数字频率计设计报告.doc

电子线路课程设计 第15页 共15页电子线路课程设计报告 姓名： 方正 学号： 110405221 专业： 电气工程及其自动化 日期： 2012-10-13 目录1 概述22 方案论证2.1 方案一32.2 方案二33.3方案选择43 数字频率计设计原理.44、单元电路分析61、放大整形电路62、时基电路63、逻辑控制74、锁存器8六、调试电路板中出现的问题及解决办法10七、课程设计体会10八、集成芯片功能介绍111、74LS573112、74LS48123、74LS90134、555构成的单稳触发器和多谐振荡器13参考文献14附一：电路总图15附二：电路PCB图16附三：PCB-3D图17附四：元件清单18一、概述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，它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，因此它的用途十分广泛：数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。数字频率计的设计原理实际上是测量单位时间内的周期数。这种方法免去了实测以前的预测，同时节省了划分频段的时间，克服了原来高频段采用测频模式而低频段采用测周期模式的测量方法存在换挡速度慢的缺点。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。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，频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。 集成电路的类型很多，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2大类。数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一，已广泛地深入到各个应用领域。二、方案论证1、方案一利用软硬件相结合的方法，其主要部件有AT89C51单片机芯片、74HC164驱动数码显示寄存芯片、74LS48位选芯片，放大电路，计时电路，LED数码管和一些电容、电阻等组成，其原理图如下：图1 ：方案一原理框图该方案可以测量多个通带的信号，通过同部门和功能切换部分电路进行分时复用。用两个计数器实现时间计数和事件计数分不开。在有必要队的显示其它通道的测量结果的时候，另一个通道的数据会被锁存在单片机里，并可以通过键盘进行相应的设置。2、方案二纯硬件的实现方法，系统采用由时基电路、放大整形电路、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、锁存器、数码显示器七部分组成。时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），经过三极管9013和74LS00放大整形，由74LS90十进制计数器和74LS573锁存器将所测的频率传给数码管，显示出来。图2：方案二结构图3、方案选择显然方案一要比方案二简洁、新颖，采用先测信号的周期，然后再通过单片机求周期的倒数的方法，从而得到我们所需要的低频信号的测量精度。但是方案一得具体电路在实现时比较繁琐，而且实现的高精度测量对软件的编写要求比较高。方案二可根据闸门时间选择量程范围。而方案二最大的特点就是全硬件电路实现，电路稳定性好、精度高、没有繁琐的软件调试过程，大大的缩短了测量周期。根据实际实验现有的器件及我们所掌握的知识层面，我们选择采用方案二。三、数字频率计设计原理所谓频率，就是周期性信号在单位时间 (1s) 内变化的次数若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为 fx=N/T 。因此，可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。可见数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号I，其频率与被测信号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号II，其高电平持续时间=1s，当l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率=NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲IV，使显示器上的数字稳定；二是产生清0脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时序关系如图3所示。四、单元电路分析1、放大整形电路图4：放大整形电路的原理图放大整形电路由晶体管9013与74LS00 等组成。其中9013组成放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。2、时基电路图5：时基电路时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为 1s），由定时器555构成的多谐振荡器产生。若振荡器的频率 =0.8Hz ，则振荡器的输出波形如图一中的波形所示，其中=1s，=0.25s。由公式=0.7()C和= 0.7C，可计算出电阻、及电容的值。3、逻辑控制图6：逻辑控制电路根据图6示波形，在计数信号结束时产生锁存信号，锁存信号结束时产生清0信号。脉冲信号和可由两个555单稳态触发器产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。设锁存信号和清0信号的脉冲宽度相同 ，如果要求=0.02s ， 则得=。若取=10k，则C=。由 555单稳态触发器的功能可得，当触发脉冲从U15的TRIG端输入时，在触发脉冲负跳变作用下，输出端3脚OUT可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图一所示的波形和的要求。手动复位开关S按下时，计数器清0。4、锁存器图7：锁存器锁存器的作用是将计数器在 1s 结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。如图3(b)所示，1s 计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送译码显示器。选用两个 8 位锁存器 74L573 可以完成上述功能。当时锁存信号 CP 的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后，无论D为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。五、PCB板制作及元件的焊接1、电路原理图的绘制在各单元电路设计的基础上，用 Protel 99 SE 软件画出单元电路，再把各个单元电路连接起来，画出符合软件要求的系统整体逻辑电路图。系统整体电路设计完成后，对系统整体进行仿真，验证设计的正确性。通过查阅数字电路器件手册或网络，掌握所选电子元器件，尤其是中大规模集成电路的性能、引脚定义以及封装形式，明确各器件的输入端、控制端对信号的要求和输出信号的特点。画出电路图后，检查无误就对每个器件进行封装，再生成PCB文件，设置好焊盘的大小，元件的尺寸大小后按照原理图把器件的位置摆放规范，设置好布线规则，一般先用20mil，地线和电源线用40mil。在设置成单层板后就可以布线了，布完线后检查无误就能做电路板了。2、电路板的制作流程为：1) 在PCB文件中量好要制作的电路板的长和宽，得到尺寸后制作规定要求的单层板；2) 把板子放在打孔机的针头下方，固定好板子，调节好距离，然后打出需要的针孔。3) 打印出PCB图纸，将打印好的图纸与板子上的针孔在对孔机上对好针孔，然后固定纸与板子位置。4) 把板子放到加热机上走四次，拆掉板子上的纸，看板子上是否有短线，如果有短线就用油笔画好线，一切确认无误后就放到腐蚀池中把多余的铜腐蚀等几十分钟后就能得到电路板了，最后洗干净涂上松香板子就做好了。3、电路板的焊接：对应PCB图上的元件将所用到的器件底座焊接到电路板上，有跳线的话要先焊接跳线，在焊接的过程中要避免焊锡与电路板上的铜线相交，而且要注意底座对应芯片的封装关系。其中，对应缺口的左下角第一个管脚号为1然后按逆时针方向依次为2、3，要避免跳线与管脚相交焊接时的注意二极管的极性,在焊接之前用在焊接之前要把各个电阻的阻值用万用表测试,检查阻值是否正确； 检查变压器的型号,确定220V交流电经变压器变压后是合适的电压； 最好选用220V/25W的电烙铁；焊接时动作要以把电路板铜线烫坏；焊接要准确； 每焊接好一处注意要检查是否有短路现象。 焊接完毕后进行调试，具体步骤是在接通电源前，先用万用表仔细检查各线路是否有短路、短路、虚焊、漏焊现象。检查无误后，接通电源，用万用表按原理图从信号源开始一级一级测试个测试点处的电压是否合服设计标准。如果有不符合设计要求的地方则需要检查原理图是否合理，如果检查原理图无误，就要仔细检查电路是否有问题并改正问题，改正后再进行同样的测试，直到正常为止。然后再测试各个芯片的电压是否正常，反复检查调试，直到没有错误，电路能够正常工作合服设计要求为止。六、调试电路板中出现的问题及解决办法调试电路板中出现的问题：开始调试是不正常工作，经请教老师后，发现是因为电路本来是用74LS123做单稳触发器，但改为555后未考虑功能上的时序问题，故导致计数器74LS90虽然收到计数脉冲，但计数器一直处于清零状态，即R0端一直处于高电平状态不计数。解决办法：先在U14到U15之间加一微分电路以提高脉冲前沿，加了之后电路能够显示，但只能显0；之后在U15到U3之间再次加上一微分电路之后，电路工作正常。图8：微分电路及相关波形 当第一个方波电压加在微分电路的两端（输入端）时,电容C上的电压开始因充电而增加。而流过电容C的电流则随着充电电压的上升而下降。能工作后，通过调节和两个电位器分别调节静态工作点和显示精度。七、课程设计体会经过这次的课程设计，通过对各种资料的查阅，我发现了自己动手的乐趣。以前所学的知识都被局限于课本之中，这次通过课程设计我体会到了，只要勇于探索和吸收，知识是无边无境的。因为是第一次做课程设计，在这个过程中遇到了很多问题，比如如何画图，如何组织那种专业语言，上网、到图书馆查找相关的资料。虽然很费劲，但是其乐无穷。通过此次的设计，我发现到这个设计对数字电子技术的学习要求非常高，我相信在今后的学习和工作中它也占据着非常重要的地位。课堂中的学习是远远不够的，我们还需要自己吸收和再学习，不断的探索和研究。这样在以后的学习工作中才能节节进步，不断创新。不但如此，我想要完成一个任务，不能只局限于自己所学的知识中，要各个方面都有涉猎，提高自己的综合能力，这样才能取得长足的进步。通过此次的设计，我也领略到了团队精神的可贵。我的专业知识学习的不扎实，在设计的过程中，会遇到各种问题。这时我就会向同组同学和老师请教，共同完成这个设计。尽管如此，设计中仍会有我们未发现的问题，感谢老师的悉心指正。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次设计将成为我学习旅途中一个美好的回忆！八、集成芯片功能介绍1、74LS573图9：74LS573引脚图及功能表当为低电平和LE为高电平时，当计数器74LS90所计数值到来时，74LS573锁存数据。2、74LS48图10：74LS48引脚图及功能表BCD7段译码器。、同时为高电平时74LS48译码。3、74LS90图11：74LS90引脚图及功能表 可二五分频的十进制计数器。当和同时为低电平时计数，当为高电平为低电平时清零。4、555