數(shù)字電路頻率計課設(shè)說明書.

1、1. 設(shè)計任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)和要求 12. 總體設(shè)計方案 12.1設(shè)計思路 12.2設(shè)計方案和原理框圖 12.3方案比較 23. 電路設(shè)計 33.1放大整形電路 33.2時基電路 53.3計數(shù)譯碼顯示電路 83.4報警電路 113.5閘門電路 124. 組裝調(diào)試 125. 心得體會 14參考文獻(xiàn) 15附錄I總電路圖 16附錄U元件清單 17圖2-2 555時基電路#1.選題背景數(shù)字頻率計是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器，其功能是測量正 弦信號，方波信號，尖脈沖信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量，因此已經(jīng)成為電 路設(shè)計的常用器件之一，它有不可取代的地位。在電子技術(shù)中，頻率與許

2、多電參量的測量 方案，測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法 有多種，其中數(shù)字計數(shù)器測量頻率具有精度高，使用方便，測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量 過程自動化等優(yōu)點，是測量頻率的重要手段之一。1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個能夠測量正弦波信號頻率的電路。具體要求如下：（1）測頻范圍為0999Hz精度為1Hz。（2）用數(shù)碼管顯示測頻結(jié)果。（3）設(shè)有超量程顯示（信號頻率=1KHZ時）。發(fā)揮部分：進(jìn)一步擴(kuò)大頻率計的測評范圍，設(shè)計超量程換擋。說明：在輸入正弦波信號峰值為100mv的情況下測試2總體設(shè)計方案2.1設(shè)計思路：頻率，是單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，所以我們的設(shè)計是將輸入的

3、信號進(jìn)行放 大整形之后輸入到計數(shù)器，計算出一秒內(nèi)通過的脈沖數(shù)量，然后經(jīng)由譯碼器將對應(yīng)的頻率 通過數(shù)碼管顯示出來。2.2設(shè)計方案和原理框圖:我們打算采用數(shù)電技術(shù)來完成設(shè)計，該數(shù)字頻率計主要由放大整形電路、閘門電路、時基電路、計數(shù)器電路、譯碼顯示電路幾部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖:被測信號X»放大整型電路Y七段顯碼管譯碼器計數(shù)器時基電路Z從原理圖可知，被測信號X在不影響其頻率的情況下經(jīng)放大整形電路變成計數(shù)器需求 的方波信號丫。由555構(gòu)成的多諧振蕩器提供標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號 Z,信號Z經(jīng)主控電路產(chǎn) 生門控脈沖A,方波時基信號A作為閘門的一個輸入端，控制閘門的開放時間，被測信號 X從閘門另一端輸入，

4、被測信號頻率為 f,閘門寬度為T,若在閘門時間內(nèi)計數(shù)器計得的脈 沖個數(shù)為N,則被測信號頻率f=N/THz。邏輯控制電路的作用有兩個：一是控制4511譯碼器對顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存；二是控制計數(shù)器的清零，保證下一次計數(shù)從零開始。1）放大整形電路的選擇對信號的放大功能由三極管放大電路實現(xiàn)，對信號整形的功能由施密特觸發(fā)器來實 現(xiàn)。施密特觸發(fā)器是一種特殊的數(shù)字器件，一般的數(shù)字器件當(dāng)輸入超過一定的閾值，其輸 出一種狀態(tài)，當(dāng)輸入小于這個閾值時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)。方案一：放大電路采用TL082二級運(yùn)放來實現(xiàn)，整形電路則采用 4093,即帶有施密特 觸發(fā)器的與非門。方案二：放大電路同樣采用 TL082二級運(yùn)放，在整

5、形方面可以采用 555構(gòu)成的施密特 觸發(fā)器來達(dá)成。2）時基電路的選擇方案一：時基電路的作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的時間信號（高電平持續(xù)時間為1s）可用555構(gòu)成的多諧振蕩器作為時基電路。多諧振蕩器又稱方波發(fā)生器，電路不具有穩(wěn)定的狀 態(tài)，但是具有兩個暫穩(wěn)態(tài)，當(dāng)電路由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)時，其“觸發(fā)”信號 是由電路內(nèi)部充（放）電提供的，因此無需外部觸發(fā)脈沖，電路工作就是在兩個暫穩(wěn)態(tài)之 間來回轉(zhuǎn)換，其脈寬由電阻和電容決定。用 555定時器組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電 源電壓和溫度變化的影響很小。其電路圖如下：51K14KTRIGCVolta百THR圖2-2 555時基電路2方案二：時基電路可用晶體

6、振蕩器和分頻器構(gòu)成。晶振頻率取32768Hz晶振產(chǎn)生脈沖經(jīng)分頻器14級二分頻后輸出2Hz脈沖（高低電平各持續(xù)1s）。2.3方案比較1）放大整形電路方案比較555定時器的靈敏度較高，輸出驅(qū)動電路大，但考慮到涉及的是簡易頻率計對精度要 求不高英雌沒必要使用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，而且用 4093直接整形相比而言使 電路更加簡易因此選用方案一2）時基電路方案比較方案二晶振分頻產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時間精度要高于方案一中的555多諧振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時間。但是555定時器電路元件較少結(jié)構(gòu)簡單使用方便，而且由于設(shè)計要求精度不是很高， 所以選用方案一。3. 電路設(shè)計本次設(shè)計電路由以下幾部分構(gòu)成：1）放大整型電路：

7、對被測信號進(jìn)行放大然后整形為方波；2）時基電路：產(chǎn)生一個高電平時長為 1s的信號；3）閘門電路：通過時基電路產(chǎn)生的時基信號來控制計數(shù)器的計數(shù)清零以及譯碼器的 鎖存；4）計數(shù)譯碼顯示電路：計數(shù)器計算脈沖數(shù)量然后輸入到譯碼器，把十進(jìn)制計數(shù)器計 數(shù)結(jié)果譯成BCD碼，然后通過數(shù)碼管顯示出來。5）報警電路：在測量時如果被測信號的頻率超出量程，則會給予警示 3. 1放大整形電路放大整形電路作用是將測試信號放大整形成相應(yīng)的方波脈沖作為計數(shù)脈沖，其電路圖如圖3-1所示：圖3-1放大整形電路放大整形電路采用TL082運(yùn)算放大器，由于輸入信號幅值為100mV左右，所以這里采 用雙級放大，共需放大 50倍。由運(yùn)放虛

8、短虛斷性質(zhì)知：放大倍數(shù) =R2/R1*R4/R3,從而選 R1=R3=10K R2=100K R4=50K為保證零輸入運(yùn)放平衡同相輸入所接電阻取 R5=R6=10K其引腳圖以及仿真波形圖如下圖所示（波形圖由上至下依次為被測信號，一級放大， 二級放大）：1OUT VCC +1IN-2 1|2OUT1IN+ 36|2IN-Vcc-45|2IN +圖3-2 TL082引腳圖及仿真波形圖CD4093是集成施密特觸發(fā)器，它由四個 2輸入端施密特觸發(fā)器電路組成。每個電路均 為在兩輸入端具有施密特觸發(fā)功能的 2輸入與非門。4093用于對放大器的輸出信號進(jìn)行整 形，使之成為對應(yīng)的矩形脈沖。4093接法及仿真波

9、形：圖3-3 4093接法及仿真波形45其引腳圖為3-1-4所示:圖3-4 4093引腳圖FUNCTIONAL DIAGRAM#32時基電路時基電路主要產(chǎn)生1S的時基信號，這里采用了由555集成芯片構(gòu)成的多諧振蕩器集 成芯片。555是一種能夠產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號的控制電路，是數(shù)字、模擬混合型 的中規(guī)模集成電路。電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成多諧振蕩 器，廣泛應(yīng)用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。-5VTRIGCVoltn百THRC1 lOyF圖3-5時基電路電源接通時，555的3腳輸出高電平，同時電源通過 R1、R2向電容C2充電，當(dāng)C2上的電壓到達(dá)555集成電路6腳

10、的閥值電壓（2/3電源電壓）時，555的7腳把電容里的電 放掉，3腳由高電平變成低電平。當(dāng)電容的電壓降到1/3電源電壓時，3腳又變?yōu)楦唠娖?同時電源再次經(jīng)R1、R2向電容充電。這樣周而復(fù)始，形成振蕩。根據(jù)設(shè)計需要，該多諧 振蕩器應(yīng)輸出一個高電平持續(xù)時間 T1為1s的方波信號，而低電平持續(xù)時間 T2合理即可 振蕩周期T=T1+T2充電時間：T1=(R1+R2)*C2* In2放電時間：T2=R2*C2* In2經(jīng)計算我們決定采用：R仁50K R2=14K C2=22卩F3.3計數(shù)譯碼顯示電路74LS160是中規(guī)模集成同步十進(jìn)制加法計數(shù)器，具有異步清零和同步預(yù)置數(shù)的功能， 通過置零法或置數(shù)法可以實

11、現(xiàn)任意進(jìn)制的計數(shù)，所以我們采用了 74LS160作為十進(jìn)制計數(shù) 器。根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求最大輸入信號頻率為 999Hz,而且需要達(dá)到超量程顯示的功能故選 4個74LS160計數(shù)器，其引腳及功能如圖：ci«k0Pk*vtiuuC*frj O*ip«'T Viv«圖3-7 74LS160引腳圖1) RCO為進(jìn)位輸出端，當(dāng)計數(shù)達(dá)到進(jìn)位時從該端輸出信號至下一位計數(shù)器，即可達(dá)到進(jìn)位計數(shù)；2) ENP和ENT為計數(shù)控制端，LOAD為同步并行置入端(低電平有效)，當(dāng)它們都為高電平 時計數(shù)器可以從0000開始計數(shù)直到1111然后進(jìn)位；3) QA,QB,QC,Q為輸出端分別與4

12、511譯碼器的A,B,C,D連接；4) CLK為時鐘輸入端，時基電路產(chǎn)生的時基信號和被測信號通過與非門后接入CLK當(dāng)它為高電平時開始計數(shù)低電平時停止計數(shù)；5) CLR為異步清零端(低電平有效)當(dāng)它為低電平時計數(shù)器清零。表3-1 74LS160引腳及其功能圖輸入輸出CLKCLRLOADENPENTABCDQAQBQCQDX0XXXXXXX0000高10XXabcdabcdX1101XXXX保持X11X0XXXX保持高1111XXXX計數(shù)譯碼驅(qū)動電路使用CD4511 CD4511譯碼器用于驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管，它是將鎖存、 譯碼、驅(qū)動三種功能集于一身的電路。CD4511引腳圖為：TOPIJ.i

13、圖3-8 CD4511引腳圖1) AD為二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端；2) BL為輸出消隱控制端，低電平時各筆段均消隱；3) LE為數(shù)據(jù)鎖定控制端，高電平時鎖存，低電平時正常傳輸數(shù)據(jù)；8, 各4) LT為測試端，當(dāng)輸入高電平時顯示器正常顯示，輸入低電平時顯示器一直顯示 筆段均被點亮，以檢測顯示器是否故障；5) VDD和VSS分別為電源端和接地端；6) ae為數(shù)據(jù)輸出端，用來控制顯示器的各個筆段。其真值表如下：表3-2 CD4511真值表輸入輸出LEBLLTDCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隱01100001111110001100010110000101

14、10010110110120110011111100130110100011001140110101101101150110110001111160110111111000070111000111111180111001111001190111010000000001110110000000消011110000000000111101000000001111100000000隱01111110000000111XXXX鎖存8由于最大量程為999Hz所以在顯示方面我們使用了三個七極共陰式數(shù)碼管其引腳圖如下:圖3-9七極共陰數(shù)碼管引腳圖9#3.4報警電路本設(shè)計要求最大顯示值為 999Hz當(dāng)超出該值

15、應(yīng)有報警顯示超量程，為了簡化報警電路我們使用了一個發(fā)光二極管，為使二極管在計數(shù)器剛好計到1000時發(fā)光，應(yīng)在最后一位計數(shù)器后再串行一個計數(shù)器，然后再接一個譯碼器，利用譯碼器的鎖存功能將超量程顯 示與數(shù)據(jù)一起鎖存住，發(fā)光二極管接到該譯碼器的b或者c輸出端，這樣當(dāng)超出量程時，226二IN A SEG A IN B SEG E IN C SEG C IN _ SEGD LE STB SEGE BLK SEGF LT SEGG譯碼器輸出對應(yīng)數(shù)字1的信號，即b，c端為高電平可以將發(fā)光二極管點亮。nHGNDTo9LEDT?4511圖3-10報警電路電路圖3.5閘門電路閘門電路需要一個非門和一個與非門，與非

16、門采用 74HC00其輸入分別接整形后的被 測信號和時基信號，輸出接計數(shù)器 CLK腳；當(dāng)時基信號輸出高電平時，閘門打開，計數(shù)器 可以接收到被測信號并且開始計數(shù)，輸出低電平時閘門關(guān)閉計數(shù)器停止計數(shù)并清零。非門采用40106輸入接時基信號，輸出接譯碼器的鎖存腳 LE,用來控制數(shù)據(jù)的鎖存, 當(dāng)其為高電平時正常計數(shù)，低電平時鎖存數(shù)據(jù)。其引腳圖如下：圖3-11 40106引腳圖j3 vcc回柱12 4A00TjlVTo旺T| 3AT13Y圖3-12 74HC00引腳圖4. 組裝調(diào)試1. 通電準(zhǔn)備打開電源之前，先按照系統(tǒng)原理圖檢查制作好的電路板的通斷情況，并取下電路板上 的芯片，然后接通電源，用萬用表檢查

17、板上的各點電源電壓值，確認(rèn)無誤之后再關(guān)掉電源,插上芯片。2. 單元電路檢測1）基準(zhǔn)時間檢測依次用示波器檢測由555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的基準(zhǔn)時間和輸出波形。輸出波形應(yīng) 為高電平寬度為1s的信號，如果波形寬度不對，則調(diào)整電容 C;如果輸出時間不對，則調(diào) 整R1, R2;如果無輸出波形，應(yīng)對555各引腳的電平或信號波形進(jìn)行檢測。2）輸入檢測信號從被測信號輸入端輸入幅值在100mV左右頻率為100Hz左右的正弦信號，如果電路正 常，數(shù)碼管可以顯示被測信號的頻率。如果數(shù)碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號 頻率，則作進(jìn)一步檢測。3）輸入放大與整形電路檢測用示波器同時觀測輸入信號與整形電路CD4093

18、的輸出波形，正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號幅值為 5V左右的矩形波。如觀測不到輸出波形，或觀測到的波 形形狀與幅值不對，則應(yīng)檢測兩級放大電路，用示波器觀察放大器TL082 二級輸出端電壓是否滿足要求，然后消除故障。4）計數(shù)器電路的檢測依次檢測4個計數(shù)器74IS160時鐘端的輸入波形，正常時，相鄰計數(shù)器時鐘端的波形 頻率依次相差10倍。如頻率關(guān)系不一致或波形不正常，則應(yīng)對計數(shù)器和反饋門的各引腳 電平與波形進(jìn)行檢測。正常情況各電平值或波形應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。通過檢測與 分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測鎖 存器電路。5）顯示譯碼電路與數(shù)碼

19、管顯示電路的檢測首先檢測顯示譯碼器CD4511各控制端與電源端引腳的電平，其次對LT端輸入高電平, 如果數(shù)碼管顯示為8,則數(shù)碼管與譯碼器連接正常，如發(fā)現(xiàn)故障，首先檢測故障筆段與譯 碼器對應(yīng)引腳的連接，其次檢測數(shù)碼管各段對應(yīng)引腳的電平及公共端的電平。通過檢測與 分析找出故障。6）系統(tǒng)調(diào)試在放大電路輸入端加入 Vpp=100mV, f=100Hz的正弦信號，用示波器觀察放大電路和 整形電路的輸出波形，顯示應(yīng)為100Hz的方波信號，顯示器上的讀數(shù)應(yīng)為 100Hz。再輸入頻率為999Hz的正弦信號，以此來確定頻率計的最大量程，以及誤差的大小。最后輸入1000Hz以上的正弦信號，以此來檢測頻率計的超量程

20、顯示功能，如果工作 正常則發(fā)光二極管會被點亮5. 心得體會總體來說我們這次的課程設(shè)計是比較成功的，在整個設(shè)計過程中我們也遇到了各種各 樣的問題和挫折，最初，在仿真電路成功的基礎(chǔ)上我們依舊無法成功的完成設(shè)計，后來經(jīng) 過我們多方查證各種資料，根據(jù)實際情況對元件和電路圖進(jìn)行了數(shù)次調(diào)整和測試才徵宮的 完成了我們的設(shè)計。我們的電路在總體設(shè)計上來看是比較簡潔明了的，而且在電路原理上也盡量進(jìn)行了簡 化，但是由于現(xiàn)實中元件的限制導(dǎo)致我們的實驗結(jié)果缺乏一定的精確度，不過我們還是可 以滿足設(shè)計要求的準(zhǔn)確度的，而且由于設(shè)計方面的缺陷我們設(shè)計的頻率計并不能手動控制 工作，而且在報警電路的部分設(shè)計的并不完美，額外使用了

21、一個譯碼器，造成了一定程度 上的浪費，在這方面我們?nèi)孕柽M(jìn)一步的改進(jìn)。我們的設(shè)計出現(xiàn)問題最多的地方就是時基電路的部分，我們一方面要控制時基電路輸 出正確的信號，這是比較復(fù)雜的一部分，我們既要考慮到現(xiàn)實元件的限制也要考慮到實驗 的需求，為了同時滿足這兩點我們不停地試驗了近十種電容和電阻的組合，最終才找到了 比較完美的一種。電子技術(shù)課程設(shè)計是電子技術(shù)課程的實踐性環(huán)節(jié)，這次頻率計的設(shè)計不僅綜合了數(shù)字 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的基本理論知識，而且還需要獨立思考的能力，并要求具有較強(qiáng)的動手 能力，因此做好這個課題設(shè)計受益非淺。下面就本次課程設(shè)計的收獲和體會做幾點總結(jié)。在設(shè)計電路圖的過程中，對數(shù)模電相關(guān)知識進(jìn)行了一

22、次全面系統(tǒng)地復(fù)習(xí)，并通過查閱 資料掌握了一些常用元器件的功能及用法。繪制電路的過程中，學(xué)習(xí)了一些重要軟件如 proteus、multsim、protel的使用方法， 同時也在無形中加強(qiáng)了分析器件、分析電路圖的能力。組裝調(diào)試過程是最費時間的一個階段，它需要我們各方面的綜合能力，對原理是不是 清楚，對芯片的工作狀態(tài)是不是了解，以及分析解決問題的能力。這次的課設(shè)，讓我深深的感悟到課本上的知識只是理論，只看書思維永遠(yuǎn)只定格在了“廣”，而無法對其真正的了如指掌，運(yùn)用自如，做到“精”。實踐恰恰為我們提供了一個 從“廣”到“精”的平臺，在實踐中，讓我們深刻的了解和掌握諸如各種器件的性能、用 法及應(yīng)注意事項。課設(shè)期間，不僅僅是實踐的重要時刻，更是我