1、贛南師院物理與電子信息學(xué)院數(shù)字電路課程設(shè)計報告書姓名： 班級：09電子信息工程本科班 學(xué)號： 時間： 2010年 6 月5 日 目 錄1設(shè)計要求2設(shè)計方案的選擇與論證 2.1 設(shè)計思路2.2 設(shè)計方案的選擇3單元電路設(shè)計與分析3.1 數(shù)字頻率計的基本原理 3.2 數(shù)字頻率計的設(shè)計 3.2.1 放大整形電路 3.2.2 時基電路 3.2.3 二分頻電路3.2.4 邏輯控制電路3.2.5 鎖存及譯碼顯示電路4 電路圖及設(shè)計文件 4.1系統(tǒng)電路原理圖4.1.1時基電路部分原理圖4.1.2分頻電路部分原理圖4.1.3計數(shù)功能部分原理圖4.1.4譯碼鎖存顯示原理圖4.1.5總設(shè)計原理圖5.電路的安裝與調(diào)

2、試6. 元件清單7 .設(shè)計心得及體會8. 參考文獻設(shè)計題目：頻率計的設(shè)計1設(shè)計要求1.1 計數(shù)器被測信號的頻率范圍為199hz；1.2 用二位數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)；1.3 設(shè)計計數(shù)頻率時間為2s；1.4需要有保持時間，以便讀取被測信號的頻率顯示值。2設(shè)計方案的選擇與論證2.1設(shè)計思路（原理圖） 圖2.1 簡易數(shù)字頻率計的組成框圖2.2 設(shè)計方案的選擇方案一：整個電路綜合使用了與門、非門、555定時器、顯示器、74ls48譯碼器、74ls273鎖存器、74ls90計數(shù)器等等的邏輯器件和施密特、可重觸發(fā)器等模擬電子器件來實現(xiàn)設(shè)計要求且可用三位顯示。 圖3.2.1方案一原理圖設(shè)計方案二：采用cd401

3、10為十進制可逆計數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動器，具有加減計數(shù)，計數(shù)器功能來替代74ls48譯碼器、74ls273鎖存器從而使電路變得簡單易行。方案三：采用80c51單片機以及外加電路實現(xiàn)頻率計數(shù)功能。初步想法是利用定時計數(shù)器對外部脈沖進行頻率計數(shù)。經(jīng)比較，方案一是傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計設(shè)計方法，但是其中涉及器件多，將整體電路分成了多個模塊，焊電路板時不易合理進行分部，制造工藝困難且成本高；方案二中采用cd40110可以將冗雜的電路化簡，可以減少器件，降低成本，使焊接電路更美觀的同時，讓電路進行調(diào)試時可以更容易發(fā)現(xiàn)問題所在。對比之下，方案三應(yīng)是三個方案之中涉及原件最少的方案，鑒于方案三中主要所涉及的軟

4、件編程以及外加電路處理還沒有較為深刻的認識，所以最后決定采用方案二進行整體電路的設(shè)計，同時加強個人硬件設(shè)施方面的能力。3單元電路設(shè)計與分析3.1 簡易數(shù)字頻率計設(shè)計的基本原理：所謂頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：在特定時間間隔t內(nèi)測得被測信號的周期個數(shù)為n時，則被測信號的頻率可表示為f=n/t 頻率計主要由四個部分構(gòu)成：放大整形電路，時基電路，邏輯控制電路，鎖存器。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個輸入端。主門的另外一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘

5、門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進入計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設(shè)置。3.2 數(shù)字頻率的設(shè)計3.2.1 放大整形電路放大整形電路由晶體管3dg100與74ls00或cd4011等組成，其中3dgl00組成放大器將輸入頻率。為f x 的周期信號如正弦波、三角波等進行放大，與非門74ls00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放 大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。或直接輸入一個矩形脈沖。圖3.2.1 放大整形電路3.2.2 時基電路555定時器應(yīng)用為多諧振蕩電路時，當電源接通vcc通過電阻r1.

6、r2向電容c充電，其上電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當u上升至2/3vcc，會使比較器c1輸出翻轉(zhuǎn)，輸出電壓為零，同時放電管t導(dǎo)通，電容c通過r2放電；當電容電壓下降到1/3vcc，比較器c2工作輸出電壓變?yōu)楦唠娖剑琧放電終止，vcc通過r1。r2又開始充電；周而復(fù)始，形成振蕩。則其振蕩周期與充放電時間有關(guān)，也就是與外接元件有關(guān)，不受電源電壓變化影響。輸出波形的振蕩周期可用過渡過程公式計算： 、當時， 把代入三要素方程。于是可解出: ，又、 、當時，代入公式,于是可解出：振蕩周期 t于是為了產(chǎn)生周期為2秒的脈沖，可以使、同時可以通過調(diào)節(jié)rp來使得555產(chǎn)生的振蕩頻率在)1hz4hz，即實現(xiàn)秒脈沖進行計數(shù)

7、，同時方波信號的高電平持續(xù)時間長，低電平持續(xù)時間短，ne555的3號腳輸出頻率為2 hz的秒脈沖。時基電路的作用是產(chǎn)生一個標準時間信號（高電平持續(xù)時間為 1s），由定時器555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生。若振蕩器的頻率 f0 = 1/(t1 +t 2 )= 0.8hz，則振蕩器的輸出波形如圖1中的波形ii所示，其中t1=2s，t2=0.25s。由公式t1=0.7(r1+r2)c和t2=0.7r2c，可計算出電阻r1、r2及電容c的值如圖3.2.2圖3.2.2 ne555產(chǎn)生秒脈沖3.2.3 二分頻電路由數(shù)字電路的學(xué)習(xí)課程可知，將2號引腳與6號引腳連接在一起可以構(gòu)成d觸發(fā)器，則可以構(gòu)成二分頻電路，由于

8、該課程設(shè)計持續(xù)時間為2秒，則記得的頻率數(shù)據(jù)則是實際的2倍，因此，在此電路設(shè)計中應(yīng)當增加一個二分頻電路，使得數(shù)碼管顯示的數(shù)字與輸入的實際脈沖頻率一致。圖3.2.3 d觸發(fā)器分頻電路圖3.2.4邏輯控制電路十進制計數(shù)分頻器cd4017，其內(nèi)部由計數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實現(xiàn)對脈沖信號的分配，整個輸出時序就是o0、o1、o2、o9依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。 cd4017有10個輸出端（o0o9）和1個進位輸出端o5-9。每輸入10個計數(shù)脈沖，可得到1個進位正脈沖，該進位輸出信號可作為下一級的時鐘信號。rst（圖中為15號腳r）為清零端，當在rst端上加高電平或正脈沖時其

9、輸出為高電平，其余輸出端（o1o9）均為低電平。當cd4017有連續(xù)脈沖輸入時，其對應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。當555的3號端輸出的方波振蕩信號經(jīng)f3反向之后，作為控制信號加到4017的clk端（圖中為14號腳）產(chǎn)生時序控制信號，從而實現(xiàn)2s內(nèi)的脈沖計數(shù)，即頻率檢測，數(shù)字的保持及自動清零。當f3輸出端輸出第一個高電平脈沖信號時，這個脈沖使得q1輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?，?017的第二個脈沖到來之前q1將一直保持高電平。當?shù)谌齻€脈沖到來時，q2端變?yōu)榈碗娖剑琿3端變?yōu)楦唠娖?，但由于q3端與4017的清零端連接，這個高電平使4017清零q1， q2， q3，端圖3

10、.2.4 cd4017芯片圖全變?yōu)榈碗娖?，?017的q3端輸出瞬間高電平通過二極管加到了40110的清零端，使得計數(shù)器及數(shù)顯清零，以便下次重新計數(shù)。（注：此處所說的q1q9即為圖中的y0y9）3.2.5 鎖存及譯碼顯示電路40110 為十進制可逆計數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動器，具有加減計數(shù)，計數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。 40110 有2 個計數(shù)時鐘輸入端cpu 和cpd 分別用作加計數(shù)時鐘輸入和減計數(shù)時鐘輸入。由于電路內(nèi)部有一個時鐘信號預(yù)處理邏輯，因此當一個時鐘輸入端計數(shù)工作時，另一個時鐘輸入端可以是任意狀態(tài)。 40110 的進位輸出co 和借位輸出bo 一般為高電平，當計數(shù)器從

11、09 時，bo 輸出負脈沖；從90 時co 輸出負脈沖。在多片級聯(lián)時，只需要將co 和bo分別接至下級40110 的cpu 和cpd 端，就可組成多位計數(shù)器。引出端符號： bo 借位輸出端， co 進位輸出端， cpd 減計數(shù)器時鐘輸入端，cpu 加計數(shù)器時鐘輸入端，cr 清除端，/ct 計數(shù)允許端，/le 鎖存器預(yù)置端， vdd 正電源 ，vss 地，ya6g 鎖存譯碼輸出端。如圖3.2.5在當?shù)谌齻€脈沖到來之前，q2輸出端保持高電平時間為2秒，即為數(shù)字保持時間，可在2秒讀取被測信號的頻率顯示值。第三個脈沖到來之后，當4017的q3端輸出瞬間高電平時，通過二極管加到了cd 40110（1），

12、（2）的清零端，使得計數(shù)器及數(shù)顯清零，以便下次重新計數(shù)。所以cd40110在電路中起到了計數(shù)，鎖存，譯碼的多重功能作用。圖3.2.5 cd40110芯片圖4 電路圖及設(shè)計文件4.1時基電路部分原理圖圖4.1時基電路部分4.2分頻電路功能部分原理圖圖4.2分頻電路部分4.3計數(shù)功能部分原理圖圖4. 3計數(shù)功能部分原理圖4.4譯碼鎖存顯示原理圖圖 4. 4譯碼鎖存顯示原理圖4.5 總設(shè)計電路原理圖圖4.5簡易數(shù)字頻率計數(shù)器總設(shè)計原理圖5.電路的安裝與調(diào)試將所焊接作品的電源(實際電源大約57v即可)以及地線都接好，2位數(shù)碼管將無規(guī)律的跳變，但具有停留在某一數(shù)字1-2秒的功能，即具有鎖存的功能，當通過

13、調(diào)節(jié)秒脈沖發(fā)生器，即555時基電路，可以調(diào)節(jié)cp脈沖的頻率使得函數(shù)信號發(fā)生器輸出的方波頻率與2位共陰的數(shù)碼管顯示的頻率相同，然后改變函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率在099hz變化，這時數(shù)碼管顯示的頻率也將會隨著改變，并顯示的頻率與函數(shù)信號發(fā)生器顯示的頻率相同。允許有細小范圍內(nèi)的誤差存在，若函數(shù)信號發(fā)生器顯示方波頻率為24hz，則數(shù)碼管顯示頻率也大致為24hz.則表明該電路設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)字頻率計的功能。6. 元件清單7. 設(shè)計心得及體會通過這次數(shù)字電路課程設(shè)計的制作，整個設(shè)計過程，我查找了許多的資料，同時也像參加了電子競賽的同學(xué)請教了一番，得到一個思想：每一個設(shè)計都應(yīng)想著怎樣用最少的材料和資源來實現(xiàn)每一

14、個設(shè)計功能！如果用單片機來實現(xiàn)這個課程設(shè)計或許會更精簡，但剛開始的時候我的單片機課程學(xué)習(xí)并不是十分扎實，感到相當可惜。于是，比較了幾種方案，最終決定選擇用集鎖存，加減計數(shù)，譯碼等功能于一體的cd40110芯片，從而使得設(shè)計簡化了很多，并且可以代替計數(shù)和譯碼等芯片。通過這個設(shè)計過程，不僅加深了我對數(shù)字電路基礎(chǔ)這門課程的理解，強化了我對相關(guān)知識的記憶，而且提高了我對所學(xué)知識的應(yīng)用能力以及愛好，激發(fā)了我對這門課程的熱愛。另外，在設(shè)計的過程中，通過使用各種學(xué)習(xí)、應(yīng)用軟件，例如：word、protel99se等，我發(fā)現(xiàn)自己對這些軟件工具的使用也越來越熟練。通過這次設(shè)計，我知道了獨立思考問題的重要性，從中

15、發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)勢和不足，但是我也勉勵自己要不斷進步，并對未來充滿信心和希望。另外，在學(xué)習(xí)的過程中，又一次驗證了一歌道理，我們應(yīng)當懷著謙虛的態(tài)度不斷地去向他人學(xué)習(xí)和請教，只有這樣才可以更加地完善自己！還有就是我們應(yīng)該嚴肅謹慎地對待每一個細節(jié)，在實驗測試的過程中，線路的連接要仔細，只要一不小心，連錯了線就容易致使芯片爆炸或者元件受損，特別是在線路較多的時候，犯下這種錯誤，則會引發(fā)不必要的麻煩。綜上，本次課程設(shè)計，不僅使我對數(shù)字電路有了更進一步的熟悉與理解，同時也加強了我的思維能力和動手設(shè)計的能力。8 參考文獻參考文獻：1閻石.數(shù)字電子技術(shù)m 高等教育出版社,2006:219-223,489-4942謝自美.電子線路實驗、設(shè)計、測試m .武漢：華中科技大學(xué)出版社，20063彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)m .湖南：高等教育出版社，1997:189-1904贛南師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院.電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計m：18-235王港元.電工電子實踐