电子技术课程设计-数字频率计设计报告.docx

工学08-I电子技术课程设计报告数字频率计的设计专 业： 工学08 班 级： 15级工学（7）班 姓 名： 学 号： 指导教师： 中国大庆2016 年 12 月信息技术学院课 程 设 计 任 务 书 信息技术学 院 工学08-I 专业 2015 级，学号 20154070702 姓名 一、课程设计课题：数字频率计的设计二、课程设计工作日自 2016 年 11 月 28 日至 2016 年 12 月 9 日三、课程设计进行地点： 黑龙江八一农垦大学图书馆 四、 课程设计任务要求： 1.课题来源:教师指定2.目的意义: 针对电子线路课程要求，对学生进行实用型电子线路设计、安装、调试等各环节的综合性训练，培养学生运用课程中所学的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力,提高自身创新能力。3.基本要求: （1）测量信号：方波。 （2）测量频率范围：1Hz9999Hz ; 10KHz10KHz。 （3）显示方式：4位十进制数显示。 （4）时基电路由 555 定时器及分频器组成, 555 振荡器产生脉冲信号,经分频器分 频产生的时基信号,其脉冲宽度分别为: 1s, 0.1s。 （5）当被测信号的频率超出测量范围时，报警。课程设计评审表指导教师评语：成绩： 签字： 日期： 目录1设计任务要求52方案比较53单元电路设计64元件选择105整体电路106说明电路工作原理117困难问题及解决措施138设计总结139致谢1310参考文献：141设计任务要求(1)测量信号：方波。(2)测量频率范围：1Hz9999Hz ; 10KHz10KHz。 (3)显示方式：4位十进制数显示。 (4)时基电路由 555 定时器及分频器组成, 555 振荡器产生脉冲信号,经分频器 分频产生的时基(5)信号,其脉冲宽度分别为: 1s, 0.1s。 (5)当被测信号的频率超出测量范围时，报警。 1.1规定(1)设计硬件线路，用Protel或其它绘图软件画图； (2)按单元电路详细说明硬件线路设计思路，元件参数，选取根据。附详细的元件清单； (3)如有程序，附完整的程序清单，并加注释，要求有完整的程序流程图，包括总流程图和各模块流程图。(4)对程序设计思想做详细说明；(5)设计总结和设计体会。2方案比较2.1方案论述频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T。 频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。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。3单元电路设计3.1秒时间基准发生器利用555定时器组成多谐振荡器。根据振荡频率公式f=1.443/（R1+2R2）C，取C=100uF。设高脉冲持续时间1s，低脉冲持续时间0.5s，解得R2=7.0k，R1=7.0 k,故可变电阻调到2 k处，构成基准发生器如下。3.2输入信号放大整形电路放大整形电路包括衰减器、跟随器、放大器和施密特触发器，他将正弦波输入信号V1整形成同频率方波V0。衰减器由分压器构成，测试信号首先通过衰减开关选择衰减倍率，幅值过大的被测信号经分压器分压，送入后级放大系统以免波形失真。由运算放大器构成的设计跟随器起阻抗变换的作用，使输入阻抗变大，由运算放大器构成的同相放大器的的放大倍数为（Rf=R1）/R1，改变R1的大小可以改变放大倍数。系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到后的方波到闸门以便计数。放大电路由3DG100和电阻电容组成，目的是将一定频率的周期信号进行放大。整形电路由555定时器构成施密特触发器，对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲信号。3.3闸门电路闸门电路由与非门组成，该电路有两个输入端和一个输出端，输入端的一端接门控信号，另一端接整形后的被测方波信号。闸门是否开通受门控信号的控制，当门控信号为高电平是，闸门开启，而门控信号为低电平时，闸门关闭。显然，只有在闸门开启的时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门开启时间。可见，门控信号的宽度一定时，闸门的输出值正比于被测信号的频率，计数显示系统再把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。3.4计数锁存显示电路由计数器、锁存器和显示器组成计数器由4片74LS90按十进制计数组成，四个芯片级联而组成10000进制的计数器，计数器是将计数器个位的Q4与十位的CPA相连，十位的与百位的相连，百位的与千位的相连，千位的与万位的相连，如此组成进位，然后将在计数清零时将计数结果送入锁存器，从而可以读出稳定的读数。锁存器的作用是将计数器在1s结束时所得的数进行锁存，使显示器上能稳定的显示此时计数器的值，1s结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，使计数器数值不再改变。采用74LS273进行锁存操作。从锁存器出来的信号是计数器计数器计数后被锁存在锁存器中的信号，是二进制的数，在显示器上不能直接显示，需要译码器将二进制的数译码成为十进制的数，然后才能在显示器上读出频率。采用74LS48四线7段译码器进行译码。 74LS90功能表 74LS273功能表 74LS48功能表4元件选择元器件清单2个555定时器1个 10K电位器 3个数码管 导线若干1个74151 1个7412 4个保护电阻 1个7412 3个74153 1个5V电压源1个LED灯 1个拨盘开关5整体电路6说明电路工作原理6.1原理细则周期测量：测量周期的原理框图2-4.测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。简易数字频率计时基电路：由于被测信号范围为1Hz1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档：1Hz999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1ms、0.1ms、0.01ms。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。在实验中我们采用的就是前一种方案。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。使得能够产生1kHz的信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工作波形的示意图 通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz；这里我们以输出100Hz的信号为例。分析其通过4017后出现的波形。 4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端，时钟输入端的施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，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端，如图3-3，信号通过4017后，从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。6.2控制电路设计通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生74160的清零信号，4511的锁存信号.简易数字频率计。 控制电路,计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。当74153的CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。图3-6是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图。其中第一个波形是被测信号的波形图、第二个是PT端输入信号的波形图、第三个是计数器的清零信号。第四个是锁存信号。PT是高电平的时候计数器开始工作。CLR为低电平的时候，计数器清零。根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。根据4511（4511的管脚图和功能表详见附录1）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，4511不送数。如果不让4511锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图可以看到，当PT到达下降沿的时候，此时4511的LE端的输入信号也刚好到达下降沿。 如CBA接011测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.100KHz9.999KHz，那么在显示的时候四个数码管的第二个数码管的小数点要显示。CBA接010测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.01KHz9.99KHz，那么显示的时候，最高位的数码管的小数点也要显示。对比一下两个输入的高低电平可以发现CA位不一样，显示的小数点就不一样。我们可以想到可以通过74153数据选择器来实现小数点显示的问题。7困难问题及解决措施在设计电子的相干图的时候，对于元器件的选择不够清楚，向小组的其他同学进行讨论，并向同专业年级学长请教，最后在网上查找资料进行对比。还有就是对于前期学习的知识不熟悉导致浪费了大量的时间进行复习。在进行报告的制作过程中，对于文档的一些格式进行设置时出现了很多问题，我向其他同学寻求帮助，最后学会了许多技巧知识。8设计总结首先感谢老师给我们创造这次机会进行课程设计，让我们在为期一周的电子课程设计中懂得了更多，学到了更多。电子设计是我们必需要学会的技能，而熟练的使用protel等电路设计软件是我们应该具备的基本技能，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。在设计的过程中发现了本学期学过的数字电路的知识掌握的不牢。同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。设计过程是一个考验人耐心的过程，尤其是在使用protel画原理图时，更需要我们细心的去做每一步，而555定时器，74151,74153等引脚比较多，而且要根据原理使用，只有耐心做好每一步，才能顺利的完成课程设计。9致谢通过本次课程设计，我收获颇丰，一方面使自己各方面能力在一定程度上得到提升，另一方面是自己切身体会到数字电子技术的实用性和有效性，增加了自己对数电学习和电子制作的兴趣。同时在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。本课题在选题及进行过程中得到富老师的悉心指导。论文行文过程中，老师