數(shù)電課程設(shè)計

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1、武漢理工大學(xué)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計說明書 課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名：專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：數(shù)字頻率計 初始條件： 具備電子電路的基礎(chǔ)知識和設(shè)計能力；具備查閱資料的 基本方法；熟悉常用的電子器件；熟悉電子設(shè)計常用軟件的 使用； 要求完成的主要任務(wù)： （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等 具體要求） 1、設(shè)計頻率檢測電路； 2、測量信號與 TTL電平兼容，頻率范圍： 0H入100KHz 3、數(shù)碼管顯示頻率； 4、掌握數(shù)字電路的設(shè)計及調(diào)試方法； 5、撰寫符合學(xué)校要求的課程設(shè)計說明書。 時間安排： 時間一周，其中

2、2天原理設(shè)計，3天電路調(diào)試 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名: 目錄 摘要 1 1 .數(shù)字頻率計的設(shè)計總體方案 2 1.1 數(shù)字頻率計的簡介 2 2 .電路模塊設(shè)計 6 2.1 計數(shù)電路 6 2.2 顯示電路 7 2.3 計時電路 7 2.4 譯碼電路 8 3 .系統(tǒng)總體電路圖 9 3.1 計數(shù)顯示部分電路 9 3.2 閘門邏輯控制電路 10 4 .軟件仿真圖 11 5 .實物調(diào)試 12 5.1 實物制作 12 5.2 實物顯示結(jié)果圖 12 5.3 誤差分析 13 5.4 元件清單 13 6 心得體會 14 7 考文獻(xiàn)

3、 16 1 摘要 本文介紹了一種測量僅與TTL電平兼容的信號的數(shù)字頻率計，其頻率的測量 范圍為0HZ到100KHZ,此次設(shè)計頻率計思路主要是利用計數(shù)原理，通過一定 的時基控制電路能在1秒鐘以內(nèi)讓計數(shù)器工作于計數(shù)狀態(tài)，最后在1秒鐘內(nèi)將計 數(shù)值進(jìn)行鎖存、輸出、顯示，即可得到待測信號頻率 ，涉及到的集成芯片主要 有十進(jìn)制計數(shù)芯片74LS390、用于數(shù)碼管顯示的譯碼器 CD4511、4093構(gòu)成的施 密特觸發(fā)器、以及時基芯片555構(gòu)成的不可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，共同完成了數(shù)字 頻率計的設(shè)計。 關(guān)鍵詞：TTL電平兼容信號，計數(shù)，頻率計 武漢理工大學(xué)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計說明書 1

4、 .數(shù)字頻率計的設(shè)計總體方案 1.1 數(shù)字頻率計的簡介 (1)數(shù)字頻率計概述 數(shù)字頻率計設(shè)計是用來對脈沖信號和正弦信號等各種波形進(jìn)行頻率測量的 儀器，它將測量的結(jié)果直接用十進(jìn)制數(shù)顯示出來。 數(shù)字頻率計測量目標(biāo)是輸入信 號的頻率，改變輸入信號的幅值，波形不會影響對頻率的測量。如果是低頻信號， 將輸入信號轉(zhuǎn)換為與輸入信號同頻率的而且符合控制器幅值要求的信號輸入到 控制器，控制器將采集到的信號按預(yù)先編制的程序轉(zhuǎn)換為控制信號， 輸出到顯示 器件上。如果是高頻信號，則控制器無法直接采集，可以將輸入信號經(jīng)處理后在 分頻輸入到控制器上，控制器根據(jù)采集到的信號計算出原信號的頻率， 輸出控制 信號并且由

5、顯示電路顯示計算結(jié)果。信號處理功能由信號調(diào)理電路完成。 數(shù)字頻率計主要是采用數(shù)字電路制做成的能實現(xiàn)對周期性變化信號頻率測 量的儀器。頻率計主要用于測量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號的 頻率值。其擴(kuò)展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。通常說的，數(shù)字頻率計是 指電子計數(shù)式頻率計。 (2)頻率計測量方法 頻率計的測量方法很多，因其工作原理的不同導(dǎo)致有很多的測量方法。比如 有比較法、無源測量法、示波器法和計數(shù)法 ，最常用的的是計數(shù)法，計數(shù)器法 測量電路簡單、可靠，而且頻率的測量精度還較高，便于直接進(jìn)行數(shù)字化的顯示。 計數(shù)法測量頻率又分為直接測頻法和間接測頻法。 (3)頻率計組成結(jié)構(gòu)

6、 一般以計數(shù)原理來制作的頻率計是由時基控制電路，放大整形電路，計 數(shù)電路以及顯示電路等部分組成，頻率計的組成框圖如下： 圖1-1頻率計系統(tǒng) 1.2 電路方案設(shè)計 萬案1: 采用頻率計模塊（如ICM7216）構(gòu)成，特點是結(jié)構(gòu)簡單，量程可以自動切換。 ICM7216內(nèi)部帶有放大整形電路，可以直接輸入模擬信號。外部振蕩部分選用一 塊高精度晶振體和兩個低溫系數(shù)電容構(gòu)成 10MH可聯(lián)振蕩電路。用轉(zhuǎn)攙開關(guān)選擇 10ms 0.1s, ls , 10s四種閘門時間，同時量程自動切換，直接點亮 LED Zu tk 2: 系統(tǒng)采用可編程邏輯器件（PLD,如ATV2500炸為信號處理及系統(tǒng)控制

7、核心， 完成包括計數(shù)、門控、顯示等一系列工作。該方案利用了 PLD的可編程和大規(guī)模 集成的特點，使電路大為簡化，但此題使用 PLD則不能充分發(fā)揮其特點及優(yōu)勢， 并且測量精度不夠高，導(dǎo)致系統(tǒng)性能價格比降低、系統(tǒng)功能擴(kuò)展受到限制。 TzT tk 3: 系統(tǒng)采用MCS- 51系列單片機(jī)89C51作為控制核心，性能好，價格便宜。 由于單片機(jī)的計數(shù)頻率上限較低（12MHz晶振時約500kHz）,所以需對高頻被測信 號進(jìn)行硬件欲分頻處理，89C51則完成運算、控制及顯示功能。由于使用了單片 機(jī)，使整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性， 能方便地對系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展與改進(jìn) 方案4:通過單片機(jī)軟件實現(xiàn)，利用單片

8、機(jī)內(nèi)部所集成的定時器，在編程基 礎(chǔ)定時周期1秒，然后設(shè)置I/O端口為計數(shù)模式，并且設(shè)置中斷時間為1秒，然 后直接用單片機(jī)I/O端口驅(qū)動數(shù)碼管進(jìn)行顯示，計數(shù)值即為所測頻率。具體流程 如下： 圖1-2軟件實現(xiàn)流程圖 方案5:通過直接計數(shù)法測頻率，利用計數(shù)芯片和時基控制電路實現(xiàn)對脈沖 進(jìn)行計數(shù)，在1秒內(nèi)對脈沖進(jìn)行計數(shù)，其1秒內(nèi)計數(shù)值通過鎖存器進(jìn)行鎖存后輸 出，然后通過顯示電路顯示計數(shù)值，其計數(shù)值則為測量頻率。其方案設(shè)計流程圖 如下所示： 圖1-3數(shù)字芯片實現(xiàn)測量頻率流程圖 測頻法的基本思想是：對頻率為f的周期信號，用一個標(biāo)準(zhǔn)閘門信號（閘 門寬度為TG對被測信號的重復(fù)周期數(shù)

9、進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)結(jié)果為N,信號頻率為 f=N/TG如圖1-4所示。 被測信號 計數(shù)值N 閘門信號——r TG 圖1-4測脈寬法的原理框圖 測頻法的測量誤差與信號頻率有關(guān)： 信號頻率越高，誤差越??；而信號頻 率越低，則測量誤差越大。因此，測頻法適合于對高頻信號的測量，頻率越高， 測量精度也越高。 方案比較論證： 方案一主要是依靠軟件編程實現(xiàn)，對于設(shè)計一個數(shù)字頻率 計還是電路相對簡單，成本也較低，也便于容易實現(xiàn)。方案二是依靠數(shù)字集成芯 片，原理比較清析，但是用到的集成芯片較多，外圍線路很多，但是對于熟練掌 握數(shù)字電路芯片是個很好鍛煉機(jī)會，另外本次是完成數(shù)電的課程設(shè)計。綜合考慮 下，

10、最終還是選擇方案5。 2 .電路模塊設(shè)計 2.1 計數(shù)電路 計數(shù)部分電路用的是二一五十進(jìn)制的計數(shù)器 74LS390，通過A下降沿觸發(fā)后 開始計數(shù)，A與QA構(gòu)成二進(jìn)制計數(shù)器，B與QB、QC、QD構(gòu)成五進(jìn)制計數(shù)器，MR 高電平時輸出清零，沒有置數(shù)端，B與Q0相連構(gòu)成十進(jìn)制。此次設(shè)計中用到 3 個74LS390進(jìn)行級聯(lián)計數(shù)，構(gòu)成6位數(shù)的計數(shù)是利用QD的下降沿來觸發(fā)高位計 數(shù)，即將QD接到下一級芯片的A,則可以完成高位的計數(shù)。 R CLA B A B c D QQ QQ DM74LS390N 圖2-1基于74LS390計數(shù)電路 2.2 顯示電路 CD4511是常用的共陰極數(shù)

11、碼管譯碼器，其具體連接電路如下: LE VBD BI T7r a A b B c C d D e GND g C5 CD4511BC7 圖2-2數(shù)據(jù)鎖存器輸出顯示電路 2.3 計時電路 發(fā)器屏蔽抖動。一秒計時結(jié)束后，觸發(fā)器輸出變低，與非門輸出保持低電平，計 計時邏輯電路主要用555構(gòu)成不可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來完成1秒后數(shù)據(jù)鎖, 用獨立按鍵作為觸發(fā)信號來源。使用獨立按鍵要防抖，所以用不可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸 圖2-3門閘邏輯控制電路 按下按鍵，555在2端電位置出現(xiàn)負(fù)脈沖，在輸出3端就會產(chǎn)生一個單穩(wěn)態(tài)的脈 沖波，通過外接電阻電容元件就可以改變輸出脈沖寬度tW ,輸出脈寬 tW

12、 *1.1MC3R1,則設(shè)置好合適的電容和電阻調(diào)整輸出脈寬。 2.4 譯碼電路 在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。 在計數(shù)的 時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字。 采用七段共陰數(shù)碼管顯示，譯碼顯示器的作用是把計數(shù)器產(chǎn)生的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成 能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號，從而獲得數(shù)字顯示。 圖2-4數(shù)碼管顯示及其控制電路 19 3 .系統(tǒng)總體電路圖 3.1 計數(shù)顯示部分電路 □AlAssr LE-FlirrAHC 口 。 舂 EniLTAH CQ 6 iJJfflET A日口口 a LK VbD 國 E

13、r n A b B u C d D Q t C1HD & A 皆g I.:- 冢J11KK 口:p ：DF ny 圖3-1脈沖計數(shù)電路原理圖 計數(shù)部分的電路利用的是3個雙十進(jìn)制芯片74LS39Q以及后面CD4511譯碼 器和七段顯示數(shù)碼管，構(gòu)成對輸入的脈沖進(jìn)行計數(shù)，最后進(jìn)行輸出和顯示在數(shù)碼 3.2 閘門邏輯控制電路 原理圖部分二: 圖3-2閘門邏輯控制電路 這部分電路由555構(gòu)成的不可重復(fù)觸發(fā)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成， 主要是完成 對1秒高電平內(nèi)的連續(xù)信號脈沖進(jìn)行選擇，并傳遞給 74LS39Q 555單穩(wěn)態(tài)的觸 發(fā)器目的形成1

14、秒的延時。 4 .軟件仿真圖 所有單元電路調(diào)制所需值，本此設(shè)計采用 mulstisim12.0 仿真運行.測信號 送到由555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的輸入端進(jìn)行整形，使之成為計數(shù)器所要求的脈 沖信號。由于放大電路的電源值為5V,所以輸入信號比較大時，會出現(xiàn)線性失真， 放大后的信號不會太大，超過 5V。當(dāng)時基脈沖處于高電平時，閘門電路打開， 計數(shù)器對輸入的脈沖進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)輸入信號頻率為988時所測得信號頻率值如下 圖顯示997，在誤差范圍之內(nèi)，本次實驗可行。 數(shù)字頻率計仿真圖如下： 圖4-1頻率計仿真圖 5 .實物調(diào)試 5.1 實物制作 圖5-1實物焊接圖 5.

15、2 實物顯示結(jié)果圖 669Hz 圖5-2實物顯示結(jié)果圖一 （接上圖）說明如下：上圖信號輸入頻率為 700Hz輸出結(jié)果顯示為 可見存在一定的偏差，偏差為 31Hz 圖5-3實物展示圖 說明如下：上圖信號的輸入頻率為 65KHZ ,然后顯示結(jié)果輸出為 66878HZ,存在一定 的誤差，但是結(jié)果還是說明問題，證明電路原理和設(shè)計的正確性。 5.3 誤差分析 實驗結(jié)果分析：從上面實驗結(jié)果顯示值存在著一定的誤差，誤差主要在于555 時基脈沖信號很難精準(zhǔn)的定時為1秒，計數(shù)器只在1秒鐘內(nèi)才進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)高電 平時間超過1秒時，則會使計數(shù)值偏大，頻率測量值就會偏大，如果高電平時間 小于1秒，則計

16、數(shù)值偏小，頻率的測量值偏小。此外影響頻率測量誤差還可能存 在集成芯片再進(jìn)行級聯(lián)時延時值較大存在的微小誤差，影響到最終頻率值得測量 結(jié)果。由于沒有設(shè)置鎖存器，在計算頻率后，還需自己手動清零，所以，誤差會 比較大。 5.4 元件清單 表5-4元件清單表 原件序號 型號 主要參數(shù) 數(shù)量 備注 1 555 1 定時器 2 74LS00 1 與非門 3 74LS390 3 雙10進(jìn)制計數(shù)器 4 CD4511 6 譯碼器 5 7段共陰數(shù)碼管 6 數(shù)碼管 6 R 1K 2 電阻 9 R 1M 1 電阻 10

17、 C 10仙F 1 電角單電容 11 C 0.01 〃 1 陶瓷電容 12 4093 1 施密特觸發(fā)器 13 S 2 獨立按鍵 6心得體會 數(shù)電課設(shè)我們的題目是數(shù)字頻率計， 在了解原理之后，我們考慮到這個電路 是時鐘信號的輸入比較重要，因為頻率計就是要測量一秒鐘內(nèi)一個信號源輸出了 多少個完整周期信號，所以時鐘電路模塊我們要精準(zhǔn)到1秒，而不能直接給高低 電平，因此我們考慮了很多方案，做出了 555多諧振蕩器和晶體振蕩器，由于工 藝的問題，555振蕩器在我們的后續(xù)調(diào)試中很穩(wěn)定，而晶體卻不那么穩(wěn)定，所以 我們選用555振蕩器。 本次實習(xí)讓我們體味到設(shè)

18、計電路、連接電路、調(diào)測電路過程中的快樂與甜。 設(shè)計是我們將來必需的技能，這次實習(xí)恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學(xué)知識 的機(jī)會，從到圖書館查找資料到對電路的設(shè)計對電路的調(diào)試再到最后電路的成 型，都對我所學(xué)的知識進(jìn)行了檢驗。在實習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)了以前學(xué)的數(shù)字電路的 知識掌握的不牢。同時在設(shè)計的過程中，遇到了一些以前沒有見到過的元件， 但 是通過查找資料來學(xué)習(xí)這些元件的功能和使用。 制作過程是一個考驗人耐心的 過程，不能有絲毫的急躁，馬虎，對電路的調(diào)試要一步一步來，不能急躁，因為 是在電腦上調(diào)試，比較慢，又要求我們有一個比較正確的調(diào)試方法， 像把頻率調(diào) 準(zhǔn)等等。這又要我們要靈活處理，在不影響試驗的前

19、提下可以加快進(jìn)度。 合理的 分配時間。在設(shè)計控制電路的時候，我們可以連接譯碼顯示和計數(shù)電路， 這樣就 加快了完成的進(jìn)度。最重要的是要熟練地掌握課本上的知識， 這樣才能對試驗中 出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決。 于是我們的課程設(shè)計到此終于完成了基本功能的測試， 為了提高精度，我們 微調(diào)了 555振蕩電路，使其在 0—1KHz內(nèi)誤差小于1%在1KHl 100 KHz內(nèi)誤 差小于5%這次試驗真的是得到了很多東西，學(xué)會了芯片的調(diào)試，學(xué)會了培養(yǎng) 自己的耐心，這是一次很有意義的課程設(shè)計。 參考文獻(xiàn) [1]劉可文，數(shù)字電子電路與邏輯設(shè)計.科學(xué)出版社，2013 [2]伍時和，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第一版.清華大學(xué)出版社，2009 [3]梁宗善，新型集成電路的應(yīng)用--電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計.華中科技大學(xué)出版 社,2004 [4]孫梅生，電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計.高等教育出版社，2005 [5]康華光，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第五版.高等教育出版社，2006 [6]陳大欽，電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗一電子電路實驗、設(shè)計、仿真 .高等教育出版社， 2004 本科生課程設(shè)計成績評定表 姓名 性別 指導(dǎo)老師 專業(yè)、班級 課程設(shè)計題目：數(shù)字頻率計 課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄： 成績評定依據(jù)： 最終評定成績（以優(yōu)、良、及格、/、及格評定） 指導(dǎo)教師簽字: