數(shù)字電路課程設計報告—數(shù)字頻率計設計報告

1、. 課題：數(shù)字頻率計摘要本文介紹了一種基于TTL系列芯片的簡易數(shù)字頻率計。數(shù)字頻率計應用所學的數(shù)字電路知識進展設計。電路由放大整形電路、時基電路、邏輯控制電路、計數(shù)鎖存電路及譯碼顯示電路組成。能夠較精準的測量幅值在0.2V5V的正弦波、三角波、方波的頻率。測量圍能夠到達1Hz9999Hz。關鍵詞：頻率計，TTL芯片，數(shù)字電路AbstractIn this paper,a design of simple digital cymometer based on the TTL serises chips was described.This design is based on the knowl

2、edge about the digital circuit we learned.It consists of amplifier and shaping circuit , time-base circuit, control circuit, latch circuit and decoding count show circuit.It can be used to accurately detect the frequency of sine wave, triangle wave and square wave accurately that the amplitude is be

3、tween 0.2V and 5V. Detecting range can be achieved 1Hz 9.99kHz.Key words: cymometer, the TTL series chips,digital circuit目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc234898046摘要 PAGEREF _Toc234898046 h IHYPERLINK l _Toc234898047關鍵詞 PAGEREF _Toc234898047 h IHYPERLINK l _Toc234898048Abstract PAGEREF _Toc234898048

4、h IIHYPERLINK l _Toc234898049引言 PAGEREF _Toc234898049 h 1HYPERLINK l _Toc2348980501總體方案設計 PAGEREF _Toc234898050 h 2HYPERLINK l _Toc2348980512單元電路設計 PAGEREF _Toc234898051 h 3HYPERLINK l _Toc2348980522.1放大整形電路 PAGEREF _Toc234898052 h 3HYPERLINK l _Toc234898053方案一 PAGEREF _Toc234898053 h 3HYPERLINK l _

5、Toc234898054方案二 PAGEREF _Toc234898054 h 4HYPERLINK l _Toc234898055方案比照 PAGEREF _Toc234898055 h 4HYPERLINK l _Toc2348980562.2時基電路 PAGEREF _Toc234898056 h 5HYPERLINK l _Toc234898057方案一 PAGEREF _Toc234898057 h 5HYPERLINK l _Toc234898058方案二 PAGEREF _Toc234898058 h 5HYPERLINK l _Toc234898059方案比照 PAGEREF

6、_Toc234898059 h 6HYPERLINK l _Toc2348980602.3邏輯控制電路 PAGEREF _Toc234898060 h 6HYPERLINK l _Toc2348980612.4計數(shù)器 PAGEREF _Toc234898061 h 7HYPERLINK l _Toc2348980622.5鎖存器 PAGEREF _Toc234898062 h 8HYPERLINK l _Toc2348980633主要參數(shù)計算 PAGEREF _Toc234898063 h 9HYPERLINK l _Toc2348980643.1時基電路參數(shù) PAGEREF _Toc2348

7、98064 h 9HYPERLINK l _Toc2348980653.2邏輯控制電路 PAGEREF _Toc234898065 h 9HYPERLINK l _Toc2348980664總體電路設計 PAGEREF _Toc234898066 h 10HYPERLINK l _Toc2348980675仿真結果 PAGEREF _Toc234898067 h 12HYPERLINK l _Toc2348980686實物測試結果分析 PAGEREF _Toc234898068 h 14HYPERLINK l _Toc2348980697體會與心得 PAGEREF _Toc234898069

8、h 15HYPERLINK l _Toc2348980708參考文獻 PAGEREF _Toc234898070 h 16HYPERLINK l _Toc234898071附錄一電路實物圖 PAGEREF _Toc234898071 h 17HYPERLINK l _Toc234898072附錄二元件清單 PAGEREF _Toc234898072 h 18. 引言在電子技術中，頻率是一個重要參量。應用計數(shù)法原理制成的數(shù)字式頻率測量儀器具有準確度高，測頻圍寬，便于實現(xiàn)測量過程自動化等一系列突出特點，所以數(shù)字式頻率測量計(簡稱數(shù)字式頻率計)已成為目前測量頻率的主要儀器?？傮w方案設計圖1 組成框圖

9、25放大整形電路鎖存器邏輯控制電路閘門電路譯碼顯示器計數(shù)器時基電路12326被測信號經(jīng)過放大整形整形之后變成計數(shù)器所要求的脈沖信號1。標準時間基準信號2由時基電路提供其高電平持續(xù)時間為1s，計數(shù)器對1s時間中的脈沖計數(shù)，當1s信號完畢時，時基電路產(chǎn)生信號2，閘門電路關閉，邏輯控制電路產(chǎn)生鎖存信號6是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定，清零信號5是計數(shù)器從0開場計數(shù)。假設在閘門時間1s計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N，則被測信號頻率為N(Hz)。各信號的時序圖如圖二所示。圖2 波形關系單元電路設計放大整形電路對信號的放大功能由三極管構成放大電路來實現(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)器電路是一種特殊的數(shù)

10、字器件，一般的數(shù)字電路器件當輸入起過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當輸入小于這個閾值時，轉變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)，而施密特觸發(fā)器不是單一的閾值，而是兩個閾值，一個是高電平的閾值，輸入從低電平向高電平變化時，僅當大于這個閾值時才為高電平，而從高電平向低電平變化時即使小于這個閾值，其仍看成為高電平，輸出狀態(tài)不這；低電平閾值具有一樣的特點。方案一放大整形電路由三極管與與非門組成。三極管構成的放大器將輸入頻率為f* 的周期信號如正弦波、三角波、等進展放大。將電源電壓設為5V,當輸入信號幅值比擬大時，會出現(xiàn)線性失真，將放大后的波形幅度控制在5V以。與非門構成施密特觸發(fā)器對放大器的輸出信號進展整形，使之成為矩形脈沖

11、。電路圖如圖3所示。圖3 放大整形電路方案二放大局部同方案一，整形局部是由555構成的施密特整形電路。電路圖如圖4所示。方案比照用與非門構成的施密特觸發(fā)器因為閾值電壓易受受溫度、電源電壓及干擾的影響，穩(wěn)定性較差。而555定時器的比擬器靈敏度高，輸出驅(qū)動電路大，并且且555定時器構成的施密特觸發(fā)器構造簡單，而且抗干擾能力比用與非門構成的施密特觸發(fā)器要強，因此選用方案二。圖4 555構成的施密特觸發(fā)器圖5 時基電路時基電路方案一時基電路的作用是產(chǎn)生一個標準時間信號高電平持續(xù)時間為1s可用定時器555構成的多諧振蕩器作為時基電路。多諧振蕩器又稱矩形波發(fā)生器，電路不具有穩(wěn)定狀態(tài)，但是具有兩個暫穩(wěn)態(tài)，當

12、電路由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)是，其觸發(fā)信號是由電路部電容充放電提供的，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)之間來回轉換。在此方案中時基信號2由引腳3輸出。脈寬由電阻R1、R2及電容C4決定。電路圖如圖5所示。555定時器部的比擬器靈敏度高，而且采用差分電路形式，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。方案二時基電路可用晶體振蕩器和分頻器構成。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。方案比照方案一中晶振分頻產(chǎn)生標準時間精度要高于方案二中的555多諧振蕩器產(chǎn)生的標準時間。但是555定時器電路元件

13、較少，構造簡單使用較方便。而且由于設計要求精度不是很高，所以采用方案二。邏輯控制電路根據(jù)圖2所示波形，在時基信號2完畢時產(chǎn)生的下跳沿來產(chǎn)生鎖存信號6,鎖存信號6的下跳沿又用來產(chǎn)生清零信號5.脈沖信號6和5可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度有電路的時間常數(shù)決定。電路如圖6所示。圖6 控制電路74LS123的功能表如下：由74LS123的功能表可得當MR=B=1、觸發(fā)脈沖從A端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出端Q可獲得一個正脈沖，端可獲得一負脈沖。74LS123的12、13引腳的輸出的波形關系正好滿足圖2所示波形5和6要求。手動復位開關S按下時，計數(shù)器清零。輸入MR011

14、A100B011輸出Q000正脈沖正脈沖正脈沖111負脈沖負脈沖負脈沖表1 74LS123的功能表計數(shù)器該局部常用的二五十進制異步計數(shù)器74LS90。將Q0與 CPB相連，脈沖從CPA輸入，構成8421BCD碼十進制計數(shù)器。其功能表如表2所示R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)Q3Q2Q1Q01100000110000011100100計數(shù)000000表2 74LS90功能表當R9(1)R9(2)=0，且R0(1)R0(2)=0時，計數(shù)器工作。計數(shù)器電路如圖7所示，R9(1)=0，R0(1)=SIGNAL5(SINGAL5為邏輯控制電路產(chǎn)生的清零信號)。CPA輸入要計數(shù)的脈沖。計數(shù)電路如圖

15、7所示。圖7 計數(shù)鎖存譯碼顯示電路鎖存器在1s的標準時間信號高電平完畢時，鎖存器將計數(shù)器此時所計得的數(shù)進展鎖存，使顯示器上能夠穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。如圖2所示1s計數(shù)時間完畢時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號6，將此時計數(shù)器的值送譯碼顯示器?？蛇x用8D鎖存器74LS273可以完成上述功能。當時鐘脈沖CP的正跳變到來時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖完畢后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)人保持原來的狀態(tài)不變。所以在計數(shù)期間，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼器顯示器，即顯示器的示數(shù)不會變。計數(shù)鎖存譯碼顯示電路如圖7。主要參數(shù)計算時基電路參數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時基信號高

16、脈沖持續(xù)時間為，令低脈沖信號持續(xù)時間為,則振蕩器的頻率為由公式：可計算出電阻、及電容C的值。假設取電容，則取R2 39K；，取邏輯控制電路鎖存信號6和清零信號5脈沖的總的寬度要小于時基信號負脈沖的寬度。令鎖存信號和清零信號的脈沖寬度均為，則由公式，取電阻，則，取標稱值總體電路設計被測信號經(jīng)由晶體管3DG100組成的放大器放大后，送到由555構成的施密特觸發(fā)器的輸入端進展整形，使之成為計數(shù)器所要求的脈沖信號。由于放大電路的電源值為5V,所以輸入信號比擬大時，會出現(xiàn)線性失真，放大后的信號不會太大，超過5V。當時基脈沖處于高電平時，閘門電路翻開，計數(shù)器對輸入的脈沖進展計數(shù)。總電路圖如圖8所示。圖8

17、頻率計總電路圖時基脈沖高電平持續(xù)時間是1s。當1s計數(shù)完畢時，閘門關閉，計數(shù)停頓；74LS123的13引腳產(chǎn)生一個正脈沖，脈沖送到鎖存器的時鐘脈沖輸入端，鎖存器將計數(shù)器此時的結果鎖存并顯示。此時顯示的數(shù)字就是被測信號的頻率。74LS123的13引腳產(chǎn)生的正脈沖下調(diào)時，74LS123的12引腳產(chǎn)生一個負脈沖，對計數(shù)器進展清零。鎖存和清零的全過程必須在時基信號處于低電平時完成，即在時基信號下一個高電平到來之前，74LS123的12引腳產(chǎn)生的負脈沖完畢，恢復到高電平。如果在時基信號下一個高電平到來以后74LS123的12引腳產(chǎn)生的負脈沖才完畢，則計數(shù)器計的計算的將是少于1s的時間的脈沖個數(shù)，最后顯示

18、將小于實際值。仿真結果在軟件Protus中畫好電路圖進展仿真。開場的仿真結果并不正確，顯示的頻率和設定的輸入信號頻率差距很大，例如輸入信號頻率設為100Hz,顯示數(shù)值為46。經(jīng)過觀察各個功能模塊的輸出，通過分析發(fā)現(xiàn)問題出在控制電路產(chǎn)生的鎖存信號和清零信號的脈沖寬度上，經(jīng)過閘門電路后的信號、時基信號、鎖存信號和清零信號的波形圖如圖9所示圖9 信號時序圖波形從上到下依次為經(jīng)過閘門電路后的信號、時基信號、鎖存信號和清零信號。當時基信號的1s高電平完畢時，鎖存信號上跳，計數(shù)結果顯示在數(shù)碼管上，當鎖存信號下跳，清零信號上跳，計數(shù)器清零端置1，直到清零信號脈沖完畢，計數(shù)重新開場。從圖9中可以看出，清零信號

19、脈沖完畢之前，時基信號早已處于高電平，所以計數(shù)不是從時基信號上跳時開場計數(shù)的，當1s的時基信號高脈沖還沒完畢時，清零信號又處于高電平狀態(tài)。顯示結果當然不正確。檢查邏輯控制局部電路，線路并沒有連接錯誤，將元件參數(shù)改小一些后，結果還是沒有錯誤。最后決定將時基信號低電平時間延長，設為2s。由于555定時器組成的多諧振蕩器輸出信號低電平持續(xù)時間是小于高電平持續(xù)時間的，所以在振蕩器的輸出加了一個反相器，以到達目的。修改電路后仿真的結果如下：波形正弦波三角波幅值0.550.2頻率110001909010999顯示數(shù)字19991908210波形三角波方波幅值5V0.25頻率10050001900019998

20、顯示數(shù)字10049991899319990當誤差最大時，準確度為0.008因為74LS計數(shù)器是異步計數(shù)器，所以頻率越高計數(shù)速度越慢。實物測試結果分析對所做實物進展測試時采用了先整體后局部的測試方法。整體測試：對電路進展整體測試時，數(shù)碼管顯示亂碼，沒有實現(xiàn)對頻率進展測量的功能。故對電路進展分級測試，查看各局部功能是否實現(xiàn)。局部測試：由555定時器構成的時基電路實現(xiàn)設計所要求的矩形波發(fā)生器這一功能，高電平持續(xù)時間為1s，低電平持續(xù)時間為2s；由555定時器構成的施密特觸發(fā)器實現(xiàn)了對波形進展整形的功能；基于74LS273的鎖存電路局部能夠?qū)崿F(xiàn)對計數(shù)信號的鎖存；基于74LS48的譯碼顯示電路局部能夠?qū)?/p>

21、現(xiàn)對鎖存信號的譯碼顯示功能。此外，由3DG130構成的放大電路，基于74LS90的計數(shù)電路和基于74LS00的清零電路都因為存在細節(jié)問題而暫時實現(xiàn)不了各自的功能，有待進一步檢查修改。體會與心得在這次數(shù)字電子技術課程設計中，雖然應用的都是在書本上學過的知識，但是只有應用到實際中才算真正的學懂了這些知識。本次數(shù)字頻率計的涉及到了三極管放大電路、555應用，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時應用，時序電路的計數(shù)、鎖存，組合電路的譯碼顯示等。涉及了數(shù)電所學的大局部容。通過這次課程設計實踐穩(wěn)固了學過的知識并能夠較好的利用。這對自己是一次很好的實踐鍛煉時機。課程設計實踐不單是將所學的知識應用于實際，在設計的過程中，只擁有理論知識是不夠的。邏輯思維、電路設計的步驟和方法、考慮問題的思路和角度等也是很重要，需要我們著重注意鍛煉的能力。在這次設計中還發(fā)現(xiàn)理論與實際常常常