自動換擋型數(shù)字頻率計設計(純數(shù)字電路)

1、電子技術課程設計實驗報告 題 目: 自動換擋型數(shù)字頻率計 專 業(yè): 級 電子信息工程 姓 名： 學 號： 同組成員： 目錄一、設計目的二、設計目標1、 整體功能要求2、 系統(tǒng)結構要求3、 電氣指標三、方案比較四、理論分析1、 基本原理2、 整體框圖五、單元電路設計和整體電路圖1、 信號整形電路設計2、 時基電路設計3、 閘門電路設計4、 控制電路設計5、 小數(shù)點顯示電路設計6、 整體電路圖六、電路仿真結果記錄及分析七、元器件列表八、心得體會自動換擋型1HZ999KHZ數(shù)字頻率計一、 設計目的本次課程設計主要是配合模擬電子技術和數(shù)字電子技術理論課程而設置的一門實踐性課程，起到鞏固所學知識，加強綜

2、合能力，培養(yǎng)電路設計能力，提高實驗技術，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。二、 設計目標1、整體功能要求頻率計主要用于測量正弦波、矩形波等周期信號的頻率值。2、系統(tǒng)結構要求數(shù)字頻率計（自動換擋）自動輸入信號顯示結果數(shù)字頻率計的整體結構要求如圖所示。圖中被測信號為外部信號，送入測量電路進行處理、測量，自動換擋指的是超量程自動換高檔，低量程自動換低檔。 圖1 系統(tǒng)結構圖3、電氣指標（1）被測信號波形：正弦波、矩形波。（2）被測信號的頻率范圍：1Hz999KHz，共分為4個檔位： 1Hz檔位： 1Hz999HZ10Hz檔位： 10Hz9.99KHZ100Hz檔位： 100Hz99.9KHZ1000Hz檔位：1KH

3、z999KHZ（3）測量精度：用3位數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)，用3個發(fā)光二極管表示單位，分別對應3個高檔位。測量誤差小于10%。（4）具有自檢功能，即用儀器內部的標準脈沖校準測量精度。（5）具有自動換擋功能，即超量程能換高檔，欠量程換低檔。三、方案比較方案一：1、 采用555定時器構成多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ的脈沖信號，然后在通過三個十進制分頻器產(chǎn)生100HZ、10HZ、1HZ的脈沖信號，用74LS151選擇器選擇閘門信號。2、利用二輸入端四與非施密特觸發(fā)器74LS132作為控制電路產(chǎn)生清零、鎖存、計數(shù)信號來控制電路分別輸入到計數(shù)器和鎖存器的對應端口。3、采用74LS160十進制計數(shù)器計數(shù)，送到譯

4、碼器4511BD，4511BD不僅可以把十進制譯成對應的二進制，還具有鎖存的功能，當計數(shù)器計數(shù)的時候數(shù)碼管就不會一直閃，等計數(shù)完成鎖存的是最終結果。4、顯示器使用三個數(shù)碼管，當測量的頻率從999HZ升到1000HZ以后，個位數(shù)就被四舍五入了，即產(chǎn)生了誤差，而且量程越大誤差也越大。5、 自動換擋選用74160N作為自動換擋的核心，A,B,C,D四個信號輸入端全部接地信號輸入數(shù)字頻率計后，從最低擋開始計數(shù)，換擋信號由計數(shù)部分的最高位所用的74160芯片的進位輸出信號作為自動換擋部分74160芯片的CLK信號。方案二：1、采用晶體振蕩器產(chǎn)生1000HZ的脈沖信號。2、用三個JK觸發(fā)器使閘門信號發(fā)生不

5、同的延時再加上幾個非門分別產(chǎn)生清零、計數(shù)、鎖存信號。3、 把鎖存和譯碼分開，用74LS273做鎖存器、7448N做譯碼器。4、自動換擋部分仍然采用方案一的換擋方式。方案三：1、 采用555定時器構成多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ的脈沖信號，但是采用與方案一不同的占空比可調的多諧振蕩器然后在通過三個十進制分頻器產(chǎn)生100HZ、10HZ、1HZ的脈沖信號，用74LS151選擇器選擇閘門信號。2、在設計自動換擋部分時，將計數(shù)電路和換擋電路一起考慮，設置閘門信號時，多一個信號專門用作換擋用。同時，利用芯片74192的移位寄存功能，作超量程能換高檔，欠量程換低檔的核心部分。3、把閘門信號輸?shù)?4LS160的

6、CLK端，把74160的輸出端A、B輸?shù)?4LS139的輸入端，其輸出就能產(chǎn)生計數(shù)、鎖存、換擋、清零控制信號。4、計數(shù)，鎖存，顯示，整形等部分與方案一一致。方案選擇：我們選用的是方案三。用555定時器這個芯片連接構成振蕩器用的器件比較少，連接簡單，使用靈活、方便，而晶體振蕩器由晶體外加許多電容、電感、電阻組成，用的器件多而雜容易接錯。而兩個555定時器構成的多諧振蕩器相比，考慮到數(shù)字頻率計的實際應用的功能拓展，需要對其占空比有所考慮，因而選用方案三的多諧振蕩器?？刂撇糠忠彩?，從設計思路方面講，方案一和方案二都是立足于“先計數(shù)再換擋”的習慣性想法，這無形中給自動換擋部分的實現(xiàn)帶來了麻煩，就是我們

7、需要在各種各樣的信號中選擇信號或者信號的組合以實現(xiàn)換擋功能。而方案三則是在開始設計時就將計數(shù)和換擋放在一起統(tǒng)一考慮，這樣能直接給換擋帶來方便。譯碼器4511BD兼有鎖存的功能，不僅減少了成本，而且使得電路結構簡單不少，而使用其他芯片時則是只能實現(xiàn)其中一種功能，需要使用較多的芯片，而這些在實際情況里帶來的問題是延時和散熱問題。四、理論分析1、 基本原理數(shù)字頻率計用于測量正弦信號、矩形信號等周期信號波形的頻率，其概念是單位時間里的脈沖個數(shù)，如果用一個定時時間T控制一個閘門電路，時間T內閘門打開，讓被測信號通過而進入計數(shù)譯碼，可得到被測信號的頻率fx=，若T=1秒，則fx=N。（1）控制電路原理：

8、控制電路里面要產(chǎn)生計數(shù)清零信號和鎖存控制信號，清零開始鎖存開始，清零結束計數(shù)開始，計數(shù)結束鎖存結束，控制電路還要包括自動換擋。（2）計數(shù)顯示電路原理：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。（3）小數(shù)點顯示原理：當沒有小數(shù)點亮時表示單位為HZ，有小數(shù)點亮的時候表示單位為KHZ，當數(shù)碼管的小數(shù)點控制端口輸入高電平時小數(shù)點自動點亮。（4）自動換擋原理 首先先設定，在顯示部分的三個顯示屏上全部為非零的數(shù)，且計數(shù)最高位的芯片74160N的進位輸出端沒有進位時，認為此時的擋位是合適的擋位。所以，超量程換高檔

9、的原理為：計數(shù)最高位的芯片74160N的進位輸出端有進位時，應該使當前的檔位提高一個檔位增大量程；而欠量程換低檔的原理則是：只要三個顯示器的最高位沒有顯示數(shù)字或者說僅僅是顯示0時即第二個計數(shù)器沒有進位，應該使當前的檔位降低一個檔位減小量程。2、 整體框圖計數(shù)器鎖存器譯碼器時鐘電路10進制分頻器顯示器整形正弦波矩形波自檢控制電路閘門1s0.001s數(shù)字頻率計原理框圖 五、單元電路設計和整體電路圖1、信號整形電路設計 由于我們設計的是要在定時時間T內計算脈沖個數(shù)，而有些信號例如正弦信號、三角波信號就不滿足要求，所以要將這些信號整形后產(chǎn)生同頻率的方波信號才能進入閘門進行計數(shù)。我們讓信號經(jīng)過運放放大，

10、在經(jīng)過一個有555定時器構成的施密特觸發(fā)器就可以達到整形的效果。 圖1-1 信號整形電路圖1-2 正弦波經(jīng)信號整形電路后的方波2、時基電路設計它包括兩個部分：脈沖產(chǎn)生電路和分頻電路脈沖產(chǎn)生電路：它是由555定時器和RC元件組成的振蕩器,要求其產(chǎn)生1000Hz的脈沖.圖中，和是定時電容C的充電電阻，和R4是電容C的放電電阻。當電源接通后放電段截至，通過、和對C充電，電路翻轉時，放電導通，C通過、和放電。輸出端輸出矩形脈沖信號的周期為：頻率為 脈沖產(chǎn)生電路圖為圖2-1 脈沖產(chǎn)生電路 分頻電路：主要由十進制計數(shù)器74LS160組成，因為振蕩器產(chǎn)生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而

11、時基信號要求為0.001s、0.01s、0.1s和1s。脈沖信號經(jīng)過一個74LS160后就被十分頻了，我們用了三個74LS160，所以555產(chǎn)生的1kHz的信號經(jīng)過三次分頻后得到3個74LS160的輸出信號頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz。圖2-2 分頻電路3、 控制信號產(chǎn)生電路把閘門信號輸?shù)?4LS160的CLK端，把74160的輸出端A、B輸?shù)?4LS139的輸入端，其輸出就能產(chǎn)生計數(shù)、鎖存、換擋、清零控制信號。4、 閘門產(chǎn)生和換擋控制電路設計 我們是通過74LS153雙4選一數(shù)據(jù)選擇器來選擇所要的脈沖信號即閘門信號，由74LS153接換擋電路的A,B來對脈沖信號的選擇進行控制。當B

12、A輸入00時74LS151輸出的方波的頻率是1Hz；當BA輸入01時74LS151輸出的方波的頻率是10Hz；當BA輸入10時74LS151輸出的方波的頻率是100Hz，當BA輸入11時74LS151輸出的方波的頻率為1000HZ。然后將74LS151輸出的方波作用到控制信號產(chǎn)生電路的CLK端，將1Y0，1Y1，1Y2，1Y3輸出的信號分別接到相應端口，完成控制功能。同時，如同在換擋原理中所說，計數(shù)最高位的芯片74160N的進位輸出端有進位時，應該使當前的檔位提高一個檔位；而只要三個顯示器的最高位沒有顯示數(shù)字或者說僅僅是顯示0時，應該使當前的檔位降低一個檔位。按照一個控制周期內，計數(shù)，鎖存，換

13、擋，清零的順序依次進行。換擋的實現(xiàn)：首先必須說明,換擋電路（1）中的兩個D觸發(fā)器的應用:當D觸發(fā)器如下圖一樣的連接時，其輸出信號會如此變化：每一個控制周期開始時，前一個周期的清零信號使D觸發(fā)器的輸出端Q=0，=1;之后，第1個脈沖信號輸入時，Q和都會有一個跳變，分別表現(xiàn)為：Q輸出端為向上的跳變，為向下的跳變。另外，換擋電路（2）中的74192N的UP和DOWN的輸入端是上升沿觸發(fā)（1）低檔到高檔：此時計數(shù)最高位的芯片74160N的進位輸出端有進位，計數(shù)中間位的芯片74160N的進位輸出端一直有進位，這時，需要使換擋電路中的UP觸發(fā)，而不能使DOWN觸發(fā)，則決定了要使UP輸入端接的是輸出的信號，

14、因為的輸出信號在第1次進位脈沖輸入時就已經(jīng)完成了向下的跳變，而這不會使DOWN觸發(fā)。同時，在觸發(fā)之后，一直為低電平，和經(jīng)過非門的換擋信號進行與運算之后，仍然輸出為低電平。而與之相反，Q端輸出的波形完成了向上跳變，在和同樣經(jīng)過非門的換擋信號與運算后，一定會有向上的跳變，可以使UP觸發(fā)。（2）高檔換低檔：高位到低位時，計數(shù)最高位的芯片74160N和計數(shù)中間位的芯片74160N的進位輸出端都沒有進位，這時，不能使換擋電路中的UP觸發(fā)，而要使DOWN觸發(fā)。當?shù)妮敵鲂盘栐跊]有進位脈沖輸入時就保持高電平，但在和經(jīng)過非門的換擋信號進行與運算之后，一定會有向上的跳變，可以使DOWN觸發(fā)。同時，Q的輸出信號在沒

15、有進位脈沖輸入時就保持低電平，和換擋信號進行與運算之后，仍然輸出為低電平，沒有跳變，UP沒有觸發(fā)。同時需要對74192N中各個輸入輸出端進行說明：（1） A,B,C,D四個輸入端中，C，D兩個輸入端不用，接地即可，A，B兩個輸入端則是用預先選擇檔位，圖中的A,B兩個輸入端接高電平，表示選擇1000Hz的檔位。（2） QA,QB,QC,QD四個輸出端中，QA,QB直接接到量程選擇電路中數(shù)據(jù)選擇器的A,B端，QC這樣的連接是為了當QA, QB，QC輸出的信號組合將為為001時，保持選擇1000Hz檔位時的結果。（3） B0（或C0）中的輸出信號表示，在QA，QB為00的組合時，不出現(xiàn)11的組合形式

16、（74192N為一個16進制的可逆移位寄存器，所以，在出現(xiàn)低兩位出現(xiàn)00組合時，繼續(xù)減會出現(xiàn)11的組合）。（a） 信號選擇電路 （b）閘門產(chǎn)生電路（c）換擋電路（1）（d）換擋電路（2）圖3-1 信號選擇電路和閘門產(chǎn)生電路 閘門產(chǎn)生電路產(chǎn)生的信號如下圖所示，往下依次為計數(shù)器計數(shù)電路中的PT端控制信號波形、CLR段清零信號波形、4511鎖存端波形，波形CLR低電平的時候，計數(shù)器清零。在一個控制周期內，計數(shù)之前對計數(shù)器進行了清零。根據(jù)4511BD的功能表可以知道，因為74160的PT端為上升沿觸發(fā)，CLR端為下降沿觸發(fā)，4511BD的LE輸入端為下降沿觸發(fā)的特點和在換擋電路對換擋信號的要求，除了清

17、零信號為，其余控制信號全部要通過一個非門之后才能實現(xiàn)其功能。圖3-2 閘門產(chǎn)生電路的輸出信號波形5、 計數(shù)、鎖存、顯示電路 如圖4所示，由于題目所要求的數(shù)碼管數(shù)量和檔位設置計數(shù)部分我們采用了三個十進制計數(shù)器74LS160，鎖存部分用了三個4511BD，顯示部分用了三個7段帶小數(shù)點的數(shù)碼管。三個74LS160的ENP和ENT端均同時接計數(shù)器CP信號，LOAD端均接高電平，CLR均接清零信號，第一個74LS160的CLK端接的是通過閘門的被測信號，而第一個74LS160的進位輸出RCO端接到第二個的CLK端，第二個的RCO端則接到第三個的CLK端。當被測信號進入閘門接到第一個74LS160的CLK

18、端且CP為高電平時計數(shù)器開始計數(shù)，鎖存部分的4511BD兼有鎖存和譯碼的功能，LE端均接鎖存信號，BI、LT端均接高電平，4511BD的輸入端為4個二進制數(shù)通過譯碼后輸出高低不同的電平接至數(shù)碼管控制LED燈的亮與暗而使數(shù)碼管顯示不同的十進制數(shù)。圖4 計數(shù)、鎖存、顯示電路6、量程顯示電路 顯示電路主要是依靠74LS13924譯碼器的作用，當AB的組合為00，01，10和11時，使顯示1Hz,10Hz,100Hz,1000Hz的發(fā)光二極管發(fā)光。6、 自檢電路設計各個開關分別接1KHZ、100HZ、10HZ、1HZ、待測信號，當接到這四個閘門信號的其中一個時都可以作為自檢，只要結果顯示跟接入信號一樣

19、就說明我們的電路設計是正確的。7、 總電路圖6、 電路仿真結果記錄及分析1、 整形電路的調試輸入信號為1000Hz的正弦波信號，輸出的圖形如下：正弦波經(jīng)信號整形電路后的方波2、脈沖產(chǎn)生電路的調試 我們采用一個555定時器和RC電容電阻元件組成一個多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ的方波信號，我們用一個示波器接在555定時器的輸出端測量產(chǎn)生信號的波形，我所設置的橫坐標參數(shù)為1ms/DIV，剛好產(chǎn)生信號的周期為1ms,即f=1000HZ，所以測試結果正確。 脈沖信號波形和測量探針顯示的結果3、 分頻電路的調試 左圖表示的是1Hz的信號和10Hz信號的波形，右圖表示的是100Hz的信號和1000Hz信號的波

20、形，4、 控制電路的測試我們用邏輯分析儀測試芯片74139N的四個個輸出端的波形結果如下圖所示，能夠實現(xiàn)計數(shù)、鎖存、換擋、清零的控制，當計數(shù)器CP信號下降沿時鎖存信號也到達下降沿，計數(shù)、鎖存結束顯示器顯示，測量結果正常?？刂菩盘柌ㄐ?、計數(shù)、鎖存電路的測試將74160的CLR端，LD端都接高電平，3個74160級聯(lián)，構成異步十進制計數(shù)器，同時4511的5端要接0，接好后給最低位的74160一個CP信號，讓函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個適當頻率的方波。這樣，計數(shù)器就開始計數(shù)了。6、顯示電路的測試將4511BD的BI、LT接高電平，LE端接地，2、1、7腳均接高電平，6腳接低電平，二進制數(shù)為0111，即為

21、十進制的7，如圖測試結果顯示為十進制的七，這樣顯示器就可以應用了顯示電路測試連接圖7、 自動換擋電路的測試 （1）、換擋電路1的測試：圖1-1 測試電路 圖1-2 左圖為初始波形，右圖為整體波形從圖中可以清楚的看到：當D觸發(fā)器的CLK輸入端為高電平，且有進位時，Q的輸出信號有一個向上的跳變，之后一直為高電平，而為低電平。圖2-1 測試電路 圖2-2 左圖為初始波形，右圖為整體波形從圖中可以清楚的看到：當D觸發(fā)器的CLK輸入端為低電平，且有進位時，Q的輸出信號為低電平，而有一個向上的跳變，之后一直為高電平。圖3-1 測試電路 圖3-2 左圖為初始波形，右圖為整體波形從圖中可以清楚的看到：當D觸發(fā)

22、器的CLK輸入端為高電平，且沒有進位時，Q的輸出信號為低電平，而有一個向上的跳變，之后一直為高電平。圖4-1 測試電路 圖4-2 左圖為初始波形，右圖為整體波形從圖中可以清楚的看到：當D觸發(fā)器的CLK輸入端低高電平，且沒有進位時，Q的輸出信號為低電平，而有一個向上的跳變，之后一直為高電平。綜上可知：如此連接電路圖時，Q只會在既有進位信號輸入，又是D觸發(fā)器的CLK為高電平時才會觸發(fā)，產(chǎn)生向上的跳變。當CLK輸入為低電平有效時，則是與Q的情況完全相反，則用Q 的輸出信號做高檔換低檔的控制信號，的輸出信號做低檔換高檔的控制信號。可知：自動換擋電路1是可以實現(xiàn)預定的功能的。（2）、自動換擋電路2的測試

23、 調節(jié)各個控制開關，使R=0，“UP”接時鐘脈沖，“DOWN”和“LOAD”接高電平。仿真開始，計數(shù)器工作在十進制加法模式，由“9 0”，且在“CO”端產(chǎn)生進位信號，進位邏輯指示燈亮；重新 調節(jié)各個控制開關，使R=0，“DOWN”接時鐘脈沖，“UP”和“LOAD”接高電平。仿真開始，計數(shù)器工作在十進制減法模式，在“ 0 9”之間來回變換。7、 元器件列表：八、心得體會 經(jīng)過三個星期的努力研究，我們小組終于順利設計出了數(shù)字頻率計。這個過程當中，每一次的小小突破，都給我們帶來巨大的喜悅，真可謂皇天不負苦心人，三個星期來的汗水沒有白流。這次課程設計給了我們一次鍛煉自己，提高自己動手和思考分析以及解決問題的能力，我們不僅收獲了