數(shù)字頻率計設(shè)計

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 電信1104 指導(dǎo)教師： 曾剛 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：數(shù)字頻率計初始條件：具備電子電路的基礎(chǔ)知識和設(shè)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(shè)計常用軟件的使用；要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、設(shè)計頻率檢測電路；2、測量信號與ttl電平兼容，頻率范圍：0hz100khz；3、數(shù)碼管顯示頻率；4、掌握數(shù)字電路的設(shè)計及調(diào)試方法；5、撰寫符合學(xué)校要求的課程設(shè)計說明書。時間安排：時間一周，其中2天原理設(shè)計，3天電路調(diào)試指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目

2、錄摘要11. 數(shù)字頻率計的設(shè)計總體方案21.1數(shù)字頻率計的簡介21.2電路方案設(shè)計32. 電路模塊設(shè)計42.1計數(shù)電路42.4時基控制電路63. 系統(tǒng)總體電路圖73.1計數(shù)部分電路73.2閘門邏輯控制電路84. 軟件仿真圖95. 實物調(diào)試105.1實物制作105.3誤差分析115.4元件清單126 心得體會13參考文獻14 摘要本文介紹了一種測量僅與ttl電平兼容的信號的數(shù)字頻率計，其頻率的測量范圍為0hz到100khz，此次設(shè)計頻率計思路主要是利用計數(shù)原理，通過一定的時基控制電路能在1秒鐘以內(nèi)讓計數(shù)器工作于計數(shù)狀態(tài)，最后在1秒鐘內(nèi)將計數(shù)值進行鎖存輸出顯示，即可得到待測信號頻率 ，涉及到的集成

3、芯片主要有十進制計數(shù)芯片74ls90邊沿控制鎖存器74ls273用于數(shù)碼管顯示的譯碼器cd4511以及時基芯片555和雙可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls123,共同完成了數(shù)字頻率計的設(shè)計。關(guān)鍵詞：ttl電平兼容信號，計數(shù)，頻率計1. 數(shù)字頻率計的設(shè)計總體方案1.1數(shù)字頻率計的簡介(1) 數(shù)字頻率計概述數(shù)字頻率計主要是采用數(shù)字電路制做成的能實現(xiàn)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(shù)字頻率計是指電子計數(shù)式頻率計。 （2） 頻率計測量方法頻率計的測量方法很多，因其工作原理的不同導(dǎo)致有很多的測量

4、方法。比如有比較法、無源測量法示波器法和計數(shù)法 ，最常用的的是計數(shù)法，計數(shù)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(shù)字化的顯示。計數(shù)法測量頻率又分為直接測頻法和間接測頻法。（3） 頻率計組成結(jié)構(gòu)一般以計數(shù)原理來制作的頻率計是由時基控制電路，放大整形電路，計數(shù)電路以及顯示電路等部分組成，頻率計的組成框圖如下：放大整形 閘門電路 待測信號衰減放大 |顯示電路 計數(shù)電路 組成時基控制電路 時鐘振蕩電路 圖1-1頻率計系統(tǒng)組成圖1.2電路方案設(shè)計方案一：通過單片機軟件實現(xiàn)，利用單片機內(nèi)部所集成的定時器，在編程基礎(chǔ)定時周期1秒，然后設(shè)置i/o端口為計數(shù)模式，并且設(shè)置中斷時間為1秒，然

5、后直接用單片機i/o端口驅(qū)動數(shù)碼管進行顯示，計數(shù)值即為所測頻率。具體流程如下：i/o端口設(shè)置為計數(shù)模式為1秒定時器設(shè)置為1秒單片機為主控制器1秒中斷后數(shù)據(jù)鎖存輸出顯示設(shè)置1秒鐘的定時中斷圖1-2軟件實現(xiàn)流程圖方案二：通過直接計數(shù)法測頻率，利用計數(shù)芯片和時基控制電路實現(xiàn)對脈沖進行計數(shù)，在1秒內(nèi)對脈沖進行計數(shù)，其1秒內(nèi)計數(shù)值通過鎖存器進行鎖存后輸出，然后通過顯示電路顯示計數(shù)值，其計數(shù)值則為測量頻率。其方案設(shè)計流程圖如下所示：輸入脈沖 計數(shù)電路計數(shù)清零1秒后完成數(shù)據(jù)鎖存定時1秒計數(shù)數(shù)據(jù)顯示時鐘脈沖電路 圖1-3數(shù)字芯片實現(xiàn)測量頻率流程圖方案比較論證： 方案一主要是依靠軟件編程實現(xiàn)，對于設(shè)計一個數(shù)字頻

6、率計還是電路相對簡單，成本也較低，也便于容易實現(xiàn)。方案二是依靠數(shù)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(shù)字電路芯片是個很好鍛煉機會，另外本次是完成數(shù)電的課程設(shè)計。綜合考慮下，最終還是選擇方案二。2. 電路模塊設(shè)計2.1計數(shù)電路計數(shù)部分電路用的是二五十進制的計數(shù)器74ls90,通過clk0下降沿觸發(fā)后開始計數(shù)，clk0與q0構(gòu)成二進制計數(shù)器，clk1與q2q3q4構(gòu)成五進制計數(shù)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(gòu)成十進制。此次設(shè)計中用到6個74ls90進行級聯(lián)計數(shù)，構(gòu)成6位數(shù)的計數(shù)是利用q3的下降沿來

7、觸發(fā)高位計數(shù)，即將q3接到下一級芯片的clk0，則可以完成高位的計數(shù)。 圖2-1基于74ls09計數(shù)電路2.2數(shù)據(jù)鎖存輸出以及顯示電路數(shù)據(jù)的鎖存用到的是上升沿觸發(fā)的74ls273的八位數(shù)據(jù)鎖存器，只有在有上升沿才將數(shù)據(jù)鎖存輸出，cd4511是常用的共陰極數(shù)碼管譯碼器，其具體連接電路如下： 圖2-2數(shù)據(jù)鎖存器輸出顯示電路2.3門閘電路 門閘邏輯電路主要用雙可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls123來完成1秒后數(shù)據(jù)鎖 圖2-3門閘邏輯控制電路存輸出，緊接著將計數(shù)器清零，避免下次脈沖到來時又再此基礎(chǔ)上重新計數(shù)，導(dǎo)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(xiàn)下降沿時，在輸出q端就會

8、產(chǎn)生一個單穩(wěn)態(tài)的脈沖波 ，此次設(shè)計的門閘主要利用產(chǎn)生的脈沖波的上升沿來使計數(shù)值鎖存輸出，然后再將計數(shù)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(shè)置好合適的電容和電阻調(diào)整輸出脈寬。2.4時基控制電路 時基電路主要用到555定時器來產(chǎn)生一個方波信號,如下圖由555構(gòu)成一個多諧振蕩器電路 圖2-4由555構(gòu)成多諧振蕩器電路圖通過調(diào)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(shè)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(diào)到很精準(zhǔn)1秒，則數(shù)字頻率計的精度也會提高。3. 系統(tǒng)總體電路圖3.1

9、計數(shù)部分電路原理圖部分一： 圖3-1脈沖計數(shù)電路原理圖計數(shù)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(shù)據(jù)74ls123的鎖存器，以及后面cd4511譯碼器和七段顯示數(shù)碼管，構(gòu)成對輸入的秒沖進行計數(shù)鎖存，最后進行輸出和顯示在數(shù)碼管上。3.2閘門邏輯控制電路原理圖部分二： 圖3-2閘門邏輯控制電路這部分電路由555構(gòu)成的時基脈沖電路和74ls123可重復(fù)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(nèi)進行計數(shù)，然后再利用邊沿使數(shù)據(jù)進行鎖存，然后再將74ls90的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行鎖存輸出，然

10、后再利用觸發(fā)信號將74ls90計數(shù)值進行清零。4. 軟件仿真圖數(shù)字頻率計仿真圖如下：圖4-1頻率計仿真圖仿真圖中輸入信號的頻率為1963hz，仿真結(jié)果輸出值也為1963hz，可見仿真是成功的，可見原理上可行。5. 實物調(diào)試5.1實物制作圖5-1實物焊接圖5.2實物顯示結(jié)果圖 圖5-2實物顯示結(jié)果圖一（接上圖）說明如下：上圖信號輸入頻率為110hz，輸出結(jié)果顯示為115hz，可見存在一定的偏差，偏差為5hz。 圖5-3實物展示圖二說明如下：上圖信號的輸入頻率為10khz，然后顯示結(jié)果輸出為10095hz，存在一定的誤差，但是結(jié)果還是說明問題，證明電路原理和設(shè)計的正確性。5.3誤差分析實驗結(jié)果分析

11、:從上面實驗結(jié)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(zhǔn)的定時為1秒，計數(shù)器只在1秒鐘內(nèi)才進行計數(shù)，當(dāng)高電平時間超過1秒時，則會使計數(shù)值偏大，頻率測量值就會偏大，如果高電平時間小于1秒，則計數(shù)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(lián)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(jié)果。5.4元件清單表5-4元件清單表原件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注15551定時器272ls1231邏輯控制電路374ls001與非門474ls90610進制計數(shù)器574ls2733鎖存器6cd45116譯碼器78421數(shù)碼器6數(shù)碼管8r47k2電阻9r39k2

12、電阻 rext10k3電阻11r3.3k1電阻12r1k1電阻13r101電阻14rp100k1電位器15rp47k1電位器16c4.7f2電解電容17c10f1電解電容18c47f1電解電容19c100f1電解電容20c0.01f1瓷片電容21led1二極管22s1按鈕開關(guān)6 心得體會數(shù)電課設(shè)我們的題目是數(shù)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(nèi)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(zhǔn)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)

13、調(diào)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。其次重要的部分是計數(shù)，鎖存及輸出部分，由于這部分電路較為復(fù)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(diào)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。在調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管一直計零，完全沒有計數(shù)，在多

14、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(shù)就已經(jīng)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，慢的部分接入計數(shù)器清零端，就可以避免這個問題。于是我們的課程設(shè)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(diào)了555振蕩電路，使其在01khz內(nèi)誤差小于1%，在1khz100 khz內(nèi)誤差小于5%。這次試驗真的是得到了很多東西，學(xué)會了雙面pcb板的焊接，學(xué)會了數(shù)電芯片的調(diào)試，學(xué)會了培養(yǎng)自己的耐心，這是一次很有意義的課程設(shè)計。 參考文獻1伍時和,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第一版. 清華大學(xué)出版社,20092梁宗善,新型集成電路的應(yīng)用-電