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电子课程设计报告doc

海南大学信息科学技术学院

电子技术课程设计报告

设计题目:

自动换挡数字频率计

专业班级：

___11级通信工程2班______

姓名：

___________________

同组员：

学号：

__________

指导教师：

_______易家傅___________

一、设计目的………………………………………………1

二、设计目标………………………………………………1

1、整体功能要求

2、系统结构要求

3、电气指标

三、方案比较………………………………………………2

四、理论分析………………………………………………3

1、基本原理

2、整体框图

五、单元电路设计和整体电路图…………………………5

1、时基电路设计

2、闸门电路设计

3、分频器的设计

4、控制信号产生电路

5、计数、锁存、显示电路设计

6、换挡电路设计

7、量程显示电路设计

8、整体电路图

六、电路仿真结果记录及分析……………………………10

七、元器件列表……………………………………………11

八、心得体会………………………………………………11

自动换挡型数字频率计

一、设计目的

本次课程设计主要是配合《模拟电子技术》和《数字电子技术》理论课程而设置的一门实践性课程，起到巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想的效果。

二、设计目标

1、整体功能要求

频率计主要用于测量正弦波、矩形波等周期信号的频率值。

2、系统结构要求

数字频率计的整体结构要求如图所示。

图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，自动换挡指的是超量程自动换高档，低量程自动换低档。

图1系统结构图

3、电气指标

（1）被测信号波形：

正弦波、矩形波。

（2）被测信号的频率范围：

1Hz999KHz，共分为4个档位：

1Hz档位：

1Hz~999HZ

10Hz档位：

10Hz~9.99KHZ

100Hz档位：

100Hz~99.9KHZ

1000Hz档位：

1KHz~999KHZ

（3）测量精度：

用3位数码管显示测量数据，1位数码管显示档位。

测量误差小于1%。

（4）具有自检功能，即用仪器内部的标准脉冲校准测量精度。

（5）具有自动换挡功能，即超量程能换高档，欠量程换低档。

三、方案比较

方案一：

1、采用555定时器构成多谐振荡器产生1000HZ的脉冲信号，然后在通过三个十进制分频器产生100HZ、10HZ、1HZ的脉冲信号，用74LS151选择器选择闸门信号。

2、利用二输入端四与非施密特触发器74LS132作为控制电路产生清零、

锁存、计数信号来控制电路分别输入到计数器和锁存器的对应端口。

3、采用4518十进制计数器计数，送到译码器4511BD，4511BD不仅可

以把十进制译成对应的二进制，还具有锁存的功能，当计数器计数的时候数码管

就不会一直闪，等计数完成锁存的是最终结果。

4、显示器使用三个数码管，当测量的频率从999HZ升到1000HZ以后，

个位数就被四舍五入了，即产生了误差，而且量程越大误差也越大。

5、自动换挡选用74160N作为自动换挡的核心，A,B,C,D四个信号输入端全部接地信号输入数字频率计后，从最低档开始计数，换挡信号由计数部分的最高位所用的4518芯片最高位进位输出信号作为换挡部分的CLK信号。

方案二：

1、采用晶体振荡器产生8Mhz的脉冲信号。

2、用三个JK触发器74HC73使闸门信号发生不同的延时再加上几个非门分别产生清零、计数、锁存信号。

3、把锁存和译码分开，用HEF404BT做锁存器、4511BT做译码器。

4、自动换挡部分使用几个与非门进行组合，鉴别信号，自动换挡

方案三：

基于单片机的数字频率计设计——这种方案最大的好处就是硬件电路设计简单，容易制作PCB板，但是它的缺点也是明显的由于单片机本身晶振的问题，在测量高频时单片机难以胜任，在造价方面单片机也会相对高一些。

方案选择：

根据给出的所有元器件，最终选择了方案二。

此方便较易于理解，而且译码器4511自带有锁存功能，减少了对三个计数器输出进行锁存时的成本。

方案选择：

因此，我们选用方案二。

四、理论分析

1、基本原理

数字频率计用于测量正弦信号、矩形信号等周期信号波形的频率，其概念是单位时间里的脉冲个数，如果用一个定时时间T控制一个闸门电路，时间T内闸门打开，让被测信号通过而进入计数译码，可得到被测信号的频率fx=

，若T=1秒，则fx=N。

（1）控制电路原理：

控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号，清零开始锁存开始，清零结束计数开始，计数结束锁存结束，控制电路还要包括自动换挡。

（2）计数显示电路原理：

在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。

在计数的时候数码管不显示数字。

当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。

（4）自动换挡原理

考虑到控制信号（超量程、欠量程、不超不欠）有3种状态，所以要用2位输入信号表示，假设x=10、11（超量程），x=00（欠量程），x=01（不超不欠）；状态S0~S3分别表示1秒~0.001秒挡位，用2位输出表示y=00,y=01,y=10,y=11。

得到以下状态图。

之后我们可以根据状态图列出真值表，然后用卡诺图化简后得到电路图。

X=01

X=00x=01

X=10、11

X=00

X=10、11x=00

X=01x=01

X=10、11

X=00

状态变换图表

Q1Q0

卡诺图化简：

Q1*

Q1Q0

Q1*=Q1（Q0+B+A）+Q1’Q0A

J1=（（Q0A）’）’

K1=（（（Q0’A’）’）’A’）’

Q0*

Q1Q0

Q0*=Q0（B+Q1A）+Q0’（A+Q1A+Q1B’）

J0=（A’（Q1B’）’）’

K0=（（B’（Q1A）’）’）’

2、整体框图

五、单元电路设计和整体电路图

1、时钟电路

时钟电路方案的选择是保证测量精度的关键，因此考虑使用石英晶振电路。

2、闸门

闸门可以用逻辑门4011来实现。

3、分频电路

分频器采用12位二进制串行计数器HEF4040与六个十进制计数器计数器4518组成。

分频器就是把高频时钟信号降低，变成原频率1/N的器件，N是分频系数（为正整数）。

以用计数器加与门（或与非门）搭成。

如果是简单的2分频、4分频、8分频、16分频......等分频系数为2的n次方的情况，可以不需要与门，只用二进制计数器就能完成分频。

4052选择器的真值表：

X=X0（A’B’）+X1（A’B）+X2（AB’）+X3（AB）

4040十二位分频器：

10端输入：

输出端的7号引脚

4分频

输出端的6号引脚

8分频

输出端的5号引脚

16分频

输出端的3号引脚

32分频

输出端的2号引脚

64分频

输出端的4号引脚

128分频

输出端的13号引脚

256分频

输出端的12号引脚

512分频

信号从10号引脚输入，7号脚为4分频输出，6号脚为8分频输出，5号脚为16分频输出，3号脚为32分频输出，2号脚为64分频输出，4号脚为128分频输出，13号脚为256分频输出，12号脚为512分频输出。

分频器电路图

4、控制信号产生电路

把闸门信号输到4040的CLK端，把4040的输出端A、B输到4518的输入端，其输出就能产生计数、锁存、换挡、清零控制信号。

同时在七段数码显示管显示当前档位。

控制信号产生电路

附：

JK触发器的真值表：

Q’

5、计数、锁存、显示电路

如图4所示，由于题目所要求的数码管数量和档位设置计数部分我们采用了三个十进制计数器4518锁存部分用了三个4511，显示部分用了三个7段数码管。

三个4518的ENP和ENT端均同时接计数器CP信号，LOAD端均接高电平，CLR均接清零信号，第一个4518的CLK端接的是通过闸门的被测信号，而第一个4518的进位输出RCO端接到第二个的CLK端，第二个的RCO端则接到第三个的CLK端。

当被测信号进入闸门接到第一个4518的CLK端且CP为高电平时计数器开始计数，锁存部分的4511BD兼有锁存和译码的功能，LE端均接锁存信号，BI、LT端均接高电平，4511BD的输入端为4个二进制数通过译码后输出高低不同的电平接至数码管控制LED灯的亮与暗而使数码管显示不同的十进制数。

计数、锁存、显示电路

其元件的真值表如下：

CD4511真值表

4518真值表：

CLK

触发

输出

高电平

输入端

高电平

Q0—Q3

输出信号

低电平

Q0---Q3

6、自动换挡电路

得到以下状态图。

之后我们可以根据状态图列出真值表，然后用卡诺图化简后得到电路图。

X=01

X=00x=01

X=10、11

X=00

X=10、11x=00

X=01x=01

X=10、11

X=00

设计流程：

第一步：

首先根据4518的输出，我们发现在次高档和高档频率的计数器要进位时其输出Q3会由1至0出现下降沿脉冲，将其作为自动换挡模块的触发脉冲来对数据选择器选档。

第二步：

假设高档和次高档的进位设为C1C0，C1C0=11时，表明信号频率超量程；C1C0=00,时，信号频率欠量程；C1C0=01时，信号频率不超不欠。

C1C0

X1X0

量程范围

关系

C1=X1

C0=X0’

超量程

欠量程

00/11

不超不欠

第三步：

根据上面主要思想的状态转换图，我们可以画出AB和Q1Q0之间关系的卡诺图。

见下表：

状态变换图表

Q1Q0

卡诺图化简：

Q1*

Q1Q0

Q1*=Q1（Q0+B+A）+Q1’Q0A

J1=（（Q0A）’）’

K1=（（（Q0’A’）’）’A’）’

Q0*

Q1Q0

Q0*=Q0（B+Q1A）+Q0’（A+Q1A+Q1B’）

J0=（A’（Q1B’）’）’

K0=（（B’（Q1A）’）’）’

根据以上的各逻辑式与JK触发器的特性方程对照，则得出各触发器的驱动方程：

J1=（（Q0A）’）’J0=（A’（Q1B’）’）’

K1=（（（Q0’A’）’）’A’）’K0=（（B’（Q1A）’）’）’

由上三步骤的分析画出自动换挡控制电路的逻辑图如图以下：

自动换挡电路

7、量程显示电路

8、将数据选择器的AB挡作为量程显示的输入端

8、总电路图

6、电路仿真结果记录及分析

仿真结果如下图：

输入信号186HZ

输入信号186kHZ

7、元器件列表

74HC73双JK触发器

CD4011与非门

CD4069六反相器

HEF4040BT三态RS锁存器

HEF4511BTBCD制7段锁存器

HEF4518BBCD计数器

40524选1数据选择器

8、心得体会

经过不断的努力研究，我们小组终于顺利设计出了数字频率计。

这个过程当中，每一次的小小突破，都给我们带来巨大的喜悦，真可谓皇天不负苦心人，一个星期来的汗水没有白流。

这次课程设计给了我们一次锻炼自己，提高自己动手和思考分析以及解决问题的能力，我们不仅收获了做电路设计和仿真上的经验，同时也收获到享受成功时的那份心情，从苦到甜。

三个星期中，我们为自己的作品废寝忘食，但乐在其中、无怨无悔。

从老师布置题目的第一天起，我们不是在不停地收集和翻阅资料就是在宿舍搞仿真，工作量之大前所未有，以往的实验都是在老师的指导下完成，可这次实验主要靠的就是自己的能力，查阅资料，访问互联网，跑图书馆，咨询老师和同学，可谓八仙过海各显神通。

经过这次课程设计，我们系统地利用了电路，模拟电子技术和数字电子技术的知识，将三门学科有机地结合起来，增强我们的理论知识，因为在课堂上我们只是学习单一的一门学科，没有将几门学科结合起来，虽然各自的学科学习掌握的情况还不错，但是一旦遇到需要综合应用各个学科的知识时，我们通常会表现的手足无措。

实验中我们体会到了掌握基础知识的重要性，基础知识可以让我们在实验中得心应手而不是知其然而不知其所以然，运用时糊糊涂涂造成麻烦。

通过本次课程设计，我们深深体会到自己实际动手能力方面的不足，经过这次实验设计对我们的考验，我们学会了运用很多以前学过的知识，去实现我们想要做的东西；我们也学会了执着与坚持，因为要想获得成功就得需要很强的毅力。

当然最重要的是我们小组团结一致，两个人在一起研究和思考，一起提出意见和方法，然后讨论出最佳的方案去设计，这才是我们成功的关键所在。

希望以后能有这样更多的机会来锻炼我们，因为我们所学的东西要理论与实践相结合的话，需要不断的去实践，在实践中找到自己的不足之处，然后有目的的去纠正，这样学到的东西才真正有价值。

虽然我们的作品还存在很多不足，我们做出实物也有1%的误差，但是我想这对提高我们的动手能力还是有很大的帮助。

很感谢这次的实验，我们获益匪浅。

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