基于数字电路的频率计设计课程设计说明书.docx
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基于数字电路的频率计设计课程设计说明书
基于数字电路的频率计设计
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
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
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日 期：
指导教师签名：
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
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作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。
尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者（本人签名）：
年月日
学位论文出版授权书
本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》（以下简称“章程”），愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入****《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。
论文密级：
□公开□保密（___年__月至__年__月）（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）
作者签名：
_______导师签名：
_______
_______年_____月_____日_______年_____月_____日
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
致谢
时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。
首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。
本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。
本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。
经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。
这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。
没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。
首先，我要特别感谢我的知道***老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。
***老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。
从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。
再次对周巍老师表示衷心的感谢。
其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。
另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。
最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。
四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。
从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。
感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。
学友情深，情同兄妹。
四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。
在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
最后，我要特别感谢我的导师***老师、和研究生助教***老师。
是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。
老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。
他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。
在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。
致谢
这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我
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