數(shù)電課程設(shè)計(jì)

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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(jì)說(shuō)明書(shū) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 學(xué)生姓名：專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：數(shù)字頻率計(jì) 初始條件： 具備電子電路的基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)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(jì)常用軟件的 使用； 要求完成的主要任務(wù)： （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等 具體要求） 1、設(shè)計(jì)頻率檢測(cè)電路； 2、測(cè)量信號(hào)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(jì)及調(diào)試方法； 5、撰寫(xiě)符合學(xué)校要求的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 時(shí)間安排： 時(shí)間一周，其中

2、2天原理設(shè)計(jì)，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(jì)的設(shè)計(jì)總體方案 2 1.1 數(shù)字頻率計(jì)的簡(jiǎn)介 2 2 .電路模塊設(shè)計(jì) 6 2.1 計(jì)數(shù)電路 6 2.2 顯示電路 7 2.3 計(jì)時(shí)電路 7 2.4 譯碼電路 8 3 .系統(tǒng)總體電路圖 9 3.1 計(jì)數(shù)顯示部分電路 9 3.2 閘門(mén)邏輯控制電路 10 4 .軟件仿真圖 11 5 .實(shí)物調(diào)試 12 5.1 實(shí)物制作 12 5.2 實(shí)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(huì) 14 7 考文獻(xiàn)

3、 16 1 摘要 本文介紹了一種測(cè)量?jī)H與TTL電平兼容的信號(hào)的數(shù)字頻率計(jì)，其頻率的測(cè)量 范圍為0HZ到100KHZ,此次設(shè)計(jì)頻率計(jì)思路主要是利用計(jì)數(shù)原理，通過(guò)一定 的時(shí)基控制電路能在1秒鐘以?xún)?nèi)讓計(jì)數(shù)器工作于計(jì)數(shù)狀態(tài)，最后在1秒鐘內(nèi)將計(jì) 數(shù)值進(jìn)行鎖存、輸出、顯示，即可得到待測(cè)信號(hào)頻率 ，涉及到的集成芯片主要 有十進(jìn)制計(jì)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(shí)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(jì)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：TTL電平兼容信號(hào)，計(jì)數(shù)，頻率計(jì) 武漢理工大學(xué)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1

4、 .數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)總體方案 1.1 數(shù)字頻率計(jì)的簡(jiǎn)介 (1)數(shù)字頻率計(jì)概述 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)是用來(lái)對(duì)脈沖信號(hào)和正弦信號(hào)等各種波形進(jìn)行頻率測(cè)量的 儀器，它將測(cè)量的結(jié)果直接用十進(jìn)制數(shù)顯示出來(lái)。 數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量目標(biāo)是輸入信 號(hào)的頻率，改變輸入信號(hào)的幅值，波形不會(huì)影響對(duì)頻率的測(cè)量。如果是低頻信號(hào)， 將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)同頻率的而且符合控制器幅值要求的信號(hào)輸入到 控制器，控制器將采集到的信號(hào)按預(yù)先編制的程序轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)， 輸出到顯示 器件上。如果是高頻信號(hào)，則控制器無(wú)法直接采集，可以將輸入信號(hào)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(hào)計(jì)算出原信號(hào)的頻率， 輸出控制 信號(hào)并且由

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

6、 一般以計(jì)數(shù)原理來(lái)制作的頻率計(jì)是由時(shí)基控制電路，放大整形電路，計(jì) 數(shù)電路以及顯示電路等部分組成，頻率計(jì)的組成框圖如下： 圖1-1頻率計(jì)系統(tǒng) 1.2 電路方案設(shè)計(jì) 萬(wàn)案1: 采用頻率計(jì)模塊（如ICM7216）構(gòu)成，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，量程可以自動(dòng)切換。 ICM7216內(nèi)部帶有放大整形電路，可以直接輸入模擬信號(hào)。外部振蕩部分選用一 塊高精度晶振體和兩個(gè)低溫系數(shù)電容構(gòu)成 10MH可聯(lián)振蕩電路。用轉(zhuǎn)攙開(kāi)關(guān)選擇 10ms 0.1s, ls , 10s四種閘門(mén)時(shí)間，同時(shí)量程自動(dòng)切換，直接點(diǎn)亮 LED Zu tk 2: 系統(tǒng)采用可編程邏輯器件（PLD,如ATV2500炸為信號(hào)處理及系統(tǒng)控制

7、核心， 完成包括計(jì)數(shù)、門(mén)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(diǎn)，使電路大為簡(jiǎn)化，但此題使用 PLD則不能充分發(fā)揮其特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)， 并且測(cè)量精度不夠高，導(dǎo)致系統(tǒng)性能價(jià)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(jià)格便宜。 由于單片機(jī)的計(jì)數(shù)頻率上限較低（12MHz晶振時(shí)約500kHz）,所以需對(duì)高頻被測(cè)信 號(hào)進(jìn)行硬件欲分頻處理，89C51則完成運(yùn)算、控制及顯示功能。由于使用了單片 機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性， 能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展與改進(jìn) 方案4:通過(guò)單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，利用單片

8、機(jī)內(nèi)部所集成的定時(shí)器，在編程基 礎(chǔ)定時(shí)周期1秒，然后設(shè)置I/O端口為計(jì)數(shù)模式，并且設(shè)置中斷時(shí)間為1秒，然 后直接用單片機(jī)I/O端口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行顯示，計(jì)數(shù)值即為所測(cè)頻率。具體流程 如下： 圖1-2軟件實(shí)現(xiàn)流程圖 方案5:通過(guò)直接計(jì)數(shù)法測(cè)頻率，利用計(jì)數(shù)芯片和時(shí)基控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖 進(jìn)行計(jì)數(shù)，在1秒內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其1秒內(nèi)計(jì)數(shù)值通過(guò)鎖存器進(jìn)行鎖存后輸 出，然后通過(guò)顯示電路顯示計(jì)數(shù)值，其計(jì)數(shù)值則為測(cè)量頻率。其方案設(shè)計(jì)流程圖 如下所示： 圖1-3數(shù)字芯片實(shí)現(xiàn)測(cè)量頻率流程圖 測(cè)頻法的基本思想是：對(duì)頻率為f的周期信號(hào)，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閘門(mén)信號(hào)（閘 門(mén)寬度為T(mén)G對(duì)被測(cè)信號(hào)的重復(fù)周期數(shù)

9、進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)果為N,信號(hào)頻率為 f=N/TG如圖1-4所示。 被測(cè)信號(hào) 計(jì)數(shù)值N 閘門(mén)信號(hào)——r TG 圖1-4測(cè)脈寬法的原理框圖 測(cè)頻法的測(cè)量誤差與信號(hào)頻率有關(guān)： 信號(hào)頻率越高，誤差越小；而信號(hào)頻 率越低，則測(cè)量誤差越大。因此，測(cè)頻法適合于對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量，頻率越高， 測(cè)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(shí)現(xiàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字頻率 計(jì)還是電路相對(duì)簡(jiǎn)單，成本也較低，也便于容易實(shí)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(xiàn)路很多，但是對(duì)于熟練掌 握數(shù)字電路芯片是個(gè)很好鍛煉機(jī)會(huì)，另外本次是完成數(shù)電的課程設(shè)計(jì)。綜合考慮 下，

10、最終還是選擇方案5。 2 .電路模塊設(shè)計(jì) 2.1 計(jì)數(shù)電路 計(jì)數(shù)部分電路用的是二一五十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器 74LS390，通過(guò)A下降沿觸發(fā)后 開(kāi)始計(jì)數(shù)，A與QA構(gòu)成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，B與QB、QC、QD構(gòu)成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，MR 高電平時(shí)輸出清零，沒(méi)有置數(shù)端，B與Q0相連構(gòu)成十進(jìn)制。此次設(shè)計(jì)中用到 3 個(gè)74LS390進(jìn)行級(jí)聯(lián)計(jì)數(shù)，構(gòu)成6位數(shù)的計(jì)數(shù)是利用QD的下降沿來(lái)觸發(fā)高位計(jì) 數(shù)，即將QD接到下一級(jí)芯片的A,則可以完成高位的計(jì)數(shù)。 R CLA B A B c D QQ QQ DM74LS390N 圖2-1基于74LS390計(jì)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(jì)時(shí)電路 發(fā)器屏蔽抖動(dòng)。一秒計(jì)時(shí)結(jié)束后，觸發(fā)器輸出變低，與非門(mén)輸出保持低電平，計(jì) 計(jì)時(shí)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(lái)完成1秒后數(shù)據(jù)鎖, 用獨(dú)立按鍵作為觸發(fā)信號(hào)來(lái)源。使用獨(dú)立按鍵要防抖，所以用不可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸 圖2-3門(mén)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)單穩(wěn)態(tài)的脈 沖波，通過(guò)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(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。 采用七段共陰數(shù)碼管顯示，譯碼顯示器的作用是把計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成 能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào)，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(jì)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(guó) 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(jì)數(shù)電路原理圖 計(jì)數(shù)部分的電路利用的是3個(gè)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(duì)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后進(jìn)行輸出和顯示在數(shù)碼 3.2 閘門(mén)邏輯控制電路 原理圖部分二: 圖3-2閘門(mén)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(duì)1秒高電平內(nèi)的連續(xù)信號(hào)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(shí)。 4 .軟件仿真圖 所有單元電路調(diào)制所需值，本此設(shè)計(jì)采用 mulstisim12.0 仿真運(yùn)行.測(cè)信號(hào) 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(jì)數(shù)器所要求的脈 沖信號(hào)。由于放大電路的電源值為5V,所以輸入信號(hào)比較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)線(xiàn)性失真， 放大后的信號(hào)不會(huì)太大，超過(guò) 5V。當(dāng)時(shí)基脈沖處于高電平時(shí)，閘門(mén)電路打開(kāi)， 計(jì)數(shù)器對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為988時(shí)所測(cè)得信號(hào)頻率值如下 圖顯示997，在誤差范圍之內(nèi)，本次實(shí)驗(yàn)可行。 數(shù)字頻率計(jì)仿真圖如下： 圖4-1頻率計(jì)仿真圖 5 .實(shí)物調(diào)試 5.1 實(shí)物制作 圖5-1實(shí)物焊接圖 5.

15、2 實(shí)物顯示結(jié)果圖 669Hz 圖5-2實(shí)物顯示結(jié)果圖一 （接上圖）說(shuō)明如下：上圖信號(hào)輸入頻率為 700Hz輸出結(jié)果顯示為 可見(jiàn)存在一定的偏差，偏差為 31Hz 圖5-3實(shí)物展示圖 說(shuō)明如下：上圖信號(hào)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(shuō)明問(wèn)題，證明電路原理和設(shè)計(jì)的正確性。 5.3 誤差分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：從上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示值存在著一定的誤差，誤差主要在于555 時(shí)基脈沖信號(hào)很難精準(zhǔn)的定時(shí)為1秒，計(jì)數(shù)器只在1秒鐘內(nèi)才進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)高電 平時(shí)間超過(guò)1秒時(shí)，則會(huì)使計(jì)數(shù)值偏大，頻率測(cè)量值就會(huì)偏大，如果高電平時(shí)間 小于1秒，則計(jì)

16、數(shù)值偏小，頻率的測(cè)量值偏小。此外影響頻率測(cè)量誤差還可能存 在集成芯片再進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)延時(shí)值較大存在的微小誤差，影響到最終頻率值得測(cè)量 結(jié)果。由于沒(méi)有設(shè)置鎖存器，在計(jì)算頻率后，還需自己手動(dòng)清零，所以，誤差會(huì) 比較大。 5.4 元件清單 表5-4元件清單表 原件序號(hào) 型號(hào) 主要參數(shù) 數(shù)量 備注 1 555 1 定時(shí)器 2 74LS00 1 與非門(mén) 3 74LS390 3 雙10進(jìn)制計(jì)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(dú)立按鍵 6心得體會(huì) 數(shù)電課設(shè)我們的題目是數(shù)字頻率計(jì)， 在了解原理之后，我們考慮到這個(gè)電路 是時(shí)鐘信號(hào)的輸入比較重要，因?yàn)轭l率計(jì)就是要測(cè)量一秒鐘內(nèi)一個(gè)信號(hào)源輸出了 多少個(gè)完整周期信號(hào)，所以時(shí)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(wèn)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(shí)習(xí)讓我們體味到設(shè)

18、計(jì)電路、連接電路、調(diào)測(cè)電路過(guò)程中的快樂(lè)與甜。 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)試再到最后電路的成 型，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)?是在電腦上調(diào)試，比較慢，又要求我們有一個(gè)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(yàn)的前

19、提下可以加快進(jìn)度。 合理的 分配時(shí)間。在設(shè)計(jì)控制電路的時(shí)候，我們可以連接譯碼顯示和計(jì)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(shí)， 這樣才能對(duì)試驗(yàn)中 出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析解決。 于是我們的課程設(shè)計(jì)到此終于完成了基本功能的測(cè)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(yàn)真的是得到了很多東西，學(xué)會(huì)了芯片的調(diào)試，學(xué)會(huì)了培養(yǎng) 自己的耐心，這是一次很有意義的課程設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) [1]劉可文，數(shù)字電子電路與邏輯設(shè)計(jì).科學(xué)出版社，2013 [2]伍時(shí)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(jì).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(jì).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(shí)驗(yàn)一電子電路實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、仿真 .高等教育出版社， 2004 本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 姓名 性別 指導(dǎo)老師 專(zhuān)業(yè)、班級(jí) 課程設(shè)計(jì)題目：數(shù)字頻率計(jì) 課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄： 成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)： 最終評(píng)定成績(jī)（以?xún)?yōu)、良、及格、/、及格評(píng)定） 指導(dǎo)教師簽字: