1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 CQWU/JL/JWB/ZY084-02學(xué)年論文（課程論文、課程設(shè)計(jì)）題 目： 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì) 學(xué)號(hào)姓名： 9 彭建華 所在系別： 電子電氣工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)年級(jí)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2006級(jí) 指導(dǎo)教師： 譚 菊 職 稱(chēng)： 講 師 2009年 12 月 23日目 錄摘   要-31引言-32. 單元電路設(shè)計(jì)-72.1時(shí)基電路設(shè)計(jì)-72.2閘門(mén)電路設(shè)計(jì)-92.3控制電路設(shè)計(jì)-102.4整形電路設(shè)計(jì)-122.5整體電路圖-142.6整機(jī)元件清單-163. 設(shè)計(jì)小結(jié)-163.1 系統(tǒng)調(diào)試情況-163.2心得體會(huì)-16參考文獻(xiàn)-17致 謝-17 摘 要本

2、次課程設(shè)是針對(duì)簡(jiǎn)易頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有電路仿真都是基于multisim仿真軟件，另外Protues也行。本課程設(shè)計(jì)介紹了簡(jiǎn)易頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案及其基本原理，并著重介紹了頻率計(jì)各單元電路的設(shè)計(jì)思路，原理及仿真，整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。整個(gè)設(shè)計(jì)配以仿真電路圖和波形圖加以輔助說(shuō)明。設(shè)計(jì)共有三大組成部分：一是原理電路的設(shè)計(jì)，本部分詳細(xì)講解了電路的理論實(shí)現(xiàn)，是關(guān)鍵部分；二是仿真結(jié)果及分析，這部分是為了分析電路是否按理論那樣正常工作，便于理解。三是性能測(cè)試，這部分用于測(cè)試設(shè)計(jì)是否符合任務(wù)要求。最后是對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的總結(jié)。關(guān)鍵字：頻率計(jì)、時(shí)基電路、邏輯控制、分頻、計(jì)數(shù)、邏輯顯示1

3、.引言信號(hào)的頻率就是信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，其表達(dá)式為f=N/T，其中f為被測(cè)信號(hào)的頻率，N為技術(shù)其所累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)，T為產(chǎn)生N個(gè)脈沖所需的時(shí)間。技術(shù)其所記錄的結(jié)果，就是被測(cè)信號(hào)的頻率。如在1s內(nèi)記錄1000個(gè)脈沖，則被測(cè)信號(hào)的頻率為1000HZ。測(cè)量頻率的基本方法有兩種：計(jì)數(shù)法和計(jì)時(shí)法，或稱(chēng)測(cè)頻法和測(cè)周期法。計(jì)數(shù)法是將被測(cè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)定時(shí)閘門(mén)加到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如果閘門(mén)打開(kāi)的時(shí)間為T(mén)，計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值為N1，則被測(cè)頻率為f=N1/T。改變時(shí)間T，則可改變測(cè)量頻率范圍。如圖1-1所示。計(jì)數(shù)值N1T被測(cè)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)閘門(mén)圖1-1測(cè)頻法測(cè)量原理 設(shè)在T期間，計(jì)數(shù)器的精確計(jì)數(shù)值應(yīng)為N,根

4、據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)特性可知，N1的絕對(duì)誤差是N1=N+1,N1的相對(duì)誤差為N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相對(duì)誤差可知，N的數(shù)值愈大，相對(duì)誤差愈小，成反比關(guān)系。因此，在f以確定的條件下，為減少N的相對(duì)誤差，可通過(guò)增大T的方法來(lái)降低測(cè)量誤差。當(dāng)T為某確定值時(shí)（通常取1s），則有f1=N1,而f=N，故有f1的相對(duì)誤差：f1=(f1-f)/f=1/f 從上式可知f1的相對(duì)誤差與f成反比關(guān)系，即信號(hào)頻率越高，誤差越??；而信號(hào)頻率越低，則測(cè)量誤差越大。因此測(cè)頻法適合用于對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量，頻率越高，測(cè)量精度也越高。計(jì)時(shí)法又稱(chēng)為測(cè)周期法，測(cè)周期法使用被測(cè)信號(hào)來(lái)控制閘門(mén)的開(kāi)閉，而將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基脈沖通過(guò)閘門(mén)加

5、到計(jì)數(shù)器，閘門(mén)在外信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)打開(kāi)，這樣計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值就是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基脈沖外信號(hào)的周期值，然后求周期值的倒數(shù)，就得到所測(cè)頻率值。首先把被測(cè)信號(hào)通過(guò)二分頻，獲得一個(gè)高電平時(shí)間是一個(gè)信號(hào)周期T的方波信號(hào)；然后用一個(gè)一直周期T1的高頻方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，在一個(gè)信號(hào)周期T的時(shí)間內(nèi)對(duì)T1信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如圖1-2所示。圖2-2計(jì)時(shí)法測(cè)量原理圖1-2計(jì)時(shí)法測(cè)量原理若在T時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值為N2,則有：T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2 N2的絕對(duì)誤差為N2=N+1。N2的相對(duì)誤差為N2=(N2-N)/N=1/NT2的相對(duì)誤差為T(mén)2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f

6、/f1從T2的相對(duì)誤差可以看出，周期測(cè)量的誤差與信號(hào)頻率成正比，而與高頻標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)信號(hào)的頻率成反比。當(dāng)f1為常數(shù)時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率越低，誤差越小，測(cè)量精度也就越高。 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求的性能與技術(shù)指標(biāo)，首先需要確定能滿足這些指標(biāo)的頻率測(cè)量方法。有上述頻率測(cè)量原理與方法的討論可知，計(jì)時(shí)法適合于對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量，而計(jì)數(shù)法則適合于對(duì)較高頻信號(hào)的測(cè)量。但由于用計(jì)時(shí)法所獲得的信號(hào)周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運(yùn)算才能得到信號(hào)頻率，而求倒數(shù)運(yùn)算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路較難實(shí)現(xiàn)，因此，計(jì)時(shí)法不適合本實(shí)驗(yàn)要求。測(cè)頻法的測(cè)量誤差與信號(hào)頻率成反比，信號(hào)頻率越低，測(cè)量誤差就越大，信號(hào)頻率越高，其誤差就越小。但用測(cè)頻法所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)

7、，在閘門(mén)時(shí)間為一秒時(shí)，不需要進(jìn)行任何換算，計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)據(jù)就是信號(hào)頻率。因此，本實(shí)驗(yàn)所用的頻率測(cè)量方法是測(cè)頻法。 二、整體方框圖及原理 由測(cè)頻法構(gòu)成的數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖如圖1-3所示圖1-3數(shù)字頻率計(jì)原理圖輸入電路：由于輸入的信號(hào)可以是正弦波，三角波。而后面的閘門(mén)或計(jì)數(shù)電路要求被測(cè)信號(hào)為矩形波，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測(cè)量的時(shí)候，首先通過(guò)整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱的情況。所以在通過(guò)整形之前通過(guò)放大衰減處理。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較大時(shí)，通過(guò)輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較小時(shí)，前級(jí)輸入衰減為零時(shí)若不能驅(qū)動(dòng)后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入

8、放大的增益，時(shí)被測(cè)信號(hào)得以放大。頻率測(cè)量：被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)（矩形波或者方波），送入閘門(mén)電路，等待時(shí)基信號(hào)的到來(lái)。時(shí)基信號(hào)有555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)，作為閘門(mén)開(kāi)通的基準(zhǔn)時(shí)間。被測(cè)信號(hào)通過(guò)閘門(mén)，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器即開(kāi)始記錄時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，這樣就達(dá)到了測(cè)量頻率的目的。 時(shí)基電路：時(shí)基信號(hào)由555定時(shí)器、RC組容件構(gòu)成多諧振蕩器，其兩個(gè)暫態(tài)時(shí)間分別為 T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC重復(fù)周期為 T=T1+T2 。由于被測(cè)信號(hào)范圍為100Hz100kHz，如果只采用一種閘門(mén)脈沖信號(hào)，則只能是10s脈沖寬度的閘門(mén)信號(hào)，若

9、被測(cè)信號(hào)為較高頻率，計(jì)數(shù)電路的位數(shù)要很多，而且測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)不便，所以可將頻率范圍設(shè)為幾檔： 1Hz999Hz檔采用1s閘門(mén)脈寬；0.01kHz9.99kHz檔采用0.1s閘門(mén)脈寬；0.1kHz99.9kHz檔采用0.01s閘門(mén)脈寬,1kHz100kHz。多諧振蕩器經(jīng)二級(jí)10分頻電路后，可提取因檔位變化所需的閘門(mén)時(shí)間1s、0.1s、0.01s、1ms。閘門(mén)時(shí)間要求非常準(zhǔn)確，它直接影響到測(cè)量精度，在要求高精度、高穩(wěn)定度的場(chǎng)合，通常用晶體振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中我們采用的就是前一種方案。為使產(chǎn)生的脈沖波的占空比為50%，在電路中引進(jìn)二極管來(lái)將充放電回路分開(kāi)，具體說(shuō)明放到單元電路得分析中

10、。 計(jì)數(shù)顯示電路：在閘門(mén)電路導(dǎo)通的情況下，開(kāi)始計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)中有多少個(gè)上升沿。在計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，此時(shí)要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字?？刂齐娐罚嚎刂齐娐防锩嬉a(chǎn)生計(jì)數(shù)清零信號(hào)和鎖存控制信號(hào)?？刂齐娐饭ぷ鞑ㄐ蔚氖疽鈭D如圖1-4. 2.單元電路設(shè)計(jì)2.1、時(shí)基電路設(shè)計(jì)它由兩部分組成: 圖2-1 脈沖產(chǎn)生電路 圖2-2 分頻電路如圖2-1所示，為555定時(shí)器組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生100kHz的脈沖.振蕩器的頻率計(jì)算公式為:f=1.43/(R1+2*R2)*C),因此,我們可以計(jì)算出各個(gè)參數(shù)通過(guò)計(jì)算確定了R5取71.5歐姆,R6取71.5歐姆,電容取10nF.

11、這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。在管腳2和7之間加了兩個(gè)反方向的二極管，這樣就將原來(lái)由R5、R6、C6構(gòu)成的充電回路和由R6、C6構(gòu)成的放電回路的重合部分分開(kāi)，得到由R5、D2構(gòu)成的充電回路和由R6、C1構(gòu)成的放電回路，當(dāng)R5、R6的取值在符合周期要求的前提下，取相等的值，由占空比=充電時(shí)間/周期可得到占空比為50%的脈沖波形。圖2-2為分頻電路,主要由74LS90組成（74LS90的管腳圖，功能表及波形圖詳見(jiàn)附錄），因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的是100KHz的脈沖,也就是其周期是0.00001s,而時(shí)基信號(hào)要求為0.001、0.01s、0.1s和1s。4518為雙BCD加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器

12、構(gòu)成，計(jì)數(shù)器級(jí)為D型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在時(shí)鐘上升沿或下降沿加計(jì)數(shù)，在單個(gè)運(yùn)算中，EN輸入保持高電平，且在CP上升沿進(jìn)位，CR線為高電平時(shí)清零。計(jì)數(shù)器在脈動(dòng)模式可級(jí)聯(lián)，通過(guò)將Q³連接至下一計(jì)數(shù)器的EN輸入端可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，同時(shí)后者的CP輸入保持低電平。 如圖2-3所示，555產(chǎn)生的1kHz的信號(hào)經(jīng)過(guò)三次分頻后得到3個(gè)頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz的方波。圖2-3 1kHz的方波分頻后波形圖2.2、閘門(mén)電路設(shè)計(jì) 如圖3-3所示，通過(guò)74151數(shù)據(jù)選擇器來(lái)選擇所要的10分頻、100分頻和1000分頻。74151的CBA接撥盤(pán)開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)選頻進(jìn)行控制。當(dāng)CBA輸入001

13、時(shí)74151輸出的方波的頻率是1Hz；當(dāng)CBA輸入010時(shí)74151輸出的方波的頻率是10Hz；當(dāng)CBA輸入011時(shí)74151輸出的方波的頻率是100Hz；這里我們以輸出100Hz的信號(hào)為例。分析其通過(guò)7474后出現(xiàn)的波形圖（7474的管腳圖、功能表和波形圖詳見(jiàn)附錄）。7474是5位計(jì)數(shù)器，具有10個(gè)譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端，時(shí)鐘輸入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無(wú)限制，INH為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。100Hz的方波作為4017的CP端，如圖3-3，信號(hào)通過(guò)4017后，從Q1輸出的信號(hào)高電平的脈寬剛好為100Hz信號(hào)的一個(gè)周期，相當(dāng)于將原信號(hào)二分頻。

14、也就是Q1的輸出信號(hào)高電平持續(xù)的時(shí)間為10ms，那么這個(gè)信號(hào)可以用來(lái)導(dǎo)通閘門(mén)和關(guān)閉閘門(mén)。圖3-3閘門(mén)電路圖23、控制電路設(shè)計(jì)通過(guò)分析知道控制電路這部分是本實(shí)驗(yàn)的最為關(guān)鍵和難搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個(gè)小的模塊，通過(guò)控制選擇所要測(cè)量的東西。比如頻率，周期，脈寬。同時(shí)控制電路還要產(chǎn)生74Ls90的清零信號(hào)，74Ls374的鎖存信號(hào)。 圖3-4 控制電路、計(jì)數(shù)電路和譯碼顯示電路圖控制電路、計(jì)數(shù)電路和譯碼顯示電路詳細(xì)的電路如上圖所示。當(dāng)74151的CBA接001、010、011的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)頻率的功能。圖3-5是測(cè)試被測(cè)信號(hào)頻率時(shí)的計(jì)數(shù)器CP信號(hào)波形、CLK0端輸入波形、R0段清

15、零信號(hào)波形、74LS374鎖存端波形圖。其中第一個(gè)波形是被測(cè)信號(hào)的波形圖、第二個(gè)是CLK0端輸入信號(hào)的波形圖、第三個(gè)是計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)。第四個(gè)是鎖存信號(hào)。CLK0是高電平的時(shí)候計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作。R0為低電平的時(shí)候，計(jì)數(shù)器清零。根據(jù)圖得知在計(jì)數(shù)之前對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行了清零。根據(jù)74374（74374的管腳圖和功能表詳見(jiàn)附錄）的功能表可以知道，當(dāng)鎖存信號(hào)為高電平的時(shí)候，74374不送數(shù)。如果不讓74374鎖存的話，那么計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)一直往數(shù)碼管里送。由于在計(jì)數(shù)，那么數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字，由于頻率大，那么會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直在閃動(dòng)。那么通過(guò)鎖存信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的時(shí)候讓數(shù)碼管不顯示，計(jì)完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)器

16、計(jì)到的數(shù)字的功能。根據(jù)圖可以看到，當(dāng)CLK0到達(dá)下降沿的時(shí)候，此時(shí)74374的OE端的輸入信號(hào)也剛好到達(dá)下降沿。圖3-5計(jì)數(shù)器CP信號(hào)波形、CLK0端輸入波形、R0段清零信號(hào)波形、74374鎖存端波形圖圖3-5，是測(cè)量被測(cè)信號(hào)頻率是1.1KHz的頻率的圖。由于multsisim軟件篇幅的關(guān)系。時(shí)基電路產(chǎn)生的信號(hào)直接用信號(hào)發(fā)生器來(lái)代替。圖中電路1K的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻后選擇的是100Hz的信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)。那么這個(gè)電路實(shí)現(xiàn)測(cè)量頻率的范圍是0.01KHz9.99KHz的信號(hào)的頻率。同時(shí)控制電路也實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期和脈寬的測(cè)量。當(dāng)CBA的取一定的值，電路實(shí)現(xiàn)一定的測(cè)量功能。2.4、整形電路的設(shè)計(jì)整形電路

17、采用由555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，實(shí)際電路圖如下： 圖3-6 整形電路圖如圖將555定時(shí)器的2和6管腳輸入端連在一起作信號(hào)的輸入端，就可組成施密特促觸發(fā)器。為了濾除高頻干擾，提高比較器參考電壓的穩(wěn)定性，將5管腳通過(guò)0.01F電容接地。其工作圖形如圖所示。 因此，不論輸入何種波形，經(jīng)過(guò)放大整形電路后，可變成脈沖波形，該脈沖波形的周期與源輸入信號(hào)的周期完全一致，利用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖波形的計(jì)數(shù)功能，再配合閘門(mén)信號(hào)就可測(cè)量出在時(shí)間T內(nèi)通過(guò)的原信號(hào)的周期個(gè)數(shù)N。2.5、整體電路圖 圖3-7整體電路圖 2.6、整機(jī)原件清單元件數(shù)量元件數(shù)量555定時(shí)器兩片74374兩個(gè)71.5K兩個(gè)74151一片7474一個(gè)74

18、48四個(gè) 7490十個(gè)導(dǎo)線若干數(shù)碼管四個(gè)保護(hù)電阻四個(gè)0.01F電容兩個(gè)5V直流電源四個(gè)3設(shè)計(jì)小結(jié)3.1、系統(tǒng)調(diào)試情況通過(guò)為期兩周的課程設(shè)計(jì)，完成了本次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于控制電路這部分比較難做，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)仔細(xì)的研究操作，最終完成的設(shè)計(jì)任務(wù)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果。3.2、心得體會(huì)本次實(shí)習(xí)讓我們體味到設(shè)計(jì)電路、調(diào)測(cè)電路過(guò)程中的甘甜苦樂(lè)。設(shè)計(jì)是我們將來(lái)必需的技能，這次實(shí)習(xí)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，從到圖書(shū)館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電路的調(diào)試成功，都對(duì)我所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)。在實(shí)習(xí)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了以前學(xué)的數(shù)字電路的知識(shí)掌握的不牢。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了一些以前沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)的元件，但是通過(guò)查找資料來(lái)學(xué)習(xí)這些元件的功能和使用。制作過(guò)程是一個(gè)考驗(yàn)人耐心的過(guò)程，不能有絲毫的急躁，馬虎，對(duì)電路的調(diào)試要一步一步來(lái)，不能急躁，因?yàn)槭窃陔娔X上調(diào)試，比較慢，又要求我們