三位半数字万用表设计-职业学院毕业论文

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -1- 摘要 在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发 器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在 CMOS 电路系列 产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音 频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量的测量方案、 测量结果都有十分密切的关系。因此，频率的测量就显得更为重要。 数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。 其基本 功能是测量正弦信号、方波信号、三角波信号以及其他各种单位时间内变化的 物理量。本设计中使用的是直接测频法，即用计数器在计算 1S 内输入信号周期 的个数。它是由模块电路组成的，包括各种集成块、逻辑器件、简单的电子器 件为基础的简易数字频率计。 关键词关键词：频率；集成电路；多谐振荡器；计数器 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -2- Abstract In the circuit,the digital cymommeter is the circuit of time sequence,it is mainly formed by trigger with memory function.In the computer and various digital instruments,it is widely used.AmongCMOS circuit serial products,cymometer consumption most heavy,variety a lot sf product.The digital cymometer is measuring instrument in scientific research such as computer,communication apparatus,audio and video with indispensable productionfield,and the measurement scheme with a lot of electric parameters,result of measuring all have a very close relation,so,the measurement of frequency seems even more important. The digital frequency meter is one kind with the decimal digit demonstrated is measured the signaling frequency the numeral metering equipment.Its basic function surveys the physical quantity which in the sine signal, the square-wave signal, the triangular wave signal as well as other each kind of unit time change.In this design uses is the direct frequency measurement law, namely in calculates in 1S with the counter the input signal cycle integer.It is composed by the module electric circuit, including each kind of integrated block, logical component, simple electronic device for foundation simple digital frequency meter. KeywordsKeywords：Frequency； integrated circuit； multivibrator ；counter 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -3- 目录 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -4- 第 1 章绪论 1.1 课题背景 当今社会是信息科技的时代，人才辈出的时代，电子信息技术推动社会跨 越性的进步、变革，科学技术发展日新月异，带动了生产力的大规模提高，科 技发展的程度是各国竞争的核心力量，尤其是电子信息技术显得更加重要。在 国民生产的各个部门，电子信息技术都得到了广泛的应用。 在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、 测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量显得更为重要。数字频率计是 在规定基准的时间内把测量的脉冲数记录下来，换算成频率并以数字的形式显 示出来。数字频率计是用于测量信号（正弦波、三角波、方波或其他周期性信 号）的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量速度快，读数直观， 使用方便等优点。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精 度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测 量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率 计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的 应用范围。在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试 中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率 计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率 计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频 率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电 台的跳频信号和频率调制信号进行分析。 数字频率计已是现在频率计的发展方向，它不仅很方便的读数，而且还可 以使频率的测量范围和测量准确度上都比模拟先进。如今数字频率计的发展已 经不仅仅是一个小电子产品的发展也是整个民族乃至整个国家的发展，所以频 率计的发展是整体趋势。 1.2 国内外概况 我国的频率计其实不是落后发达国家太多的，我国在这个领域的发展是极 其迅速的，现在的技术实际已是多年来见证。我国现阶段电子产品的市场特点， 电子数字化发展很快。在我国和发达国家的发展情况是趋于一致的，数字频率 计已经应用于高科技等产品上面，可以不无夸张的说没有不包含有频率计的电 子产品。我国的 CD、VCD、DVD 和数字音响广播等新技术已开始大量进入市场； 而在今天这些行业中都必须用到频率计。到今天频率计已开始并正在向智能、 精细方向的发展。 国外的发展比我国要早，所以在这些行业中还领先于我们。我国还是缺少 开发和研发的资金投入，很多的电子企业都不太乐意去花大量的时间、资金和 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -5- 精力去研究和开发，这也就使得我国在这方面的人力和资金都不充足，也就无 法于发达国家相比，不能够形成一个量产的效果。从而很多的企业没有竞争力， 这也和我国其他的民族产业存在相同的情况，这也正是我国在高速发展后的今 天很少有自己的民族品牌的原因，所以我国应该大力的支持自己的民族品牌， 不仅仅是要在资金和人才的投入，还要有具体的实际行动并起到一定的保护作 用。 1.3 目的和意义 利用数字电子技术进行数字频率计的电路设计，通过对集成电路、分立元 件的有关知识的理解与运用使学有所用，巩固了理论知识，将理论知识运用到 实际生活中。这样不但提高了学生的动手实践能力，更增强了我们从实际生活 中寻找问题、解决问题的能力。同时，在电路的设计和调试过程中，使学生掌 握电路调试和排除故障的基本方法以及对电路的设计有一个更透测的分析，通 过对各个集成芯片、元器件的性能和工作原理的理解与掌握，可以充分利用其 功能设计新产品、新设备等，从而开发学生的创新思维能力和潜在能力，培养 创造性，运用所学知识进行电路的设计同时也增强了动手能力，培养了对实践 的兴趣。 1.4 电路要求和技术指标 1.4.11.4.1 电路要求电路要求 利用数字集成电路设计四位数字频率计，对正弦波、三角波、方波三种信 号的频率进行测量，显示单位为 Hz.。 1.4.21.4.2 技术指标技术指标 1.被测信号幅度 5V； 2.显示范围 209999Hz； 3.闸门时间为 1 秒； 4.误差小于 5%； 本章小结 本章主要介绍了数字频率计的课题背景、国内外概况、目的和意义、电路 要求及技术指标。通过本章的介绍，使我对本次课题有了更深的理解。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -6- 第二章方案论证与设计 2.1 方案论证 在决定设计频率计之前，通过对频率计的理解程度，知道设计频率计有许 多方案供参考。 方案一： 电路的整体框图如图 2-1 所示。秒信号源提供一个标准时间基准信号，送 入到控制单元，产生时序控制信号。当信号到来时，闸门打开，被测信号通过 闸门，计数器开始计数，直到信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间 1s 内计数器计得脉冲数为 N，则被测信号频率值为 fx=NHz。其电路结构简单、 容易制作、易于实现、可靠性高且模块间产生的干扰非常小，对调试的过程带 来了极大的方便。 秒 信 号 源控 制 单 元计 数 闸 门 计 数 动 态 驱 动 四 位 数 显 被 测 信 号 图 2-1 方案一电路框图 方案二： 电路的整体框图如图 2-2 所示。选择采用单片机程序处理输入信号并且将 结果直接送往 LED 显示，为了提高系统的稳定性，输入信号前进行放大整形， 再通 A/D 转换器输入单片机系统。采用这种方法可大大提高测试频率的精度和 灵活性，并且能极大的减少外部干扰，采用 VDHL 编程设计实现的数字频率计， 除被测信号的整形部分、 键输入部分和数码显示部分以外， 其余部分在一片 FPGA 芯片上实现，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。但采用这种 方案相对设计复杂度将会大大提高并且采用单片机系统成本也会大大提高。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -7- LED数 显 电 路 单 片 机 A/D转 换 器 放 大 整 形 电 路 图 2-2 方案二电路框图 方案三： 电路的整体框图如图 2-3 所示。采用频率计专用模块，即大规模集成电路 将计数器、译码、位和段驱动，量程及小数点选择等电路集成在一块芯片中， 该方案在技术上是可行的，可以简化电路的设计，当对于设计要求中的某些指 标，采用专用模块来完成比较困难，即扩展极为不便。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -8- LED显 示 电 路 专 用 数 字 频 率 计 控 制 电 路外 部 电 路 图 2-3 方案三电路框图 2.2 方案确定 综合以上：第一方案具有设计复杂度小、电路简洁、功能实用且成本低廉 等特点，其稳定性好基本能满足设计要求。第二方案采用单片机处理精确度较 高，但成本提高且设计复杂。第三方案采用专用的频率计设计模块固然设计简 单且稳定，但系统可扩展性较差。所以我选用第一种设计方案。 本章小结 本章主要介绍了课题的设计方案，提出三种设计方案。此次毕业设计采用 方案一，使电路制作更加方便。并简单介绍了其电路的各个组成部分电路，同 时，绘制出电路的组成方框图。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -9- 第三章 单元电路的设计 数字频率计主要由秒信号源电路、控制单元电路、计数/译码/驱动单元、 显示单元等组成。下面一一介绍单元电路的各个部分的功能与特点。 3.1 秒信号源电路 本次设计采用 555 定时器构成多谐振荡电路来产生时钟脉冲，这样不但 成本比较低，而且实现起来比较方便。它的功能灵活，使用方便，带负载能 力强。利用它能方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等， 这些触发器应用与数字系统中，在实现脉冲的产生、整形、变换、检测和控 制等方面都得到广泛的应用。 555 集成电路有双极型和 CMOS 型两种。 CMOS 型的优点是功耗低、电 源电压低、输入阻抗高，但输出功率较小，输出驱动电流只有几毫安。双极 型的优点是输出功率大， 驱动电流达 200 毫安， 其它指标则不如 CMOS 型的。 所以我决定选用 COMS 型的 555 集成电路。 以下是对 555 集成电路的具体介绍。 555 定时器的电源电压范围较大，双极型电路 Vcc =4.516V，输出高电 平不低于电源电压的 90%，带拉电流和灌电流负载的能力可达 200mA；CMOS 电路 VDD=318V，输出高电平不低于电源电压的 95%，带拉电流负载的能力 为 1mA，带灌电流负载的能力为 3.2mA。 3.1.1 555 定时器的内部结构图及内部功能框图 555 定时器的电路结构 ：555 定时器是一种集成电路，其内部结构图如 图 3-1 所示，因集成电路内部含有三个 5 千欧电阻而得名。利用 555 定时器 可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555 定时器由基本 RS 触发器、比较器、分压器和晶体管开关和输出缓冲器等部分组成。其内部功 能框图如图 3-2 所示。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -10- 图 3-1 555 集成定时器的内部结构图 图 3-2 555 集成定时器的内部功能框图 1.基本 RS 触发器 由两个与非门组成，R是专门设置的可从外部进行置 0 的复位端。R当 =0 时，使Q=0,Q=1。 2.比较器 A1、A2 是两个电压比较器。比较器有两输入端，分别有+号和- 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -11- 号，如果用 U和 U表示相应输入端上所加的电压，则当 U U时其输出为 高电平， U U时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流， 即输入电阻趋近于无穷大。 3.分压器 三个阻值均 5K的电阻串联起来构成分压器（555 也因此而得名），为比 较器 A1 和 A2 提供了参考电压，A1 之正端 U=2Vcc/3、A2 之负端 U= Vcc/3。 如果在电压控制端 CO 另加控制电压，则可改变 A1、A2 的参考电压。工作中 不使用 CO 端时，一般都通过一个 0.01uF 的电容接地，以旁路高频干扰。 4.晶体管开关和输出缓冲器 晶体管 D T构成开关，其状态受Q端控制。当Q端为 0 时 D T截止，相反Q 为 1 时 D T导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器 G3，其作用是提高定时 器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。 综上所述可知，555 定时器不仅提供了一个复位电平为 2 Vcc/3、置位电平为 Vcc/3、 且可通过R端直接从外部进行置0的基本RS触发器， 而且还给出一个状态受该触发器Q端 控制的晶体管开关，因此使用起来极为灵活。 3.1.2 555 定时器的引脚功能 555 定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当的阻容元件， 就可以方便的构成脉冲产生的整形电路，在工业控制定时电子乐器及防盗报 警等方面应用很广。其引脚排列及封装如图 3-3 所示。 （a）555 定时器的英文引脚图(b) 555 定时器的引脚接线图 图 3-3 555 定时器的引脚排列图及封装图 如图 3-3 所示，可知 555 定时器的个引脚功能如下： 1 脚是接地端：即 GND，悬空不能使用； 2 脚是触发端：TR 端，高电平触发； 3 脚是输出端：输出谐振信号； 4 脚是复位端：直接复位端； 5 脚是控制端：控制电压； 6 脚是阈值端：当电压达到门电平时 555 开始启动； 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -12- 7 脚是放电端：当电容充电结束后开始从次放电； 8 脚是电源端：即 Vcc,给 555 定时器供电。 555 定时器的封装图： 图 3-4 555 定时器的封装图 3.1.3 555 定时器的基本功能 通过表格的形式来介绍 555 定时器的基本功能。如下表 3-5 所示，它全 面地表示了 555 的基本功能。 表 3-5 555 定时器的功能表 TH U TR U RO u D T的状态 0 OL U 导通 2Vcc/3Vcc/31 OL U 导通 2Vcc/3Vcc/31不变不变 Vcc/31 OH U 截止 当R=1、 TH U2Vcc/3、 TR UVcc/3 时，A1 输出低电平、A2 输出高电平, Q=1、Q=0， OHO Uu、 D T饱和导通。 当R=1、 TH U Vcc/3 时，A1、A2 输出均为高电平，基本 RS 触发器保持原来状态不变，因此 O u、 D T也保持原来状态不变。 当R=1、 TH U2 Vcc/3、 TR U Vcc/3 时，则 A1 输出高电平，A2 输出低电平， 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -13- Q=0、Q=1， OLO Uu、 D T截止。 3.1.4 秒信号源电路的设计 如图 3-6 所示。秒信号源由时基电路 555 与 RP、R1、R2、及电容 C1 组成一 个低频多谐振荡器，产生 1Hz 的秒时基脉冲，作为闸门控制信号。其振荡频率 可按公式：f=1.43/(R1+RP+2R2)C1来确定。其波形图如图 3-7 所示。 图 3-6 秒信号源电路 多谐振荡器脚 2 与脚 6 直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态， 电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过 Rp、R1、 R2向 C1充电，以及 C1 通过 R1向放电端 Dc 放电，使电路产生振荡。电容 C1在 2Vcc/3 和 Vcc/3 之 间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。 当555定时器的3脚(UO输出端)输出电压为高电平VHO时,电源电压Vcc 经内部等效输出电阻 ro(上输出管 T20 导通的等效电阻)和 R1给电容 C1充电， C1上电压 Uc 逐渐上升， 同时 7 引脚(DIS 放电端)内部的放电三极管 T6 截止， 5 脚的基准电压由 Vcc 及内部三个 5KW 电阻分压决定为 2Vcc/3,即高阈值电 压 VTH 和低阈值电压 VTR 则被分别上浮为 2Vcc/3 和 Vcc /3。故当 Uc 被充 电到大于 2Vcc/3 时,由 555 定时器的功能可知, UO输出端 3 脚电压跳变为低 电平 VOL，同时 7 脚(DIS 放电端)内部的放电三极管 T6 导通。一方面，电 容 C1上的电压 Uc 经 R 和输出端 3 脚内部导通的下输出管 T21 对地放电，C1 上电压 Uc 逐渐下降。另一方面，5 脚的(控制电压)基准电压 VCO 即被下拉到 三极管 T6 的饱和压降值 VCES 而使两个阈值电压分别下浮为 VTH=VCES 和 VTR=VCES/2。 当 C1上电压 Uc 随放电下降到 VTR 即 VCES/2 以下时,由 555 定时器 的 功能可知,3 引脚输出端的电压 UO才跳变为高电平 VOH,同时,7 引脚(DIS 放 电端)内部的放电三极管 T6 又截止。 5 脚电压又被上浮为 2/3Vcc,使高阈值电 压 VTH 和低阈值电压 VTR 又分别被上浮为 2Vcc/3 和 Vcc/3。同时,电容 C1从 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -14- VCES/2 电压又被充电,如此周而复始,循环往复,形成周期性振荡。上述分析 可见,7 引脚往 5 引脚的反馈实现了阈值电压的自动浮动,使 555 振荡电路中 电容 C1上电 VC 在 VCES/2 和 Vcc /3 范围之间反复进行充放电,远大于不反 馈浮动的 Vcc/3和2Vcc/3的范围,使充放电时间都大大被延长,使振荡周期和 输出信号的周期被大大延长。电路的工作波形如图 3-7 所示。 图 3-7555 定时器构成的多谐振荡器工作波形 3.2 控制单元电路 3.2.1 CD4017 引脚功能 CD4017 是 5 位 Johnson 计算器，具有 10 个译码输出端，其引脚排列图如 图 3-8 所示。 CO:进位脉冲输入 CP:时钟输入端 CR:清除端 INH:禁止端 Y0-Y9:计数脉冲输出端 VDD:正电源 VSS:地 3-8 CD4017 引脚排列图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -15- 3.2.2 CD4017 的基本功能 通过表格的形式来描述其功能，如下表 3-9 所示。 表 3-9 CD4017 计数器真值表 输入输出 CPINHCRQ0-Q9CO HQO计数脉冲为 Q0-Q4时： CO=H LL计数 HL LL 保持 计数脉冲为 Q5-Q9时： CO=L HL L L 时钟输入端的斯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。在 CP 的上升沿计数器开始计数。 INH 为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为 高电平时，计数器清零。 Johnson 计数器，提供了快速操作，2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防 锁选通，保证了正确的计数顺序。 译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每 10 个时 钟输入周期 CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。 图 3-10 CD4017 波形图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -16- 3.2.4 控制单元电路设计 G1 与 IC2 组成门控电路，在测量时，它的输出端输出时间为 1 秒的高电 平加至控制闸门 G2 的输入端，将其打开，使被测信号输入。当秒时基发生电 路 IC1 输出第一个时基脉冲并通过 G1 的 CP 端后，IC3 的脚输出高电平加至 G2 的脚将控制闸门打开，使电路进入测量过程。1s 后，当 IC1 输出第二个时 基脉冲时，IC2 的脚变为低电平，控制闸门被关闭，侧量结束。数码显示管所 显示的数字即为被测信号的频率。在秒时基发生电路 IC1 输出第三个脉冲时， 电路保持间歇 1s，让测量人员看清显示数。当第四个脉冲输出后，IC2 的脚 输出高电平并通过 VD2 加至计数器的复位端 R，使显示器的显示变为 0000，为 下一次做准备。电路如图 3-11 所示。 图 3-11 控制单元电路 3.3 计数译码驱动电路 3.3.1 CD40110 引脚功能 CD40110 能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱 动小型七段 LED 数码管。其引脚排列如图 3-12 所示。 R(5 脚)为清零端，R=1 时，计数器异步清零。 CP 为时钟端，CPU（9 脚）为加法计数时钟，CPD（7 脚）为减法计数时钟。 Qco（10 脚）加计数进位输出，Qbo（11 脚）减计数借位输出。 TE（4 脚）为触发器始能端，TE=0 时，计数器工作，TE=1 时，计数器处于禁止 状态，即不计数。 LE(6 脚)为锁存控制端，LE=1，显示数据保持不变，但它的内部计数器仍正常工 作。 a，b，c，d，e，f，g（1，15，14，13，12，3，2 脚）为信号输出端，与七段 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -17- 显示器连接。 图 3-12 CD40110 引脚排列图 3.3.2 CD40110 的基本功能 通过表格的形式来描述其功能，如下表 3-13 所示。 表 3-13 CD40110 真值表 CD40110 有 2 个计数时钟输入端 CPU和CPD分别用作加计数时钟输入和减计 数时钟输入。由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑，因此当一个时钟输入 端计数工作时，另一个时钟输入端可以是任意状态。CD40110 的进位输出 CO 和 借位输出 BO 一般为高电平，当计数器从 09 时 BO 输出负脉冲；从 90 时 CO 输 出负脉冲。在多片级联时，只需要将 CO 和 BO 分别接至下级 CD40110 的 CPU 和 CPD 端，就可组成多位计数器。 CPUCPDLETER计 数 器 功能 显示 000加 1 计 数 同计数 器 000减 1 计 数 同计数 器 0保持不变 01清零变 0 00禁止保持 00加 1 计 数 保持 100减 1 计 数 保持 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -18- 3.4 计数闸门电路 3.4.1 CD4011 功能与用途: CD4011 为四 2 输入与非门 CMOS 芯片 逻辑表达式： 表 3-14 CD40110 真值表 (1)当 X=0、Y=0 时，将使两个 NAND 门之输出均为 1，违反触发器之功用，故禁 止使用。如真值表第一列。 (2)当 X=0、Y=1 时，由于 X=1 导致 NAND-A 的输出为”1” ，使得 NAND-B 的两个 输入均为”1” ，因此 NAND-B 的输出为”0” ，如真值表第二列。 (3)当 X=1、Y=0 时，由于 Y=0 导致 NAND-B 的输出为”1” ，使得 NAND-1 的两个 输入均为” ”1，因此 NAND-A 的输出为”0” ，如真值表第三列。 (4)当 X=1、Y=1 时，因为一个” ”1 不影响 NAND 门的输出，所以两个 NAND 门的 输出均不改变状态，如真值表第四列。 3.4.2 CD4011 引脚图及引脚功能 引脚图如图 3-15 所示。 管脚功能： 1A 数据输入端1Y 数据输出端 2A 数据输入端2Y 数据输出端 3A 数据输入端3Y 数据输出端 4A 数据输入端4Y 数据输出端 1B 数据输入端VDD 电源正 2B 数据输入端VSS 地 3B 数据输入端 4B 数据输入端 图 3-15 CD40110 引脚图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -19- 图 3-16 CD40110 内部逻辑图 3.6 显示部分 3.6.1 显示器的概述 现代化科研和生产体系是以自动化微期特征， 面向自动化的过程控制及结果 的显示，主要是借助于数字和符号的显示器件。数字仪表显示器件，是将信息 读数转换为可视信息的器件，最终以数字形式显示读数的器件。显示方式和显 示器件的选择不仅与读数的清晰、美观与否有直接关系，而且关系到仪表的整 机结构、电源功率、测量速度、显示时间以及操作维护等技术性能。 3.6.2 显示器的分类 白炽灯显示器、辉光数码管、荧光数码管、磷光数码管、发光二极管显示管、 液晶显示器等。在数字电压表中常用的显示器件有辉光数码管、荧光数码管 （VFD） ，液晶显示器（ECD） ，发光二极管数码显示器（LED） ，CMOS-LED 光电组 合器（CL） ，LED 点阵显示器。这几种显示器的主要性能比较见表 3-17。 早期显示器新型显示器 辉光 管 VFDLCDLED 一位 CL 组合器 件 57 LED 点阵 工作 电压 175V20V 46V 方波 1.7 2.5V VDD=5 V 2. 5V 工作 电流 2mA6mV10A 30 60mA (7 段) 30 80mA (7 段) 10 mA 典型350m120m50W70mW200mW60mW 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -20- 功能WW 发光 响 应时 间 150 s 1ms50ms 0.1 s 0.1 s 0.1 s 最高 工 作频 率 几百 赫 几兆 赫 2.5MHz 几 兆 赫 发光 颜色 桔 红、橙 绿 本身 不发 光 红、绿 橙、黄 红、橙 橙 红、红、 绿 显示 亮度 高较高低高高高 平均 使 用寿 命 大于 500h 2000 h 5000h 大于 10万h 表 3-17 显示器的主要性能比较 由表可见， 在各种显示器中以 LCD 的功耗最低， 而 LED 的发光响应时间最短， 寿命最长。因此目前的数字电压表大多采用 LED 或 LCD 显示器，二者均可由集 成电路直接驱动。 3.6.3 LED 数码管电路及工作原理 7 段 LED 数码管是利用 7 个 LED（发光二极管）外加一个小数点的 LED 组 合而成的显示设备，可以显示 09 等 10 个数字和小数点，使用非常广泛。 这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种， 共阳极就是把所有 LED 的阳极 连接到共同接点 com，而每个 LED 的阴极分别为 a、b、c、d、e、f、g 及 dp（小 数点） ；共阴极则是把所有 LED 的阴极连接到共同接点 com，而每个 LED 的阳极 分别为 a、b、c、d、e、f、g 及 dp（小数点） ，如图 3-18 所示。图中的 8 个 LED 分别与上面那个图中的ADP各段相对应， 通过控制各个LED的亮灭来显示数字。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -21- 图 3-18 数码管原理 本设计使用的是四位数码管，内部的 4 个数码管共用 a-dp 这 8 根数据线， 为人们的使用提供了方便，因为里面有 4 个数码管，所以它有 4 个公共端，加 上 a-dp， 共有 12 个引脚， 也有共阴 （common Cathode 或 common kathion ） 和共阳 （common anode）之分。共阳极的是为选线为高电平，段选线为低电平。共阴极的是为选线 为低电平， 段选线为高电平。 其内部原理图如图 3-19 和电路连接图如如图 3-20： 图 3-19 四位数码管内部原理图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -22- 图 3-20 四位数码管内部原理图 本章小结 本章主要介绍了各个单元电路组成、工作原理以及设计思想。在本章中， 可以查到电路所需芯片的引脚排列及其对应的功能。通过本章的介绍，我们可 以了解各种芯片在电路中的作用。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -23- 第 4 章 整机的工作原理 通过前面几章的介绍，相信大家对数字频率计有了一定的了解。下面，我们 将对数字频率计的整机进行一个全面的讲解。 图 4-1 整机电路图 整机电路图如图 4-1 所示。IC4IC7 为十进制加法计数器译码锁存驱动集成 电路。CPU为加法输入端，当有脉冲输入时，计数器作加法器：CPD为减法输入 端，当有脉冲输入时，计数器做减法计数。QCO为进位输出端，当计数器作加法 计数时，每计满 10 个数后，QCO端输出一个脉冲，该脉冲为进位脉冲送入高一 位的输入端 CPU。R 端为计数器的清零端。当 R 端加上高电平时，计数器的输出 状态为零，并使相应的数码管显示“0”值。 IC4 为 555 时基电路组成基准脉冲产生电路， 它产生 1Hz 的方波信号， 经与 非门 1 反相后，在为控制信号加在 IC2 的输入端 CP 产生时序控制信号，从而实 现 1 秒钟内的计数（即频率检测） 、数值保持及自动清零的功能。图 4-2 是电 路的波形图，从图中我们可以看出，当与非门 1 输出第一个高电平脉冲信号时， 这个脉冲使得 IC2 的 Q1 输出端由低电平到高电平。在 Q1 端输出高电平时，由 与非门 2、3 组成的“与”控制门被打开，被测信号可以通过与非门 2、3 送入 IC7 的输入端 CPU，进行脉冲计数，由于 IC1 的振荡周期为 1 秒，那么，在 1 秒 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -24- 钟内的计数器的计数结果，即为被测信号的频率。当与非门 1 输出第二个脉冲 信号时，IC2 的 Q1 端由高电平变为低电平，输出端 Q2 由低电平变为高电平。Q1 端输出的低电平使与非门 2、 3 组成的 “与” 控制门关闭， 被测信号不再输给 IC7， 使 IC7 停止计数。在与非门 1 输出第三个脉冲到来之前，Q2 一直保持高电平， 这段时间为数值保持时间，在这个时间内，人们可以对测试结果进行读数。当 与非门 1 输出第三个脉冲时，IC2 的 Q2 端变为低电平，Q3 输出高电平，但由于 Q3 直接与 IC2 的清零端 Cr 相连，Q3 端输出的高电平使 IC2 复位清零，Q1、Q2 及 Q3 端全部变为低电平。于此同时，Q3 端出现的高电平经 VD2 加到 IC4IC7 的 R 清零端，使计数器及数码管清零，以便下次重新进行计数测量。波形图如 图 4-2 所示。 4-2 工作波形图 本章小结本章小结 本章主要介绍了整机电路的工作原理，把电路的各部分所实现的功能作全 面的总结，使其更透彻的了解电路。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -25- 第 5 章 电路的组装调试 5.1 电路的组装 5.1.1 电路的安装步骤 1、检查元件的好坏 按电路图买好元件后首先检查元件的好坏， 按各元件的检测方法分别进行检测， 一定要仔细认真的检测，给以后带来方便。 2、放置各元件 按电路图的位置将各元件安置好，首先将数码管放置好，然后放置核心元件， 再放其他元件，特别注意元件的顺序不要颠倒。 3、进行布线 布线有布线的规律，不能搭线、线路工整、清晰、另外还要避免绕线，短线等 现象发生，还要节省线路，以线路短、少、工整为依据来布线。 4、电路的检查 按电路图再进行检查实际线路，看是否有错线，错件等现象发生，是否有虚焊 等现象。注意仪器仪表的使用。 5.1.2 注意事项 1 、元件的检测 元件的检测是安装前的首要任务，检测的真实性直接决定着电路的进度。检测 的方法是检测元件的一个重要指标。 电容的检测：电容（瓷片电容）在这里无法检测，但要看清电容的标称值，这 样才会为电路及计算提供依据。 电阻的检测：电阻值特别是分压电阻的精度是电路的关键，所以检测电阻值也 应十分认真，严格按照检测电阻的方法来进行检测，注意检测电阻的注意事项。 普通二极管的检测： 按照正向电阻小，反向电阻大的原则，用万用表的电阻档 检测二极管的正反电阻来判断它的好坏。 数码管的检测：把两根导线分别放在一节干电池的两端，用电池的正极与数码 管的 VCC 相接，然后另一端的导线分别与其它的引脚相接触，如果相接触时， 对应的段亮，就证明好使，如果不亮，则换其它的数码管。 2、元件的摆放 元件的摆放首先要找好距离，摆放整齐，能够走的开线。其次，摆放位置的确 定，将主元件的位置固定，再将各元件要按电路图的顺序摆放整齐，次序不能 颠倒，原件也不能倒置等。 3、面包板的介绍 面包板一块总共由五部分组成，一竖四横，面包板本身就是一种免焊电板。 (1)面包板旁一般附有香蕉插座，用来输入电压、信号及接地。 (2)注意部分插孔是相通的。 (3)拉线时，尽量将线紧贴面包板，把线成直角，避免交叉，也不要跨越元件。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -26- (4)面包板使用久后，有时插孔间连接铜线会发生脱落现象，此时要将此排插孔 做记号。并不再使用。 5.2 电路的检查 5.2.1 通电前的检查 通电前的检查，主要有三方面的内容。第一，检查元器件安装是否正确，尤其 要注意晶体管的型号，二极管的极性，电容器的耐压和极性，电阻的阻值和图 纸上是否一致。第二，检查器件与面包板用导线接触是否良好。第三，检查电 路接线是否有误。根据电路图和导线表，用欧姆表逐根导线测试。经过这三方 面检查后，方可进行通电调试。 电路接好，万万不可急忙通电，应该首先认真细致地检查，确认无误后才能通 电。 5.2.1 通电后的检查 直观观察：在电路的连接栓查无误后，要先调好所需要的电源电压。然后才能 给电路通电。 ，观察电路是否有发热、冒烟等异常现象。如果有，得立即关断电 源，待排除故障后，才可重新通电。 静态测度：先不加信号，用万用表测量电路的 Vcc 与地间的电压，测量晶体管 的静态工作点是否符合要求。 采用动态逐级跟噻法检查。在输入端加入一个有规律的信号，按信号流程用示 波器依次观测各能波形是否符合要求。对于脉冲数字电路，还可用发光二极管 来逐级显示低频阶跃信号是否符合动态逻辑关系。 采用替换法检查，可能过更换同型号元器件来发现器件故障 5.3 调试中误差分析 此设计之所以有误差是由于元器件的本身有自己的特性，如电阻本身有阻性， 电容有容性，导线有电阻等等会影响准确度，此外在布线的过程中导线的接触 性能以及各个芯片之间都有直接的影响。 5.4 常见的硬件故障分析 1、逻辑错误 硬件的逻辑错误是由设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误 包括错线、开路、短路等几种，其中短路是最常见的故障。在印刷电路板布线 密度高的情况下，极易因工艺原因造成短路。 2、器件失效 元器件失效的原因有两个方面：一是器件本身已损坏或性能不符合设计要求； 二是由于组装错误造成的元器件失效，如电解电容的极性错误、集成块安装 方向错误等。 3、可靠性差 引起电路不可靠的因素很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时 坏；内部和外部的干扰、电源纹波系数过大、器件负载过大等造成逻辑电平不 稳定。另外，走线和布局的不合理等也会引起系统可靠性差。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -27- 4、电源故障 若整机中存在电源故障，则加电后将造成器件损坏。电源故障包括：电压值不 符合设计要求，电源引出线和插座不对应，电源功率不足、负载能力差等。 本章小结 本章对各部分单元电路的安装及调试做了具体的介绍，从而使电路的安装 非常明了。并且对在调试过程中所遇到的问题进行分析。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -28- 结论 通过一个多月的毕业设计， 我完成了一块非常有实用价值的电子类测量表。 此电路经过立题、研究、理论、详细设计、总体设计、电路分析、电路设计、 部分电路调试、整机调试，才最终完成。 本次毕业设计的技术指标为：被测信号幅度 5V；显示范围 209999Hz；闸 门时间为 1 秒；误差小于 5%；四项指标均以完成。 设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己 所学知识的机会，从图书馆和上网查找资料、对电路的设计、电路的调试再 到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。在实习的过程中发现自 己以前学的数字电路课程的基本知识掌握的不够牢固，导致在设计的过程中 对数字、集成电路课程进行一次整体复习，以便更准确的实现电路设计和发 现问题。在设计的过程中，遇到了一些陌生的元器件，我通过查找资料来学 习这些元件的功能和使用，拓宽了我元器件方面的知识面。系统地复习了模 拟电子技术 、 数字电子技术 、 Protel99SE等课程。特别是对数字电路的 设计产生了浓厚的兴趣。 通过对本课题的研究、设计、组装、调试，最后能够完成各项指标，在设 计的过程中,我对数字电路有了更深层次的了解。此电路的基本原理、组成在课 题方案中已经介绍，这里不再赘述。 本次设计的成功完成，是对我能力的一个很好的见证。现在回顾我的毕业 设计，就像是一本教科书一样，教会了我很多专业知识，拓宽了我的专业视 野，培养了我动手实践的能力，而且增强了我的自信心，使我受益匪浅！ 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -29- 致谢 短短的一个多月毕业设计已经接近尾声了，电路的所有指标都已经完全实 现了。在整个设计的过程中，我非常感谢我的指导老师刘训庆老师。刘老 师工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和 修改，中期检查，到后期终检，准备论文等整个过程中都给予了我悉心的指导 和无畏的帮助，他为我能够按时完成毕业设计给了很大的帮助，在我的设计当 中起了决定性的作用。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位 平凡的人，我的导师刘训庆。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的 老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好 的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使 我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考 方式， 从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的 领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”的感觉。同时也要感谢 电子系的各位领导及各实验室的老师给予我的支持和帮助。在这次毕业设计 中为我们投入了大量财力、物力和实验设施，没有这一切的帮助我们无法学 到这么多知识、无法完成此次设计，而他们不惜个人的工作和休息时间为我 们分析并且解决了许多疑难问题，并提出宝贵意见和建议，应该说我们的进 步凝聚着老师们的汗水。 除了敬佩刘训庆老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是 我永远学习的榜样，对我今后的学习和工作有着深远的影响。在此，向在毕业 设计当中给予我提供帮助的王老师说一声“老师您辛苦了！ ” 预祝王老师在今 后的生活及工作中，身体健康、工作顺利，在学术上取得更大的成功。 在这里，我要再一次对我的导师及电子系的全体老师们表示深深的谢意！ 衷心地感谢老师们给予我们的关怀和鼓励，在这里请允许我代表全体毕业声向 各位老师道声“老师，您辛苦了！ ”我们会用我们成绩给以回报母校。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -30- 参考文献 1、数字电子技术基础简明教程高等教育出版社 2、数字电路与逻辑设计实验教程.北京邮电大学出版社 3、集成电路速查手册山东科学技术出版社 4、集成电路原理及应用电子工业出版社 5、电子技术课程设计指导高等教育出版社 6、电子测量技术与实训简明教程北京科学技术出版社 7、555 集成电路应用精粹人民邮电出版社 8、数字集成电路应用 300 例人民邮电出版社 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德