武漢理工大學(xué)數(shù)字電路-頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作 初始條件：ne555定時(shí)器 74LS90 74LS123要求完成的主要任務(wù): 1.被測(cè)信號(hào)為矩形脈沖信號(hào)，04V；2.顯示的頻率范圍為0099Hz；3.測(cè)量精度 1Hz；4.用LED數(shù)碼管顯示頻率數(shù)值；5.至少提出三種設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行比較與選擇；6.撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。時(shí)間安排：2012年6月8號(hào)10:00-12:00 ：理論講解; 地點(diǎn)：教四615； 2012年6月：理論設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試； 地點(diǎn)：鑒主15樓通信工程實(shí)驗(yàn)室三； 第20周：撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告

2、及答辯；地點(diǎn)：鑒主17樓研究室。指導(dǎo)教師簽名： 年 月日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2012年 月日 目錄1設(shè)計(jì)內(nèi)容及其要求52思路分析與方案論證12.1待選方案42.3最終方案43電路參數(shù)計(jì)算及原理圖63.1時(shí)基電路63.2數(shù)據(jù)鎖存和清零電路73.3放大整形電路83.4計(jì)數(shù)器的原理圖83.5鎖存器部分原理圖93.6BCD碼8421共陰七段數(shù)碼管譯碼驅(qū)動(dòng)器的電路圖94問(wèn)題及解決辦法104.1使用的主要儀器和儀表104.2調(diào)試電路的方法和技巧104.2.1校準(zhǔn)時(shí)基電路104.2.2校準(zhǔn)整形電路104.2.3測(cè)試頻率計(jì)104.3電路性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果114.4調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法115收

3、獲、體會(huì)11參考文獻(xiàn)12附錄二：元器件名細(xì)表1415數(shù)字式頻率計(jì)與制作摘要 在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，同時(shí)頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化，因此，頻率計(jì)擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。 在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中，在無(wú)線通訊測(cè)試中都需要用到頻率計(jì)。本次實(shí)驗(yàn)的頻率計(jì)是由ne555產(chǎn)生時(shí)基信號(hào)，計(jì)數(shù)器74ls90計(jì)數(shù)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls123觸發(fā)鎖存數(shù)據(jù)，七段共陰數(shù)碼管作為顯示部分來(lái)顯示頻率。該設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，能夠測(cè)量099Hz幅度為04V的方波信號(hào)的頻率，且精度為1Hz。關(guān)鍵字：頻率計(jì) 時(shí)基信號(hào) 計(jì)數(shù)器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)子頻率

4、計(jì)要求：被測(cè)信號(hào)為矩形脈沖信號(hào)，04V顯示的頻率范圍為0099Hz測(cè)量精度為1Hz用LED數(shù)碼管顯示頻率數(shù)值提出至少兩種設(shè)計(jì)方案，并優(yōu)選方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)撰寫(xiě)符合學(xué)校要求的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2方案選擇2.1待選方案2.1.1方案一方案一的系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2-1。 待測(cè)頻率方波 時(shí)基信號(hào) 清零信號(hào) 鎖存信號(hào)放大電路控制電路閘門(mén)電路計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼顯示圖2-1 方案一的系統(tǒng)框圖方案一的電路圖見(jiàn)圖2-2。圖2-2 方案一的電路圖方案一的工作原理：首先將信號(hào)放大到5V，在將信號(hào)連接道閘門(mén)，閘門(mén)的控制信號(hào)是由ne555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路產(chǎn)生的矩形波，其正脈沖時(shí)間為一秒鐘，也就是閘門(mén)導(dǎo)通時(shí)間為一秒鐘，在由于待測(cè)

5、頻率方波連到計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖腳，所以這一秒的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)該波形脈沖計(jì)數(shù)，時(shí)間到閘門(mén)斷開(kāi)停止計(jì)數(shù)；同時(shí)ne555產(chǎn)生波形將產(chǎn)生一個(gè)下降沿，該下降沿驅(qū)動(dòng)第一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使其產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，該正脈沖促使D觸發(fā)器鎖存計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)；D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)通過(guò)BCD8421譯碼器譯碼驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，該顯示數(shù)據(jù)即是所測(cè)頻率；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器重新回到穩(wěn)態(tài)也就是有高電平跳變?yōu)榈碗娖?，該下降沿觸發(fā)第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生一個(gè)低脈沖，該脈沖通過(guò)一與非門(mén)使計(jì)數(shù)器清零；如此循環(huán)，數(shù)碼管就一直顯示待測(cè)方波的頻率。2.1.2方案二方案二的系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2-3。待測(cè)頻率方波放大電路閘門(mén)電路單片機(jī)譯碼顯示圖2-3 方案二的系統(tǒng)框圖方

6、案二電路圖見(jiàn)圖2-4。圖2-4 方案二的電路圖方案二的工作原理：該方案通過(guò)單片機(jī)為頻率計(jì)的核心，由單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生1s鐘的通過(guò)閘門(mén)信號(hào)，且同時(shí)單片機(jī)計(jì)中的定時(shí)計(jì)數(shù)器記下該段時(shí)間的脈沖，在通過(guò)單片機(jī)計(jì)算將數(shù)據(jù)送到IO口，在通過(guò)譯碼器譯碼驅(qū)動(dòng)顯示出相應(yīng)測(cè)試出的頻率。2.2方案比較方案一：該方案由純硬件電路搭出的頻率計(jì)電路，電路復(fù)雜，計(jì)算復(fù)雜，但電路為純硬件電路不需要編程。方案二：該方案通過(guò)單片編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單，但要涉及到單片機(jī)編程。2.3最終方案由于此次課設(shè)為數(shù)電課設(shè)，且剛學(xué)完數(shù)電課程，若要選擇單片機(jī)方案還得學(xué)習(xí)單片機(jī)，鑒于時(shí)間有限，所以我們選擇方案一。3模塊電路的選擇3.

7、1時(shí)基電路方案一：采用由石英晶體和門(mén)電路構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其振蕩頻率穩(wěn)定性高，具有非常好的選頻特性。但電路的振蕩頻率僅取決與石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fs，而與電路中的R、C值無(wú)關(guān)，所以其頻率無(wú)法調(diào)節(jié)，由于其頻率太高，一般都是兆的數(shù)量級(jí)，需要經(jīng)過(guò)多次分頻才能達(dá)到秒脈沖的數(shù)量級(jí)。故不適合用在此處。方案二：此課程設(shè)計(jì)中所需要的時(shí)鐘信號(hào)約為1HZ，由于555定時(shí)器內(nèi)部的比較器靈敏度高。輸出驅(qū)動(dòng)電流大，功能靈活，且采用差分電路形式，他的震蕩頻率受電源電壓和溫度的影響很小。改變R、C的值就能夠改變其頻率。所以由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器頻率穩(wěn)定且易于調(diào)節(jié)。方案三：利用門(mén)電路構(gòu)成多諧振蕩器，也可以達(dá)到

8、1HZ的時(shí)鐘信號(hào)。門(mén)電路構(gòu)成的多諧振蕩器利用RC電路的充放電特性，通過(guò)控制時(shí)間常數(shù)來(lái)產(chǎn)生方波時(shí)鐘信號(hào)。但是其穩(wěn)定度比較低，而且特性與所用門(mén)電路的特性直接掛鉤，而且輸出波形受到電源的影響特別大，不容易控制。經(jīng)過(guò)分析和對(duì)比設(shè)計(jì)的要求，在所需頻率較低，時(shí)基脈沖的發(fā)生選用方案二。3.2數(shù)據(jù)鎖存和清零電路方案一：采用分離的門(mén)電路和電阻、電容構(gòu)成一基本的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。電路可以完成單穩(wěn)態(tài)的功能，但電路復(fù)雜耗費(fèi)的元器件多且穩(wěn)定性也不好，既不實(shí)用有不經(jīng)濟(jì)。方案二：采用Ne555和分離的電容、電阻構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。電路相對(duì)簡(jiǎn)單且比較經(jīng)濟(jì)。方案三：采用集成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電路相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單，且穩(wěn)定比較好。經(jīng)過(guò)分析和比較

9、，我們選用放案三。3.3放大整形電路方案一：采用基本三極管構(gòu)成的放大電路，實(shí)現(xiàn)波形幅值的放大。該方案可輕松實(shí)現(xiàn)波形的放大，但是電路相對(duì)復(fù)雜，由于分離元器件太多電路的穩(wěn)定行較差，所以后級(jí)還得加整形電路。方案二：采用運(yùn)放構(gòu)成同相放大器。該方案簡(jiǎn)單實(shí)用，且運(yùn)放也廣為我們熟悉，但后級(jí)還得加整形電路。方案三：直接采用運(yùn)放當(dāng)做比較器，由于待測(cè)為方波，同時(shí)實(shí)現(xiàn)放大整形功能，且電路十分簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)分析和比較，我們選用放案三。3.4計(jì)數(shù)器方案一：采用74ls161集成計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)方便，通過(guò)反饋清零法，可輕松實(shí)現(xiàn)清零功能。方案二：采用74ls90二、五、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通過(guò)該芯片實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)十分容易，無(wú)需額外的元器

10、件即可。經(jīng)過(guò)分析和比較，我們選用放案二。3.5譯碼器方案一：采用BCD8421集成共陰七段數(shù)碼管譯碼器74ls48，芯片價(jià)格昂貴。方案二：采用BCD8421集成共陰七段數(shù)碼管譯碼器cd4511，芯片價(jià)格便宜經(jīng)過(guò)分析和比較，我們選用放案二。4電路參數(shù)計(jì)算及原理圖4.1時(shí)基電路時(shí)基電路是由ne555產(chǎn)生的，其原理圖見(jiàn)圖4-1。圖4-1 時(shí)基電路原理圖根據(jù)555構(gòu)成的多諧振蕩器電路的計(jì)算公式:T=(RV1+R2+R1)C1Ln2T=R1CLn2由于C1的值為已知10uF，可以取R1=39K；同時(shí)算出(RV1+R2+R1)=144.3K，若取R2的值為44K，那么可以選RV1為一個(gè)100K的電位器。如

11、此可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的值將正脈沖的值確定為精確的1S。4.2數(shù)據(jù)鎖存和清零電路數(shù)據(jù)鎖存和清零電路由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，其原理圖見(jiàn)圖4-2。圖4-2 數(shù)據(jù)鎖存和清零電路原理圖當(dāng)ne555產(chǎn)生的一秒鐘正脈沖結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生一下降沿觸發(fā)第一個(gè)74LS122單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使其Q端輸出一正脈沖，該脈沖的上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器鎖存計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)，隨后該芯片由暫穩(wěn)態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)下降沿觸發(fā)后一個(gè)74LS122使其端產(chǎn)生一低脈沖，該脈沖為計(jì)數(shù)器清零脈沖。為保證在555時(shí)基波形地低脈沖時(shí)間內(nèi)電路清零完成，所以選取C3=C4=4.7uF，R3=R4=10K；根據(jù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖寬度計(jì)算公式：=RCLn2算出0.033

12、S，顯然在該段時(shí)間內(nèi)能夠及時(shí)清零不影響下一計(jì)數(shù)測(cè)頻率。4.3放大整形電路放大整形電路的原理圖見(jiàn)圖4-3。圖4-3 放大整形電路原理圖考慮到待測(cè)頻率方波的幅值為04V所以先把待測(cè)波形經(jīng)過(guò)一比較器使其變?yōu)榉?V的方波。此處我們可以選擇比較器Lm339，和一個(gè)10K的電位器。4.4計(jì)數(shù)器的原理圖計(jì)數(shù)器部分的原理圖見(jiàn)圖4-4。圖4-4 計(jì)數(shù)器的原理圖考慮到比較適合于十進(jìn)制計(jì)數(shù)，我們選用74Ls90二、五、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器可輕松簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)。4.5鎖存器部分原理圖鎖存數(shù)據(jù)部分原理圖見(jiàn)圖4-5。圖4-5 鎖存器部分原理圖此處我們選擇上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器74Ls273。4.6BCD碼8421共陰七段數(shù)碼

13、管譯碼驅(qū)動(dòng)器的電路圖譯碼顯示部分原理圖見(jiàn)圖4-6。圖4-6 BCD碼8421共陰七段數(shù)碼管譯碼驅(qū)動(dòng)器的電路圖開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)候我們選的是共陰七段數(shù)碼管BCD譯碼器74ls48，由于價(jià)格相對(duì)較昂貴我們最終用的是相對(duì)便宜的CD4511。5問(wèn)題及解決辦法5.1使用的主要儀器和儀表本設(shè)計(jì)所用到的主要儀器和儀表有數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字示波器、函數(shù)發(fā)生器。5.2調(diào)試電路的方法和技巧5.2.1校準(zhǔn)時(shí)基電路時(shí)基電路電路圖見(jiàn)前面，接通電路電源，用示波器測(cè)輸出腳的波形圖，調(diào)節(jié)電位器，使正脈沖波形的寬度為一秒鐘。調(diào)節(jié)電位器時(shí)一定要細(xì)心慢慢的調(diào)節(jié)，用力適當(dāng)，切勿用力過(guò)猛。5.2.2校準(zhǔn)整形電路波形校準(zhǔn)電路圖見(jiàn)前面,接通電路電源，

14、給一待測(cè)頻率為50Hz幅度為1V的方波，用示波器測(cè)試電路的輸出波形，同時(shí)調(diào)節(jié)電位器當(dāng)輸出波形為幅度為5V頻率為50Hz時(shí)。選擇其他頻率和幅度的方波重復(fù)幾次，校準(zhǔn)完畢。校準(zhǔn)過(guò)程一定要細(xì)心。5.2.3測(cè)試頻率計(jì)校準(zhǔn)完畢后，就可以測(cè)試頻率計(jì)了，任意給出一個(gè)099Hz頻率04V幅值的方波，看頻率是否顯示正確，改變幾次波形頻率和幅度看測(cè)試頻率的變化情況。測(cè)試過(guò)程中一定要選擇比較多的不同頻率或不同幅值的方波重復(fù)多次測(cè)量。5.3電路性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)重復(fù)多次不同頻率不同幅度的方波，頻率計(jì)能在099Hz頻率、04V幅值范圍內(nèi)測(cè)出正確的頻率，測(cè)量精度為1Hz，且能夠用數(shù)碼管顯示出來(lái)，頻率計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5.4

15、調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法電路連接完成，首次測(cè)試頻率計(jì)時(shí)，頻率顯示值是實(shí)際值的好幾倍，且隨不同的幅度而不同。經(jīng)過(guò)檢查分析后，我們認(rèn)為是波形整形部分比較器的比較電壓調(diào)的不好，經(jīng)重新調(diào)節(jié)后發(fā)現(xiàn)電路可以正常測(cè)出頻率。6收獲、體會(huì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的建議和展望通過(guò)這次的模擬電路課程設(shè)計(jì)，讓我們學(xué)會(huì)了如何獨(dú)立完成一個(gè)數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這一周多的熬煉讓我感覺(jué)收獲很多。首先，數(shù)字電路是一門(mén)理論性很強(qiáng)，很需要經(jīng)驗(yàn)的一門(mén)學(xué)科，想要學(xué)好它需要付出足夠的努力，要多動(dòng)手才能有收獲，課程設(shè)計(jì)就給了我們一個(gè)很好的實(shí)踐的機(jī)會(huì)， 你需要先查資料 ，然后設(shè)計(jì)方案，最后再進(jìn)行安裝調(diào)試，使我們能夠去真正的來(lái)動(dòng)手獨(dú)立完成整個(gè)過(guò)程，這

16、正是我們所欠缺的。其次，通過(guò)安裝調(diào)試，可以發(fā)現(xiàn)理論上可行的電路很有可能調(diào)試不出結(jié)果，這就需要我們來(lái)對(duì)電路進(jìn)行整體的分析，考慮到各個(gè)環(huán)節(jié)的影響，才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。再次，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)同學(xué)之間的相互合作能夠大大的加快我們?cè)O(shè)計(jì)的過(guò)程，許多資料通過(guò)同學(xué)們之間的資源共享可以達(dá)到事半功倍的效果，這就是我們以后肯定要學(xué)會(huì)的團(tuán)隊(duì)合作的精神，一個(gè)人的思想不可能面面俱到，相互合作就能彌補(bǔ)這種不足。最后，我還想對(duì)該頻率計(jì)提出一些改進(jìn)的建議。我希望該頻率計(jì)不僅能夠測(cè)量方波的頻率，還能夠測(cè)量正弦波、三角波、鋸齒波的頻率，還希望測(cè)試頻率的范圍跟大可以測(cè)到上KHz上Mhz的頻率。課程設(shè)計(jì)是一個(gè)提高我們整體水平的好方法，希望我們以后還有更多的機(jī)會(huì)來(lái)做課程設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.武漢:華中科技大學(xué)出版社，20062 祁存榮.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（數(shù)字電子技術(shù)部分）.武漢理工大學(xué)教材中心，2007 3 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M. 北京：高等教育出版社,2005附錄一：電路總圖附圖一 電路總圖附錄二：元器件名細(xì)表附表一 元器件明細(xì)器件型號(hào)數(shù)量ne555