数字频率计毕业论文Word文档格式.docx

1、总成绩（百分制）（是否评定为优秀毕业论文）1、指 导 教 师 评 语建议成绩 指导教师签字： 年 月 日2、 论 文 评 阅 教 师 评 语建议成绩 评阅教师签字：3、毕 业 答 亠、丄辩 专 家 组 评 语建议成绩 答辩组长签字：4、 毕 业 设 计 领 导 小 组 推 优 评 语组长签字：毕业论文过程评分表（40% ） 学生班级： 总分:内容态度、纪律（10%）用所学知识分析解 决问题的能力（20%）设计（论文）书 写和水平（10%）考核环节团结协作有 钻研精神爱护公物 文明卫生遵守纪律和制度独立地、熟练地、综 合应用所学知识分 析解决问题的能力工作量难度取得阶段性成果 的水平、学术价值

2、和应用价值分值34205评分评分教师： 评分时间：毕业论文评阅成绩表（30%）设计（论文）内容设计（论文）水平设计（论文）书写内容充实、有阶段性成 果，即有学术或应用价 值。方案选择、论证、设 计、计算正确如实反映设计成 果，有实验数据，又有理论分析。中文摘要 符合要求语句通顺符合逻辑思路清晰图表和曲线清 晰符合规范、文 字工整102毕业论文答辩成绩表（30%）设计（论文）内容（10%）回答问题（10%）设计（论文）质量内容充实、有足够的难度和工作量， 在规定的时间内能够流畅地阐明报告能够回答与设计（论 文）相关的基本问题和扩展问题论文有数据，有分 析，所用数据可靠、 分析正确学生姓名 学生班

3、级：评分教师:评分时间:年月日摘要关键词第一章 技术指标1.1整体功能要求1.2系统结构要求1.3电气指标1.4扩展指标1.5设计条件第二章 整体方案设计2.1算法设计2.2整体方框图及原理第三章 单元电路设计3.1时基电路设计3.2闸门电路设计3.3控制电路设计3.4小数点显示电路设计3.5整体电路图3.6整机原件清单第四章 测试与调整4.1时基电路的调测4.2显示电路的调测4-3计数电路的调测4.4控制电路的调测4.5整体指标测试第五章 设计小结5.1设计任务完成情况5.2问题及改进5.3心得体会附录参考文献频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。扩展功能可以测

4、量信号的周期和脉冲宽度，其应用十分的广泛。在设计的过程，要使其误差小，故要反复认真研究结果，多次认证，才能得出正确的答案。关键词 脉宽 档位转换 驱动器频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信 号的频率值。其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。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，档位转换用于选择测试的项目 频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。数字频率计整体方案结构方框图1.3.1被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。132测量频率范围：分三档：1Hz999Hz0.01kHz9.99kHz0.1kHz99.9kHz1.

5、3.3 测量周期范围：1ms1s134测量脉宽范围：135测量精度：显示3位有效数字（要求分析1Hz、1kHz和999kHz的测量误差）。136当被测信号的频率超出测量范围时，报警.1.4.扩展指标要求测量频率值时，1Hz99.9kHz的精度均为+11.5.设计条件1.5.1 电源条件：+5乂1.5.2可供选择的元器件范围如下表型号名称及功能数量NE555定时器1片741518选1数据选择器2片74153双4选1数据选择器7404六反向器4518十进制同步加/减计数器74132四2输入与非门（有施密特触发器）74160十进制同步计数器3片C392数码管4017十进制计数器/脉冲分配器45114

6、线-七段所存译码器/驱动器TL08410K电位器电阻电容拨盘开关1个门电路、阻容件、发光二极管和转换开关等原件自定第二章整体方案设计频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。被测信号图2-2频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为 1s的闸门信号。改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号 送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸 门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周 期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周 期个数为1s内被测信号

7、的周期个数，即为被测信号的频率。测量 频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在 1s内被测信号的周期量误差在 10 3量级，则要求闸门信号的精度为10 ?量级。例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间 计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10 ?，闸门信号的 误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不会超过 1,符合5*10 3的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门 脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对 误差仍在5*10 3范围内。但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如， 当被测信号为0.5Hz时其周期是2s，这

8、时闸门脉冲仍未1s显然是 不行的，故应加宽闸门脉冲宽度。假设闸门脉冲宽度加至10s，则 闸门导通期间可以计数5次，由于数值5是10s的计数结果，故 在显示之间必须将计数值除以10.图测虽频率的原理框图M-4测屋周期的原理框图输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面 的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整 形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波 转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。 所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较 大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度 较小时，前级输入衰减为零时若不能

9、驱动后面的整形电路，则调 节输入放大的增益，时被测信号得以放大。频率测量：测量频率的原理框图如图 2-3.测量频率共有3个 档位。被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入 闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号有 555定时器构成一 个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信 号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器 的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量 频率的目的。周期测量：测量周期的原理框图 2-4.测量周期的方法与测量 频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方 波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的 1个

10、周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器 记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果 可以换算出被测信号的周期。用时间 Tx来表示：Tx二NTs式中：Tx 为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。 时基电路：时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器， 其两个暂态时间分别为T1=0.7 （Ra+Rb C T2=0.7RbC重复周期为T=T1+T2。由于被测信号范围为1Hz1MH，如果只采 用一种闸门脉冲信号，贝S只能是 10s脉冲宽度的闸门信号，若被 测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长 会给用户带来不便，所以

11、可将频率范围设为几档： 1Hz999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽； 0.1kHz99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分 频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间 1ms0.1ms、0.01ms。 闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、 高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。在实验 中我们采用的就是前一种方案。在电路中引进电位器来调节振荡 器产生的频率。使得能够产生1kHz的信号。这对后面的测量精度 起到决定性的作用。计数显示电路：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

12、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。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信 号。控制电路工作波形的示意图如图 2-5.I jwjnjnjnjwu ” jitl . jltlm U茴雯侑号 LIn- hrurLRnJ rLnnnnJ J 、一71 锁存信号 口I被测信号II闸门信号HI清零信号 v锁存信号图2-5 控制电路工作波形示意第三章单元电路设计图3-1时基电路与分频电路它由两部分组成：如图3-1所示，第一部分为555定时器组成的振荡器（即脉冲产 生电路）,要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式 为:f=1.43/（R1+

13、2*R2）*C）, 因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了 R1取430欧姆,R3取500欧姆，电容取1uF.这样我们得到了比 较稳定的脉冲。在R1和R3之间接了一个10K的电位器便于在后面调 节使得555能够产生非常接近1KHz的频率。第二部分为分频电路， 主要由4518组成（4518的管脚图，功能表及波形图详见附录），因 为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信 号要求为0.01s、0.1s和1s。4518为双BCD加计数器，由两个相同 的同步4级计数器构成，计数器级为 D型触发器，具有内部可交换 CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算

14、中， EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。计数 器在脉动模式可级联，通过将Q3连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。如图3-2所示，555产生的1kHz的信号经过三次分频后得到 3个频率分别为100Hz 10Hz和1Hz的方波。如图3-3所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100 分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是 1Hz;当CBA输入010时 74151输出的方波的频率是 10Hz;当CBA输入011时74151输出的方 波的频率是100H

15、z这里我们以输出100Hz的信号为例。分析其通过4017后出现的波形图（4017的管脚图、功能表和波形图详见附录）。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP CR INH输入端， 时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升 和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作 为4017的CP端，如图3-3，信号通过4017后，从Q1输出的信号高 电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。74+61N4图3-3闸门电路频率为100H込的方波4013

16、的Q1输 出信号图3-4通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生74160的清零信号，4511的锁存信号。图3-5整制肉欺 樽电辭1购显示枫电朋控制电路。计数电路和译码显示电路详细的电路如图 3-5所示。74153的CBA接 001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频 率的功能。当74153的CBA接 100的时候实现的是测量被测信号周期 的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的 功能。图3-6是测试被测信号频率时的计数器 CP信

17、号波形、PT端输 入波形、CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图。其中第一个波形 是被测信号的波形图、第二个是 PT端输入信号的波形图、第三个是 计数器的清零信号。第四个是锁存信号。 PT是高电平的时候计数器开始工作。CLR为低电平的时候，计数器清零。根据图得知在计数之 前对计数器进行了清零。根据 4511（ 4511的管脚图和功能表详见附 录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候， 4511不送数。如果不让4511锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。 由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发 现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码

18、管 不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图 可以看到，当PT到达下降沿的时候，此时4511的LE端的输入信号 也刚好到达下降沿图3-6计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波 形、4511锁存端波形图图3-6，是测量被测信号频率是 1.1KHZ的频率的图。由于multsisim软件篇幅的关系。时基电路产生的信号直接用信号发生器 来代替。图中电路1K的信号经过分频后选择的是100Hz的信号为基 准信号。那么这个电路实现测量频率的范围是 0.01KHz9.99KHz的信 号的频率。同时控制电路也实现了对被测信号的周期和脉宽的测量。当CBA的取一定的值，电路实现一

19、定的测量功能。在测量频率的时候，由于分3个档位，那么在不同的档的时候， 小数点也要跟着显示。比如CBA接 011测量频率的时候，它所测信号 频率的范围是0.1KHz99.9KHz,那么在显示的时候三个数码管的第 二个数码管的小数点要显示。CBA接 010测量频率的时候，它所测信 号频率的范围是0.01KHz9.99KHz,那么显示的时候，最高位的数码 管的小数点也要显示。对比一下两个输入的高低电平可以发现 CA位不一样，显示的小数点就不一样。我们可以想到可以通过74153数据 选择器来实现小数点显示的问题。具体的实现方法见图 3-7所示。图3-8整体电路图元件555定时器一片8.2K?一个两片

20、5.1K?三片三个LED灯保护电阻四个0.01卩F电容两个5V直流电源导线若干第四章测试与调整首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡 器的两个暂态时间公式，选择 R仁8.2K? , R2=5.1K? , C=0.01讣 把555产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率 为1KHz。同时输出信号的频率也要稳定。测完后，下面测试分频后 的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频的输出端，测试其信 号。测出来的信号频率和理论值很接近。 由于是将示波器的测量端分 别测量每个原件的输出端。下面我在实验中把 74151和拨盘开关接好，通过拨盘开关来控制 74151的输出信

21、号，把示波器的测量端接 74151的输出端。在CBA取三个不同的高低电平时，得到三个不同 频率的信号。具体的波形图见图3-2所示。这里就不再重复了。这样,时基电路这部分就测试完毕，没有问题了由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示 电路和计数电路。首先是对数码管（数码管的管脚图和功能表详见附录）的显示进行了调测图4-1显示电路调测连接图如图4-1所示接好显示电路（这里就只给出一个数码管说明一下）。 然后将4511的5端接地。然后给4511的6217端分别接高低电平， 数码管就会显示对应的数字。比如 6217分别接100

22、0,那么数码管就 对应显示数字8.同样，还有两个数码管也按上图接好。接好后的测试 方法同上。这样，显示电路也就搞好了。图4-2计数电路调测连接图计数电路按照图4-2所示连接好，将74160的PT端，CLR端,LD端都接高电平，3个74160级联，构成异步十进制计数器。同时4511的5端要接0,在调测的过程中，我忘记将其置零，导致在后面 数码管一直不显示数字。接好后，给最低位的 74160 一个CP信号。 让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。 这样，计数器就开始计数了。数码管从000999显示。计数电路就这样搞好了。在调测的过 程中，74160的CLR端，LD端，4511的5端都是用临时的线

23、连接 因为在后面这些端都是连接控制电路产生清零、锁存信号的输出端。图47控制电路连接图控制电路的连接图如图4-3所示，其中两个74153的BA端分别接了 01, 4017的输入的CP的频率是100Hz,此时的功能是测量范围是0.1KHz99.9KHz。由此得出下面调试波形图 44:PT端的输入信号 : ； 111 | I|i | ii |i bp I q |i I清零信号 i ih I | | | I | | | I * | I |I | N ）4锁存信号 I ji s R图4-4控制电路调测波形图由调试波形可以知道电路设计是正确的。这部分是测量频率的功能同时控制电路还要实现测量周期和脉宽的功

24、能， 在前面已经说明的如 何测量周期的算法，它的方法刚好和测量频率的相反，测频率的时候 时基信号作为闸门信号，而测量周期是将被测信号作为闸门信号。图4-5测量周期调测图图4-6测量周期连接图（部分）测量周期的时候只需将74153的CBA置100就可以实现了。当74153 的CBA为100的时候，74153的1Y输出的信号为被测信号，在图中 接的是函数信号发生器，它产生的是频率为 20Hz的方波。这个信号作为4017的CP信号。根据图4-6可以知道74151的输出的信号是被 测信号fx，经过4017后的输出信号信号Q1、Q2的脉宽刚好为fx的 周期，这个原理在前面测量频率部分已经介绍过， 这里就

25、不再重复了。其中Q1信号非一下，就可以作为74160的CLR端的清零信号，Q2 的信号接74160的PT端作为的闸门信号，在 PT 一直为高电平的时 候计数器计数。PT的高电平持续的时间刚好为fx的周期。在闸门导 通的时间，即PT 一直为高电平的时候，计数器记录标准时基信号通 过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周 期，用时间Tx来表示：Tx二NTs式中：Tx为被测信号的周期;Ts为时钟信号周期。根据Ts=1ms, N=50.可以知道被测信号的周期为 50ms,在电路中我 们给出被测信号的频率为20Hz。那么测量的结果和理论值是一样的。 以上是对被测信号周期测量的部分。调

26、测过程中电路的输入输出波形 图见图4-7,其中的控制计数器计数的原理和测量频率所用的方法一 样。74160JJ PT 端愉入信号74160CLR 端输入信号4511锁存端LE信号图4-7测屋频率电路的调测波形图最后是测量脉宽部分的调测。测量脉冲宽度的原理与测量周期的原理 十分相似。所不同的是，它直接用整形后的脉冲信号的宽度 tw作为闸门的导通时间。在闸门导通的时间内，测量时基信号的重复周期， 并由式tw二NTs得出脉冲宽度值。如图4-8所示，与图4-7对比一下， 会发现PT信号，CLR端信号，锁存信号的脉宽为 4-7图中对应的 波形脉宽的一半。那么最终数码管显示的数字应该是 25.实际的测量值也与理论值非常接近。那么到此，整个控制电路部分实现的控制功 能都已经实现了。到这里，会发现控制电路这个模块在这个课程设计 中占的分量。也是整个设计过程的精华所在。把控制电路这部分搞定， 那么本次的课程设计也就基本完成了。4.5 整体指标测试