电子线路课程设计任务书.docx

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电子线路课程设计任务书

电子线路与设计

课程设计说明书

题目频率测量器

专业班级

姓名

学号

目录

一、课程设计目的和要求1

1.1课程设计目的1

1.2课程设计要求1

二、设计方案和基本原理1

2.1课程设计方案2

2.2课程设计原理3

三、电路设计4

3.1单元电路设计4

3.1.1衰减放大整形系统4

3.2时基电路设计5

3.3逻辑控制电路设计6

3.4闸门电路设计7

3.5计数锁存器7

3.6译码显示电路8

3.7整体电路图9

四、电路调试11

4.1测试与调整11

五、设计小结12

5.1心得体会与总结12

一、课程设计目的和要求

1.1课程设计目的

·掌握频率测量器的设计、组装与调试方法。

·熟悉基本数模集成电路的使用方法。

·针对电子线路课程设计要求，对学生进行实用性电子线路设计、安装、调

式等环节的综合性训练，培养学生运用课程所学的理论与实践紧密结合，

独立地解决实际问题的能力。

1.2课程设计要求

利用数模电路，设计一个频率测量器，利用测量电路的输出电压而测出输入信号的频率。

·测量频率范围0~9999Hz

·测量信号：

方波峰值3~5V

二、设计方案和基本原理

2.1课程设计方案

方案一：

由ICM7216D构成的数字频率计

由ICM7216D构成的10MHZ频率计电路采用+5V单电源供电。

高精度晶体振荡器和321RCC、、构成10MHz并联振荡电路，产生时间基准频率信号，经内部分频后产生闸门信号。

输出分别连接到相应数码显示管上。

ICM7216D要求输入信号的高电平大于3.5V，低电平小于1.9V，脉宽大于50ns.

优点：

这个电路由于芯片集成度相对较高，所以电路设计较为简单，操作比较简单。

而且精确度高。

方案二：

运用单片机设计数字频率计

 频率计的计数和显示部分可以由单片机及其最小系统完成，将适用于计数以及显示的程序烧入单片机内，再根据时基电路、放大整形电路、倍频锁相电路一起构成频率计。

由于学过单片机相关教程，掌握一定的编程能力，所以用单片机实现数字频率计还是可行的。

优点：

由于用到单片机，控制电路计数等功能通过编写程序实现，减少了相关硬件的使用，降低了成本。

而且利用C语言程序有很强的可修改性。

但课程设计要求使用数模电路，所有此方案不符合要求。

综上所述选择方案一

2.2课程设计原理

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内测得这个周期信号的重复变化次数N，则频率可表示为：

f=N/T

测量频率是按照频率的定义进行的，若T=1s，计数器显示的数字是f=N，若T=0.1，通过闸门的脉冲个数仍为N，则f=10N，由此可以测出频率。

数字频率测量器的原理框图如上图所示，他由六个基本单元电路组成：

衰减放大整形系统、时基电路、逻辑控制电路、闸门电路、计数锁存电路、译码显示电路。

由555定时器构成的多谐振荡器在接通电源后，由于电容的充放电，使输出的波形为矩形脉冲，在经过多级分频系统及门控电路得到具有固定宽度T的方波脉冲作门控信号，时间基准T成为砸门时间。

宽度为T的方波脉冲控制闸门（与非门）的一个输入端B。

当A端接入一个信号源时，经过衰减器的衰减、放大器的放大作用和555定时器构成的整形系统的整形产生一个周期为Tx的序列窄脉冲，当门控信号到来后，闸门开启，周期为Tx的脉冲信号和周期为T的门控信号相与非通过闸门，当两个信号全都为高电平时相与的结果保持A的信号不变，当闸门信号为低电平时，相与结果为低电平，即在示波器上不显示波形。

在闸门的输出端产生的脉冲信号送到计数器，计数器开始计数，直到门控信号结束为止，闸门关闭。

单稳态触发器1的暂态送入锁存器的使能端，使锁存器将结果锁存，这样送到显示器的读书就为稳定值，计数器也停止计数并被单稳态触发器2的暂态清零，以便下次测量数据的准确性。

B

由频率的算法可知闸门的时间决定量程，可以通过闸门时基选择开关选择，T大些，测量准度就高些。

根据被测频率选择闸门时间，显示器的小数点对应闸门显示数据量程。

实验时若未加小数点显示闸门时间T为1s，被测信号频率通过计数锁存可直接从计数显示器上读出。

调试时观测被测信号、闸门信号、清零信号、锁存信号各点波形可得一组完整的数字频率计的波形，各部分的波形如图示。

三、电路设计

3.1单元电路设计

3.1.1衰减放大整形系统

衰减放大整形系统包括衰减器、跟谁器、放大器和施密特触发器，他将正弦波输入信号V1整形成同频率方波V0。

衰减器由分压器构成，测试信号首先通过衰减开关选择衰减倍率，幅值过大的被测信号经分压器分压，送入后级放大系统以免波形失真。

由运算放大器构成的设计跟随器起阻抗变换的作用，使输入阻抗变大，由运算放大器构成的同相放大器的的放大倍数为（Rf=R1）/R1，改变R1的大小可以改变放大倍数。

系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到后的方波到闸门以便计数。

放大电路由3DG100和电阻电容组成，目的是将一定频率的周期信号进行放大。

整形电路由555定时器构成施密特触发器，对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲信号。

3.2时基电路设计

时基电路的作用是产生一个标准的时间信号（高电平持续时间为1s）。

本实验中的标准实际信号根据所提供器件，由555定时器构成的多谐振荡器和3片74LS90构成分频器产生。

其完整电路如下：

当555定时器接通电源后，电压经变位器和两个电阻对电容经行充电，当电压上升到一定电压（该电压由变位器的阻值大小决定，当变位器的阻值为0时，该值为5/3V）时，Uo=0，VT导通，电容通过R2和VT放电，在放电的过程中，电容两端电压下降，当电压下降到一定时，VT管又截止，输出电压又由0变为1，即从低电频跳变为高电频，也就形成了下降沿，如此的，电容周而复始的充放电即形成了连续的矩形脉冲，然后通过三个分频器，使频率计的功能更齐全，能够调整测量频率的范围，使测试范围可以更广。

3.3逻辑控制电路设计

根据上面所示的波形，在时机信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信号的负跳变又用来产生清零信号。

脉冲信号可由两个单稳态触发器74LS221产生，他们的脉冲宽度有电路的时间常数决定。

74LS221是一个单稳态触发器，每一个触发器的功能如下图所示：

由74LS221组成的逻辑控制电路由如下图所示，当1=1B=1时，触发脉冲从1A端输入，在触发端的负跳变作用下，输出端1Q可获得一正脉冲，采用相同的连接在2A端可获得负脉冲。

由芯片74LS221的功能可利用他的可重触发性加宽门控信号，假设未加重触发脉冲时输出端的脉冲宽度为Tw1，加重触发脉冲后的脉冲变为Tw2，则：

Tw2=T+Tw1

Tw1=0.45RextCext

从而可以控制外界电容和电阻的大小来控制电路的时间常数，逻辑控制电路可以利用它产生的上升沿脉冲来控制锁存器的锁存，还可以利用他的下降沿脉冲来控制计数器的清零（也可用手动来清零），如此，逻辑控制电路便实现了控制的功能，控制电路图如下所示：

3.4闸门电路设计

闸门电路由与非门组成，该电路有两个输入端和一个输出端，输入端的一端接门控信号，另一端接整形后的被测方波信号。

闸门是否开通受门控信号的控制，当门控信号为高电平是，闸门开启，而门控信号为低电平时，闸门关闭。

显然，只有在闸门开启的时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门开启时间。

可见，门控信号的宽度一定时，闸门的输出值正比于被测信号的频率，计数显示系统再把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。

3.5计数锁存器

计数锁存电路由计数器和锁存器组成。

计数器由4片74LS90按十进制计数组成，四个芯片级联而组成10000进制的计数器，计数器是将计数器个位的Q4与十位的CPA相连，十位的与百位的相连，百位的与千位的相连，千位的与万位的相连，如此组成进位，然后将在计数清零时将计数结果送入锁存器，从而可以读出稳定的读数。

锁存器的作用是将计数器在1s结束时所得的数进行锁存，使显示器上能稳定的显示此时计数器的值，1s结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送到译码显示器电路图如下：

。

3.6译码显示电路

七段发光二极管数码显示器分为BS201/202（共阴极）和BS211和212（共阳极）两种，本实验采用共阴极的译码器，所谓共阴极就是把发光二极管的阴极都连到一起接地，与其搭配的译码器输出高电平为有效其中，BS201每段的最大驱动电流约为10mA，BS202的最大驱动电流约为15mA，该显示器的外形如下

从锁存器出来的信号是计数器计数器计数后被锁存在锁存器中的信号，是二进制的数，在显示器上不能直接显示，，需要译码器将二进制的数译码成为十进制的数，然后才能在显示器上读出频率。

3.7整体电路图

有前面可知由衰减放大整形系统、时基电路、逻辑控制电路，闸门电路，计数锁存电路，译码显示电路单元电路按前面的整体方图按一定的顺序组合来。

四、电路调试

4.1测试与调整

首先调试555构成的多谢振荡器的产生信号，把该芯片接通电后，测试3号引脚的波形，在刚开始的时候示波器上总是不显示波形，通过测量芯片各个引脚间的电压，最终判断结果是芯片出现问题，于是换了一个555，再次测量出现正确的方波，接着调试输入信号端的，在输入端通一正弦波（电压输入）然后测试555的3号引脚，在第二天测试时得到的总是蛮窄的方波，就一直在那调试，想调试成为和书上一样的波形，但到最后也调不出来，晚上在寝室查质料时发现其实书上的就是小的方波，太小了之后就是变成了书上的那样，接着测量两个通过与非门之后的信号，与书上的基本一致，接着测试了锁存器之前和之后的信号，但锁存器之后有的有信号有的没有信号，以为是线路的问题，就把锁存器周围的电路又检查了一遍发现没什么问题，就有点怀疑是哪个芯片有点问题，就找做这个实验的其他同学接了个锁存器，当接上后，波形就全都出来了，但是在检测的中间显示器有的亮，有的不亮，显示的数据也不是蛮正规的数字，就开始检查电路，但始终检查不出来问题，电路检查了一遍又一遍，还是找不出来问题，最后旁边的同学说，这些面包板有些位置接触不良，然后就不停的按面包板上的线和芯片，虽然说有时候也亮，但也不知道什么时候就灭了，这就没办法了，只能这样了，到这里，基本上都检测完了，就在输入端接一个正弦波信号，改变输入的频率，观察显示器的读数，发现有点小的误差，，就调节衰减整形系统的变位器，是读数基本一致，便调试成功，能成功的测量0到9999HZ的频率，最后改变分频器分频的大小，观察读数变化，能够符合算法设计里的公式即可。

五、设计小结

5.1心得体会与总结

在这次课程设计中，使我体会到了学有所用，真正把以前数电模电的知识用到了其中，让我对数电模电有了跟进一步的了解，虽然说课本上的一些理论都知道，却也不知道有什么实用，这次的课程设计做了频率计后，了解到了现在所学的东西不要自己以为现在没用就不去学，其实一些知识是有很大的用处的，只是我们现在不知道而已，也许现在所学的就是自己感兴趣的，看到自己亲手做出来的频率计后有种莫名的成就感，从一定程度上提高了以后学习的积极性，也使我体会到了设计电路的趣味性，争强了我对这个专业的喜欢，还有连接电路与调试电路过程中的苦与甜，连接电路的过程是一个考验人耐心的过程不能有丝毫的马虎和急躁，得静下心来一根一根的去连接，不然错一根会给后面的调试造成很大的影响，只有踏踏实实的一步一步的走，才能提高效率，最终才能成功，这次课程设计还要求我们对课外的知识也要注意积累，在这次课程设计中有几个芯片是我们在课上没学过的，要求我们到图书馆、网上去找到该芯片的使用方法，对该芯片的功能有一个深刻的理解，这样在连电路的时候就能得心应手，才能真正掌握电路的原理。

对电路的调试也要耐下心来，因为很多芯片不一定是好的，在整个设计的过程中又不少同学就是因为芯片坏了，而纠结在一个地方，在遇到困难时应该沉着冷静，去找出问题的所在，我在调试的过程中也是因为有一个555坏了而浪费了半天时间，差点就放弃了，最后才检查出问题，这就要求我们遇事时要冷静对待。

这次课程设计还要求我们的团队协作能力.

最后感谢老师和各位同学对于我的设计给予的指点和帮助！