位的q0可能會為1，當(dāng)q0=1時經(jīng)與非門u3b后為低電平，將jk觸發(fā)器u4a清零，同理清零信號也很快消失。即使q0又變回0，jk觸發(fā)器u4a的輸出端q也仍然為0，q=0將與非門u5b封鎖，使jk觸發(fā)器u1a的清零端無效，同時也使譯碼器4511的消隱端無效，最高位的數(shù)碼管正常顯示。 （6）對整體電路的說明本電路能測量1hz9.99khz的方波信號，三位數(shù)字顯示，1999hz顯示單位為hz、1khz9.99khz顯示單位為0.01khz。由u2及外圍電路組成的門控電路，產(chǎn)生脈寬1秒的方波信號，控制u1a，讓u12及外圍電路組成的摸擬被測信號通過，單位時間的計數(shù)值即為被測信號

16、頻率。由c2、r3組成的微分電路，在一個新的計數(shù)周期開始瞬間對上次計數(shù)結(jié)果清零由u11b、u10c、u10d及兩微分電路構(gòu)成計數(shù)器高位“1”檢測，即在一個計數(shù)周期，高位至少計一個數(shù)；否則分頻器u3沒有必要接入。每個計數(shù)周期開始后，u10c及微分電路首先通過u11b的sd端使u11bq置“1”此時由于u10b的5腳為低電平，u11a的cd端不起作用。在計數(shù)周期只要u6q0端有一個“1”，u11bq端就會清為“0”，u11a的cd端在計數(shù)周期都不起作用。若在整個計數(shù)周期u6q0端始終為零，u11bq端保持為“1”，當(dāng)計數(shù)周期結(jié)束時，u10b4、5腳均為高電平，u11a的cd端起作用，u11aq端為

17、“0”，u3輸出“1”，即分頻器u3不起作用（整個計數(shù)周期u6q0端始終為零，說明分頻器u3沒有必要加入）；同時u10b使得u9的消隱端起作用，高位無效“0”不顯示。u11b本質(zhì)是一個rs觸發(fā)器。為檢測計數(shù)器高位是否溢出，將u6q3作為u11a的時鐘，當(dāng)u6q3由“1”“0”時，u11aq端的狀態(tài)取決于當(dāng)時j端狀態(tài)，j=0，qn+1保持原狀態(tài)，j=1，qn+1=1。而j端的波形與u2q相比延遲數(shù)微秒，其原因是：每個計數(shù)周期開始時，都要對上一次計數(shù)清零，如果上一次計數(shù)周期高位計數(shù)值是8或者9（波形圖上畫出四個計數(shù)周期u6q3可能的情況），就會產(chǎn)生虛假的溢出信號，j的波形保證清零時j=0，使清零時

18、產(chǎn)生的假溢出信號得到抑制。當(dāng)u11aq為“1”時u3作為十分頻器接入電路，同時將高位數(shù)碼管的小數(shù)點點亮。列表說明如下：情況說明jk觸發(fā)器u11b 與非門u10bjk觸發(fā)器u11a備注q4腳5腳6腳qqf=999hz時閘門時間到來期間即555定時器u2輸出端q=1若f=100hz,則q=000101與非門u1b打開，計數(shù)器u3被置9。閘門時間過去期間即555定時器u2輸出端q=0若f=100hz,則q=001101與非門u1b打開，計數(shù)器u3被置9。f999hz時閘門時間到來期間即555定時器u2輸出端q=1當(dāng)計數(shù)超過999hz時，q=0001當(dāng)計數(shù)超過999hz時被置10與非門u1b被封鎖，計

19、數(shù)器u3開始計數(shù)。閘門時間過去即555定時器u2輸出端q=0當(dāng)計數(shù)超過999hz時，q=001110與非門u1b被封鎖。七、組裝調(diào)試中應(yīng)該注意的問題1 檢查印刷電路板有無斷路、短路，若有，首先處理好。2 焊接順序：電阻、二極管、跳線、ic插座、電容器，逐一焊接。先焊平面的，后焊立體的，原則是有利于焊接。要求臥裝水平、豎裝垂直、相同元件等高。要特別注意元器件的安裝方向！3 焊接要點：將元件整形后插入對應(yīng)位置，電路板平放在臺面上，一手握烙鐵對焊盤和引腳同時接觸預(yù)熱，另一手持焊錫絲與焊盤處烙鐵接觸，使錫絲熔化，當(dāng)錫絲熔化一定量時（多了不好少了不行），立即將錫絲離去，烙鐵繼續(xù)保持少許時間，讓焊錫圍繞焊

20、盤自由流動，形成一個完全覆蓋焊盤的鐘形（忌諱球形）焊點。切勿將焊錫先溶化在烙鐵上再去焊接，這樣錫絲里的助焊劑在未焊接前先揮發(fā)了，不利于焊接，而且焊點沒有光澤。4 剪腳：元件焊好后，將多余引腳剪掉，剪腳后的焊點應(yīng)露出引腳0.5-1mm。本課設(shè)要求引腳露出2mm，以利于元件重復(fù)使用。5 檢查元件及ic插座有無錯焊、漏焊，方向是否正確無誤，將集成電路插入相應(yīng)插座。6 將5v直流電源接入電路（ttl電路對電源要求很高，電壓值和方向都不能接錯?。?。若發(fā)現(xiàn)元器件發(fā)熱或者有異味，應(yīng)立即切斷電源檢查。7 正常時數(shù)碼管會顯示所測信號頻率，若不能則按以下步驟用示波器檢查：被測信號輸出是否正常；閘門控制電路是否正常

21、；清零、鎖存信號是否存在；計數(shù)器、譯碼器工作是否正常；當(dāng)不能自動換擋時，應(yīng)該重點檢查計數(shù)溢出檢測電路；調(diào)整閘門時間，使頻率計正確測頻。八、設(shè)計心得體會1、在焊電路板的時候一定要小心，因為pcb板內(nèi)部有很多細(xì)小的連線，不小心的話就容易焊到一起去，最終就無法實現(xiàn)電路的功能。2、對于cmos電路，引腳不能懸空，原因有二:其一，懸空輸入端內(nèi)部電流很大，容易使芯片發(fā)燙，容易燒壞芯片。其二，懸空的引腳容易受到外界的干擾，本來該引腳可能是低電平執(zhí)行燈測試操作，但懸空后可能該引腳就為低電平，數(shù)碼管始終顯示8而不隨輸入頻率的變化而變。3、對于f1khz的信號，我們通過對電路的理解發(fā)現(xiàn)，在一個閘門時間內(nèi)無法得出正

22、確的結(jié)果，只有在下一個1s閘門時間結(jié)束的時候，才能得到正確的顯示結(jié)果。還有一種情況就是上次測量的f1khz，而這次測量的f999hz時且u11b的q為0時，分頻器起作用。被測信號流程如下:f -u1a-u3的clk0-u3的q3-u1c-u4的clk03 、u2、u12同為震蕩器，在一個震蕩周期中，調(diào)wr1、wr2改變了什么，周期t的表達式？調(diào)wr1改變的是閘門時間和波形的占空比。而調(diào)wr2改變的是信號源的頻率，其占空比始終為50%。u2的周期表達式為：t=t1+t2=（r2/rd1正+wr1+r1）c.ln2+（r2）c.ln2u12的周期表達式為：t=t1+t2=2（wr2 +r8）c.l

23、n24、u10a及r4、c3的作用是什么？畫出u1d的輸入及u10a的輸出波形.對u2所給信號的第二次反向。5、若二極管d1接反，u2q波形如何？若d1接反，則電容的充電時間變長而放電時間變短，即u2q輸出的高電平時間變長，而低電平的時間變短。t=t1+t2=（r2 +wr1+r1）c.ln2+（r2/rd1正）c.ln26、當(dāng)頻率過khz后，小數(shù)點點亮，隨后頻率khz以下，但小數(shù)點不滅，問故障可能所在？jk觸發(fā)器u11a沒有被清零。7、譯碼驅(qū)動電路7448和4511管腳布置完全相同，分析兩種芯片在本電路的應(yīng)用，比較各自特點。74ls48內(nèi)部有限流電阻而沒有內(nèi)部鎖存器，接數(shù)碼管時不需外接限流電

24、阻，但它的數(shù)碼管數(shù)字顯示不穩(wěn)定，要相應(yīng)延長閘門時間結(jié)束后的低電平的時間才能顯示正確的結(jié)果。它是ttl電路，引腳懸空相當(dāng)于高電平。 4511內(nèi)部有內(nèi)部鎖存器而沒有限流電阻，接數(shù)碼管時需外接限流電阻。一般不存在數(shù)碼管數(shù)字顯示不穩(wěn)定的問題，但有一點要注意，4511是cmos電路，引腳不能懸空，未有接入電路的引腳要接使該引腳無效的電源或地。8、電位器3296右旋時，腳腳靠攏，要求電位器右旋時，門控制電路的輸出正占空比、信號頻率，rw1、rw2的、腳與電路如何連接？根據(jù)前面的周期公式和頻率公式即可得出正確解法。9、 u11a的功能(cd端為“1”)及作用是什么?試畫出u11aq端波形（u11aq端起始為

25、“0”），若j端接u2q，畫出u11aq端波形，并分析會產(chǎn)生什么不良后果？u11a的主要功能就是在f=1khz時q=1而q=0。q=1將小數(shù)點點亮，q=0封鎖與非門u1b，計數(shù)器u3的置9端ms1、ms2無效，使信號經(jīng)過計數(shù)器u3計數(shù)。f1khz時q=0而q=1, q=1打開與非門u1b，計數(shù)器u3的置9端ms1、ms2有效計數(shù)器輸出q3q2q1q0=1001，打開與非門u1c，允許被測頻率信號經(jīng)過后面的3個計數(shù)器計數(shù)，而不經(jīng)過計數(shù)器u3。10、 電路中r3、4、5、6的阻值均較小，選取依據(jù)是什么？最大可取什么值？依據(jù)ttl門電路輸入端負(fù)載特性。rmax=690歐11、 u11b的功能（此時的jk觸發(fā)器實際當(dāng)什么用）及作用是