数字频率计设计报告.docx
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数字频率计设计报告
数字电子技术课程设计
数字频率计的设计
******
学院：
工学院
专业：
电气工程及其自动化
学号：
*****505
指导教师：
刘权吴敏
2014年06月04日
目录....................................................................2
1设计任务与要求.........................................................3
1.1基本功能.............................................................3
1.2扩展功能.............................................................3
2设计原理...............................................................3
3电路设计...............................................................4
3.1整形电路.............................................................4
3.2脉冲波形产生及分频电路................................................6
3.3闸门电路.............................................................8
3.4计数电路.............................................................9
3.5锁存显示电路........................................................11
3.6超量程报警显示电路..................................................12
3.7单稳态触发器电路....................................................13
3.8整机电路............................................................14
3.9说明................................................................15
3.10仿真结果...........................................................15
4元器件清单............................................................19
5设计体会..............................................................21
参考资料................................................................22
数字频率计的设计（第十组）
1设计任务与要求
1.1基本功能
1）能够测量正弦信号，矩形信号等波形的频率；
2）测量信号的频率范围为1HZ~100KHZ，分辨率为1HZ；
3）测量结果直接用十进制数值计数，通过五个数码管显示；
4）具有自较和测量两种功能；
5）测量误差小于5%；
6）多谐振荡器采用12M晶振电路，闸门用与门实现，显示用共阳极数码管。
1.2扩展功能
1）分成四个频段，即1~99Hz,100~1KHz,1~10KHz,10~100KHz；
2）有超量程警告功能，当测量信号频率超过所选档位的量程时，频率计发出铃声警报。
2设计原理
脉冲信号的频率就是在单位时间（1s）里产生的脉冲个数，若在一定时间间隔tw内测得这个周期信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为：
f=N/T
数字频率计的总体框图如图1所示：
图1
数字频率计由七大基本电路组成：
放大整形系统、闸门电路、多级分频电路、可控的计数系统、锁存译码显示电路、超量程报警系统、单稳态信号产生电路。
经过放大整形后变为方波信号，当门控信号到来后，闸门电路开启，时间为T1，计数器实现计数功能，T1时间过后闸门关闭，计数停止，锁存器使能端置零，计数结果被锁存，通过数码管可以方便读出被测信号频率。
3电路设计
3.1整形电路
1）功能：
将被测信号整形成方波，方便计数。
2）整形电路如图3所示：
图3.1
3）整形电路原理及功能实现：
用555定时器构成施密特触发器，用施密特触发器对波形的整形功能。
利用施密特触发器可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。
图3.10
4）整形电路的输入输出波形：
图3.11
图3.11为输入信号是正弦波时整形电路的波形图。
3.2脉冲波形产生及分频电路
1）多谐振荡器电路
图3.21
图中，晶振用12M晶振元件，反相器是7404非门，R1=560Ω,R2=1.8kΩ,R3=220Ω,R4=220Ω,电路将产生12MHz的矩形脉冲波。
2）多级分频器电路
图3.22
图3.22是两个D触发器，通过D与Q¯¯相连，SR接地，构成二分频电路，相连接即是四分频。
图3.23
图3.23所示是六十分频电路，参照数字电子计数实验教程实验十一脉冲分配器及其使用（P.60），用两片CC4017和一片CC4013及与非门实现（将第二片5端和第一片11端接与非门）.
图3.24
图3.24所示为5片74160级联的10^5分频器，结构原理同《数字电子技术基础》书上P.303百进制计数器。
通过选取不同片数过来的RCO作为闸门信号，即可实现0.5Hz5Hz50Hz500Hz不同频率信号。
3.3闸门电路
1）闸门电路功能：
只有当闸门开启时，计数器才实现计数功能，计数器开启的时间就是闸门开启时间。
计数结果为外界整形之后得到的方波的负脉冲个数。
可见，当闸门开启时间一定时，被测信号频率可由计数结果与闸门开启时间相除求得。
2）闸门电路图如3.3所示：
图3.3
3）闸门电路原理及功能实现：
闸门电路用与门实现，即在闸门信号（采集信号）高电平时，将所测信号采集送入计数器，到低电平后结束，由于闸门信号是用高电平计时，因此在用1s采集计数时，闸门信号频率为0.5Hz
4）闸门电路输入输出波形：
下图为分别选择分辨率为1HZ（图3.31）、10HZ（图3.32）、100HZ（图3.33）、1000HZ（图3.34）的档位，闸门电路输入输出的波形图.由图可知，当施密特触发器触发输入端输入一个触发信号（下降沿）时，其输出端输出一个时间为tw的高电平，tw分别约等于1s,100ms,10ms,1ms.
图3.31图3.32
图3.33图3.34
3.4计数电路
1）计数电路的功能：
脉冲信号进入十进制计数器，在闸门时间T1=tw内,累计信号脉冲个数N=T×f，计数器通过对脉冲信号计数，可直接或间接测出周期信号的频率。
2）计数电路如图3.4所示：
图3.4
3）计数电路原理及功能实现：
计数电路所选芯片为74LS160，该芯片为可预置的十进制同步计数器。
其真值表如表2所示：
表2
74LS160的清除端是异步的。
当清除端CLR为低电平时，不管时钟端CLK状态如何，即可完成清除功能；74LS160的预置是同步的。
当置入控制器LOAD为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端QA－QD与数据输入端A－D一致；160的计数是同步的，靠CLK同时加在四个触发器上而实现的。
当CEP、CET均为高电平时，在CP上升沿作用下QA－QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
74LS160有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端RCO输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。
在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。
我采用并行进位的方式。
这里我将五个74LS160级联成5位同步十进制计数器（计数输入接每一片74160的CLK端，第一片74160的EPET接VCC，进位RCO接下一片的EPET,每一片的LD接VCC，D0~D3接地）。
整个计数电路的输入端（每一个74LS160的CLK端）与闸门电路的输出端连接，闸门打开，计数器开始计数。
闸门关闭，计数器停止计数。
RCO为进位端，在之后的超量程报警中用到。
3.5锁存显示电路
1）锁存显示电路功能：
当计数完成，即闸门关闭时，通过锁存电路将计数结果锁存，计数结果（为十进制，读数方便）通过7447译码，送给五个七段共阳极显示数码管显示。
7447的主要功能是输出低电平驱动的显示码，用以推动共阳极7段LED数码管显示相应的数字。
2）锁存显示电路图如图3.5所示，
OE¯MR接地，而STB接的是单稳态触发信号，用于锁存。
图3.5
3）锁存显示电路原理及功能实现：
锁存器4508如图3.5所示，在OE¯MR接地时，STB每来一个触发信号,锁存器就将D0~D3的信号锁存，待到触发信号过去，无论D0~D3怎样变化，输出Q0~Q3都保持所存信号不变直到下一个触发脉冲到达。
四个锁存器的输入端D分别与计数器的QA~QD相连，输出端Q分别与后面的显示电路相连。
3.6超量程报警显示电路
1）超量程报警显示电路功能：
在被测信号频率范围未知的情况下，如果选择了不合适的档位，特别是量程小于被测频率的档，此时不能正确测量信号频率。
超量程报警显示电路在超量程测量时会进行报警，并且通过铃声进行显示，提醒用户更换更高量程的档位。
2）超量程报警显示电路如图3.6所示：
图3.6
3）超量程报警显示电路原理及功能实现：
如图可知，5输入与门的5个输入端（软件中未找到6输入与门，用两个与门代替），分别与个十百千万位计数器的进位端RCO连接，另一个与门与闸门电路的输出端连接。
总的输出端连接到一个运算放大器上，再接一个指示灯以及蜂鸣器的一端。
当闸门仍然处于开启状态，计数至99999后，四个计数器进位端都处于高电平时，与门输出高电平，指示灯亮，且蜂鸣器发出报警声音。
3.7单稳态触发器电路
1）74121功能：
输出缓冲电路由反相器G8和G9组成，用于提高电路带负载能力。
根据门G6输出端电路结构和门G7输入端电路结构可以求出计算输出脉冲宽度的公式
Tw≈Rext*Cextln2=0.69Rext*Cext
通常Rext的取值在2~30kΩ之间，Cext的取值在10pF~10uF之间，得到的Tw范围可达20ns~200ms。
2）在使用外接电阻Rext（下降沿触发）时，取Cext=10uF,Rext=10kΩ,Tw能达20ns~200ms之间的70ms，连接两个这样1011脚接电容Cext，1114脚接电阻Rext，45脚接高电平的74121，有前后两个单稳态分别输出至锁存器STB和计数器RD¯，即在高电平计数完70ms后，开始锁存，70ms后，再清零，如此反复。
图3.7
3.8整机电路
整机电路图如图3.8所示：
图3.8
3.9说明
矩形信号的测试以及自检功能图中未显示。
自检即是被测信号换为分频器输出信号；矩形信号的测试不需要经过放大整形直接接到闸门（与门）上。
3.10仿真结果
在PROTEUS软件里，按下仿真键，将开关闭合，依次选择1HZ档，10HZ档，100HZ，1000HZ档，测不同范围频率，检查结果是否与理论值相符合。
外界被测信号由软件自带的波形发生器生成，可设置任意频率值。
下面分别为用1HZ档测频率为1024HZ的信号（如图4.1），10HZ档测频率为1024HZ的信号（如图4.2），100HZ档测频率为1024HZ的信号（如图4.3），1kHZ档测频率为1024HZ的信号（如图4.4）所得的仿真结果。
图4.1
图4.2
图4.3
图4.4
仿真所测值与理论值大致相等。
HZ档误差为±1HZ，10HZ档误差为±10HZ,100HZ档误差为±100HZ,1kHZ档误差为±1kHZ。
（由于软件运行问题，测试时信号频率一律为1024Hz，而没有显示出大频率信号的测量结果）
4元器件清单
TotalPartsInDesign
:
46
6Resistors
Quantity:
References
Value
OrderCode
1
R1
560
1
R2
1.8k
2
R3,R4
220
2
R11,R22
10k
2Capacitors
Quantity:
References
Value
OrderCode
2
C1,C2
10uF
31IntegratedCircuits
Quantity:
References
Value
OrderCode
1
U1
7404
2
U2,U29
4013
2
U3,U4
4017
1
U5
7400
1
U6
4011
10
U7-U11,U14-U18
74160
1
U12
555
2
U13,U28
AND
3
U19-U21
4508
5
U22-U26
7447
1
U27
AND_5
2
U71,U82
74121
1Transistors
Quantity:
References
Value
OrderCode
1
Q1
NPN
6Miscellaneous
Quantity:
References
Value
OrderCode
1
BUZ2
BUZZER
1
SW1
SW-ROT-4
3
SW2-SW4
SW-SPDT
1
X1
CRYSTAL
5设计体会
一周的数字电子技术课程设计结束了，在这一周里，在我们组全体成员的努力和合作下，这次课程设计完成了。
只有拥有扎实的理论知识才能形成设计理念。
课程设计前期，我们查阅了大量资料，重拾电子技术教材以及相关读物，对知识进行了系统而全面的梳理。
温故而知新，对理论知识有了全面的掌握后，整理出思路，很快设计出总体框架图。
然而实践是检验真理的唯一标准，有了理论基础的我们，在实际操作中并非一帆风顺。
电路连接好以后，我们遇到了很多问题，例如两个单稳态信号的产生问题一度让我焦头烂额。
这些问题一度让我们百思不得其解，但是通过不断的调试，这些问题最终得到了解决。
有则改之无则加勉，虽然我们的设计已经基本完成，但是仍然有瑕疵。
在仿真的过程有时候很缓慢，例如为了验证超量程报警是否可行，计数器要计数到99999，软件的仿真并不是按照秒来运行的，计算很慢，没有仿真完成；还有一旦选择大量程计数几千以上的频率就会很慢，软件会卡死不能运行，这让我无从下手。
这一周的课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，团队合作能力，磨炼了我的毅力，更令我的创造性思维得到拓展。
参考资料
[1]曾龙坤.简易数字频率计.集成电路应用,1991,（06）
[2]清华大学电子学教研组编，阎石主编.数字电子技术基础（第五版）.若干常用时序逻辑电路,.北京；高等教育出版社.2013,（05）
[3]金定洲.数字电子技术实验教程.实验十一,脉冲分配器及其应用.合肥；安徽农业大学工学院电工电子实验室.2007,（01）
[4]清华大学电子学教研组编，童诗白主编.模拟电子技术基础（第二版）.北京；高等教育出版社，1988
[5]彭介华主编.电子课程设计指导.湖南；高等教育出版社.1997.10
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