简易频率计的设计仿真与制作.docx

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简易频率计的设计仿真与制作

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

信息工程学院

题目:

简易频率计的设计仿真及制作

初始条件：

本设计既可以使用集成脉冲发生器、计数器、译码器、单稳态触发器、锁存器、放大器、整形电路和必要的门电路等，也可以使用单片机系统设计。

用数码管显示频率计数值。

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：

1周内完成对简易频率计的设计、仿真、装配及调试。

2、技术要求：

设计一个频率计。

要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000。

测量频率范围：

10~9999。

③测量信号类型：

正弦波、方波和三角波。

④测量信号幅值：

0.5~5V。

⑤设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S。

⑥确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

1）2010年6月26~27日，查阅相关资料，学习设计原理。

2）2010年6月28~30日，方案选择和电路设计仿真。

3）2010年7月1~3日，电路调试和设计说明书撰写。

4）2010年7月4日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

简易频率计的设计仿真及制作

1软件介绍……………………………………….3

2设计要求…………………………………………………4

2.1整体功能要求……………………………………………4

2.2系统结构要求………………………………………………...4

2.3测试指标………………………………………………………4

3单元电路设计及分析…………………………………..5

3.1数字频率计的基本原理………………………………………5

3.2数字频率的设计………………………………………………6

3.2.1放大整形电路……………………………………………………6

3.2.2时基电路…………………………………………………………6

3.2.3逻辑控制电路……………………………………………………7

3.2.4输出实现电路……………………………………………………8

4整体电路的设计仿真及调试…………………………….10

4.1整机电路图…………………………………………….10

4.2元件清单……………………………………………….12

5课程设计心得.......…………………………………….14

6参考文献……………………………………………………15

7成绩评定表………………………………………………..16

1软件介绍

　是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它可以仿真51系列、，等常用的及其外围电路（如，，，键盘，马达，，，部分器件，部分器件...）。

本文章基于6.73和3软件。

当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是对于单片机爱好者，或者简单的开发应该是比较好的选择。

及其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参及的其它电路的工作情况。

因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。

对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。

软件及的结合

对于初次使用软件的人可能还不知道如何设置，现在把设置步骤简介如下，仅供参考（本文章只讨论在单机上结合，在两个联网机器使用由于篇幅限制不在此讨论）：

设置步骤如下：

（1）把安装目录下51（C:

\\\6\\）文件复制到安装目录的\C51\目录中;

（2）编辑C51里文件,加入1\51（"51"）;（3）里设置:

>>;（4）选中51（如果想用两台电脑仿真,双击,输入地址或者）;（5）载入文件;（6）里选择>;进入的菜单'工程名'。

在选项中右栏上部的下拉菜选中51。

在进入，如果同一台机名为127.0.0.1,如不是同一台机则填另一台的地址。

端口号一定为8000注意：

可以在一台机器上运行，另一台中运行进行远程仿真.（7）打开,按F5开始仿真.

的工作过程

运行的程序后，进入该仿真软件的主界面。

在工作前，要设置菜单下的捕捉对齐和下的颜色、图形界面大小等项目。

通过工具栏中的p（从库中选择元件命令）命令，在窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序;在菜单的菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目;在菜单的命令下，加入单片机硬件电路的对应程序;通过菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。

软件所提供了30多个元件库，数千种元件。

元件涉及到数字和模拟、交流和直流等。

软件所提供的调试手段

提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。

这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

对于单片机硬件电路和软件的调试，提供了两种方法：

一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。

对于总体执行效果的调试方法，只需要执行菜单下的菜单项或F12快捷键启动执行，用菜单下的菜单项或键暂停系统的运行;或用菜单下的菜单项或组合键停止系统的运行。

其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。

对于软件的分步调试，应先执行菜单下的菜单项命令，此时可以选择、和命令执行程序（可以用快捷键F10、F11和11），执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。

在执行了/命令后，在菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看。

在教学中利用该软件，除了能教单片机的具体课程内容外，还可以教会学生应用该工具的能力，为今后的工作打下基础。

2设计要求

2.1整体功能要求

设计一个数字频率计，要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000，用以测定正弦波，方波和三角波。

2.2系统结构要求

设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S。

2.3测试指标

测量频率范围：

10~9999。

测量信号类型：

正弦波、方波和三角波。

测量信号幅值：

0.5~5V。

确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。

3单元电路设计及分析

3.1数字频率计的基本原理

数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。

它不仅可以测量正弦波，方波，三角波和类似脉冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。

数字频率计在测量其他物理量如转速，振动频率等方面获得广泛应用。

众所周知，所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。

若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为

f＝

因此，数字频率计测频率时的原理框图如下。

其中脉冲形成电路的作用是：

将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率。

时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间也准确的等于1s。

闸门电路由标准的秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。

秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。

由于计数器计得的脉冲数N为在1s时间内的累计数，所以被测信号的频率。

从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图一所示的电路框图。

频率计的组成框图

图一、数字频率计框图

下面介绍结构较为简单的数字式频率计，电路组成如图所示。

它是由两位计数器、控制闸门、秒时基发生电路和被测信号输入电路组成。

3.2数字频率的设计

3.2.1放大整形电路

其电路图如图二

图二放大整形电路

放大整形电路由晶体管3100及555等组成，其中300组成放大器将输入频率。

为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大，555施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。

3.2.2时基电路

其电路图如图三所示

图三时基电路

时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），由定时器555构成的多谐振荡器产生。

由公式t1=0.7（R12）C和t2=0.7R2C，要使其产生1s的门信号，通过计算可以得出101大约取47K，R2大约取39K左右，则振荡器的输出波形如图中的波形所示，其中t1=1s，t2=0.25s。

3.2.3逻辑控制电路

其电路图如图四所示

图四逻辑控制电路

根据图所示五波形，在计数信号结束时产生锁存信号，锁存信号结束时产生清“0”信号V。

脉冲信号和V可由两个单稳态触发器74123产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。

设所存信号和清“0”信号V的脉冲宽度相同，如果要求0.02s，则得：

0.450.02s

若取10kΩ，则0.454.4μF。

由74123的功能（见下表1）可得，当触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端1Q可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图1所示的波形和V的要求。

手动复位开关S按下时，计数器清“0”。

图五——数字频率计波形图

表一：

表一74123功能表

说明：

1.外接电容接在（正）和（正）之间2.为了改善脉冲宽度的精度和重复性，可在和之间接外接电阻。

3.为了得到可变脉冲宽度，可在和之间接接可变电阻。

H－高电平L－低电平X－任意

↑－低到高电平跳变－一个高电平脉冲

↓－高到低电平跳变－一个低电平脉冲

3.2.4输出实现电路

其电路图如图六所示

图六——输出实现电路

该部分由计数器电路，锁存器电路，显示译码器及数码管组成

3.2.4.1计数器电路

计数器的作用是对输入脉冲计数。

根据设计要求，最高测量频率为9999，应采用4位十进制计数器，可以选用现成的10进制集成计数器。

本电路采用7490芯片，其功能如表二：

表二

表二——7490的不同接线方法

3.2.4.2锁存器电路

在确定的时间（1S）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。

锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。

锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。

本电路采用了74273锁存器对计数器送来的数据进行寄存的。

3.2.4.3显示译码器及数码管

显示译码器的作用是把用码表示的10进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。

选用显示译码器时其输出方式必须及数码管匹配。

本项目显示数码管采用的是共阴极双列直插式的，所以其显示译码器选用了7448来驱动这四个共阴数码管了。

4整体电路的设计仿真及调试

4.1整机电路图

整个电路系统工作原理是：

时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。

被测信号通过闸门，作为7490计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，计数的个数经74273锁存器锁存，然后，经7448译码驱动，数码管实时显示被测信号频率的数值，整个计数和译码过程必须在74123的控制下进行的，这样就达到了测量频率的目的。

整个电路系统原理图如图七所示：

当输入正弦信号时，电压为3V，频率66仿真如下

图七——整个电路图

器件检测及方法

1基准时间信号检测

依次用示波器检测555时基脉冲输出信号，74123组成的分频输出信号以及由7490组成的计数器的输出波形，并用数字万用表测的电压及波形对照。

如无输出波形或波形形状不对，则应对555、74123、7490各引脚的电平或信号波形进行检测，并检查电路线路是否连通，以消除故障，直至数码管正常显示。

2输入信号检测

从被测信号输入端输入幅值在1V左右频率为1以内的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。

如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。

3控制门检测

检测控制门7400输出信号波形，正常时，每间隔1S时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。

如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常,并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。

如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。

4计数器电路的检测

依次检测4个计数器7490时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差10倍。

如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平及波形进行检测。

正常情况各电平值或波形应及电路中给出的状态一致。

通过检测及分析找出原因，消除故障。

如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。

5锁存电路的检测

依次检测74273锁存器各引脚的电平及波形。

正常情况各电平值应及电路中给出的状态一致。

其中，第11脚的电平每隔1S钟跳变一次。

如不正常，则应检查电路，消除故障。

如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测译码驱动器电路。

6显示译码电路及数码管显示电路的检测

检测显示译码器7448各控制端及电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。

通过检测及分析找出故障。

4.2元件清单

元件

数量

元件

数量

47电容

一个

可变电阻200K

一个

100电容

一个

可变电阻1000

一个

10电容

两个

555

两个

4.7电容

两个

7448

四个

三极管T618

一个

74273

两个

47K电阻

两个

7490

四个

57K电阻

一个

74123

两个

39K电阻

两个

及非门

两个

1K电阻

两个

共阴数码管

四个

10K电阻

两个

导线

若干

5课程设计心得

6参考文献

1.康华光.《电子技术基础数字部分（第五版）》武汉：

华中科技大学出版社2006

2.,2005

3.张顺兴.数字电路及系统设计.第1版.东南大学出版社，2004

4.孙肖子.模拟电子技术基础.第1版.西安电子科技大学出版社，2001.1

5.谢自美.电子线路设计•实验•测试.第2版.华中科技大学出版社，2000.7

6.张豫滇.电子电路课程设计.第1版.河海大学出版社，2005.8

7成绩评定表

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日