基于数字电路的频率计设计课程设计 精品.docx
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基于数字电路的频率计设计课程设计精品
摘要
本文介绍了一种基于TTL系列芯片的简易数字频率计。
数字频率计应用所学的数字电路知识进行设计。
电路由放大整形电路、时基电路、逻辑控制电路、计数锁存电路及译码显示电路组成。
能够较精准的测量正弦波、三角波、方波的频率。
测量范围能够达到1Hz~100KHz。
关键词：
频率计；闸门时间；脉冲个数；数字电路
目录
1方案选择-----------------------------------------------4
2数字频率计测频率的基本原理----------------------------4
3数字频率计的硬件设计-----------------------------------6
3.1原理图设计--------------------------------------------6
3.1.1原理图-----------------------------------------6
3.2模块分析---------------------------------------------6
3.2.1放大整形电路----------------------------------------6
3.2.2时钟电路--------------------------------------------7
3.2.3分频电路---------------------------------------------8
3.2.4计数电路--------------------------------------------9
3.2.5逻辑控制电路---------------------------------------10
3.2.6显示电路-------------------------------------------11
3.3芯片功能介绍-----------------------------------------12
3.3.174LS00---------------------------------------------12
3.3.274LS08---------------------------------------------13
3.3.374LS14---------------------------------------------13
3.3.474LS48----------------------------------------------14
3.3.574LS74----------------------------------------------15
3.3.674LS90----------------------------------------------16
3.3.774LS123---------------------------------------------17
3.3.874LS273---------------------------------------------18
4总结---------------------------------------------------20
5参考文献-----------------------------------------------20
附录1整机原理图-----------------------------------------22
附录2元器件清单-----------------------------------------23
1．方案选择
1.1用单片机实现。
利用单片机内部Timer/Counter对被测信号计数，经过运算后送到数码管进行动态显示测量结果。
此方案精度高，应用器件少，性能稳定，成本很小。
由于去年曾有设计者使用单片机完成课程设计，但未能通过审核，故不予采用。
1.2用专用测频大规模集成芯片ICM7216D实现[1]。
通过综合分析此方案性能很高，可以测量的频率很高，但芯片成本比较高，设计者不需要对其内部构造及原理了解太多，只要按照此芯片功能引脚连接少许外围电路就可以设计出频率计，但失去了本次课程设计的意义。
1.3利用大量的数字芯片，通过各种逻辑关系构成。
本方案要求设计者具有较高的硬件知识，能够在很大程度上提高设计者对数字电子及模拟电子技术的掌握，对于设计者来说具有重要意义。
因此本次设计采用此方案。
2．数字频率计测频率的基本原理[2]
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为N，则其频率可表示为
f=N/T
据此，设计方案框图如图2.1。
图2.1
被测信号Vx经整形电路变成计数器所要求的矩形脉冲信号，其频率与被测信号的频率Fx相同。
时钟电路提供标准时间基准信号，基准时钟经分频器后输出频率分别有1Hz，0.1Hz，0.01Hz，0.001Hz的闸门信号，计数器在一个阀门信号周期内对被测信号计数，直到1周期闸门信号结束时，停止计数，同时产生锁存信号，启动延时信号。
锁存信号使计数器的值在数码管上显示。
当延时结束后清除计时器和分频器开始下一次测量。
其原理如图2.2。
图2.2
3．数字频率计的硬件设计
3.1原理图设计
见附录1
3.2模块分析
3.2.1放大整形电路
放大整形电路由运算放到器LM358与施密特触发器74LS14等组成。
其中LM358组成放大器，当输入信号很小时将其进行放大。
开关可以用来选择是否放大。
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]。
电路如图3.2.1。
TTL
脉冲
图3.2.1
3.2.2时钟电路
时钟电路的作用是产生一个标准时间信号，电路应用非门CD4016与晶振产生1MHz的时钟信号，其输出频率稳定性很高。
电路如图3.2.2
图3.2.2
3.2.3分频电路
应用2个CD4017和74LS74个对1M的时钟信号进行分频[4]得到5KHz时钟。
再用4个CD4017分别对5KHz时钟进行10，100，1000，10000分频得到500Hz，50Hz，5Hz，0.5Hz的时钟信号。
电路如图3.2.3。
脉冲输入
脉冲输出
图3.2.3
当达到被测信号频率达到最大值时，闸门脉冲高电平为1ms，即计数器需在1ms内完成100次计数，但是计数器以及其级联的TTL芯片的传输延时均在纳秒级[5]，如表3.2.3。
IC
时
延
输
传
TPHL
TPLH
Tsum
74LS00
15nS
15nS
30nS
74LS08
20nS
15nS
35nS
74LS48
100nS
100nS
200nS
74LS90
60nS
52nS
112nS
74LS123
33nS
33nS
66nS
74LS273
24nS
24nS
48nS
表3.2.3
3.2.4计数电路
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100KHz，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。
而本设计采用74LS90二、五、十进制计数器的。
其原理图如图3.2.4所示。
图3.2.4
3.2.5逻辑控制电路[6]
根据图2.2所示波形，在时基信号结束时产生的下跳沿来产生锁存信号,锁存信号的下跳沿又用来产生清零信号。
锁存信号和清零信号可由两个单稳态触发器74LS123产生，它们的脉冲宽度有电路的时间常数决定。
由74LS123的功能表可得当CLR=B=1、触发脉冲从A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q可获得一个正脉冲，
端可获得一负脉冲。
74LS123输出的波形关系正好满足图2.2所示波形要求。
手动复位开关S1按下时，计数器清零。
其原理图如图3.2.5所示。
图3.2.5
3.2.6显示电路
电路通过7段数码管显示被测信号的频率，当74LS273锁存后，把数据送到74LS48进行译码。
74LS48译码后输出对应的高低电平使数码管显示不同的值[7]。
电路如图3.2.6。
图3.2.6
3.3芯片功能介绍[8]
3.3.174LS00逻辑引脚图及功能表如图3.3.1、表3.3.1。
图3.3.1
表3.3.1
3.3.274LS08逻辑引脚图及功能表如图3.3.2、表3.3.2。
图3.3.2
表3.3.2
3.3.374LS14逻辑引脚图及功能表如图3.3.3、表3.3.3。
图3.3.3
表3.3.3
3.3.474LS48逻辑引脚图及功能表如图3.3.4、表3.3.4。
图3.3.4
表3.3.4
3.3.574LS74逻辑引脚图及功能表如图3.3.5、表3.3.5。
图3.3.5
表3.3.5
3.3.674LS90逻辑引脚图及功能表如图3.3.6、表3.3.6（a）、表3.3.6（b）。
图3.3.6
表3.3.6（a）
表3.3.69（b）
3.3.774LS123逻辑引脚图及功能表如图3.3.7、表3.3.7。
图3.3.7
表3.3.7
3.3.874LS273逻辑引脚图及功能表如图3.3.8、表3.3.8。
图3.3.8
表3.3.8
结束语
本系统是采用纯硬件电路组成的。
比较用单片机及测频大规模集成芯片ICM7216D来实现数字频率计的显示来说，这个系统相对难度有点大了。
因为元件数目多，电路结构复杂点。
但是，此电路各单元电路的设计思路是很清晰的，整个系统的设计逻辑思维较好。
其测量频率范围也能达到1—10KHz。
与其他用纯硬件电路设计的频率相比较，本系统还是有其可取之处的。
4.总结
本次课程设计让我们体会到分析电路、设计电路、绘制电路过程中的苦与甜。
电路设计与制作是我们将来必须的专业技能，这次课程设计为我们提供了一个应用自己所学知识运用到实践的机会。
从图书馆、网上查找资料对电路设计，都对我们所学专业知识进行了检验。
在设计制作的过程中，发现了以前所学的模电数电的知识掌握地不够扎实。
同时，在设计的过程中，遇到了一些以前没有用过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用，能力进一步得到了提升。
此次过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，本次课程设计告诉我们，我们先要熟练地掌握课本中所学的知识，然后，通过课余时间的实践，我们可以将所学的知识设计出一个作品来，这样才能加深对知识的理解及遇到问题自主分析解决能力。
5．参考文献
[1]毛永毅.单片频率计ICM7216D及应用.国外电子测量技术，2002，（3）：
4-7.
[2]康华光.电子技术基础（第四版）.北京：
高等教育出版社，2003
[3]李银华.电子线路设计指导.北京:
北京航天航空大学出版社，2005年6月
[4]臧春华.电子线路设计与应用.北京:
高等教育出版社，2004年9月
[5]德州仪器（TI）中国官方网站
[6]李莺，罗毅.超高频数字频率计的设计.重庆邮电大学学报（自然科学版）.2007，（6）：
666-668.
[7]何书森.使用电子线路设计速成.福州：
福建科学技术出版社，2004年8月
[8]美国国家仪器（NI）中国官方网站
附录1整机电路图
附录2元件清单
CAP：
C150pFх1
C34.7uFх1
C44.7uFх1
CAPVAR：
C230/50pFх1
REST
R151Kх1
R2、R4、R5、R610Kх4
R330Kх1
R71Kх1
IC：
U1CD4069х1
U2CD40106х1
U3、U4、U6、U7、U8、U9CD4017х4
U574LS74х1
U1074LS08х1
U11、U1274LS123х2
U1374LS00х1
U14、U1574LS273х2
U16、U17、U18、U1974LS48х4
U20、U21、U22、U2374LS90х4
U24、U2574LS14х2
U26LM358х1
CRYSTAL:
1Mх1
DISPLAY:
DIP7-SEGDPх4
BATTERY:
+5Vх1
SWTICH:
S1SW-PBх1
S2SWDIP-4х1
S3SW-SPSTх1
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