课程设计（数字频率计）.doc

课 程 设 计 说 明 书课程名称：电子技术课程设计题 目：数字频率计学 院：电气信息学院专 业：电气工程与自动化年 级：2008级学 生：马平学 号：312008080608140指导教师：张祖媛完成日期：2010年7月16日西华大学课程设计说明书数字频率计 摘 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。实现了频率和周期的测量，同时，本设计还使用了扩展电路扩大了测量范围，使用计算机辅助设计（EDA）工具，提高了设计的效率。关键词：数字频率计，集成电路,译码,单稳触发器，集成运算放大器Abstract：Digital frequency meter is a digital display with the decimal number of the measured signal frequency measuring instruments. Its basic function is to measure sinusoidal signal, square wave signals, triangular-wave signal, and various other changes in physical quantities per unit time. Used in this design is a direct frequency measurement method, that is used in the calculation of the counter is the number of cycles within the input signal. It is formed by the module circuit, including a variety of Manifold, logic devices, a simple electronic devices based on a simple digital frequency meter. Achieved a frequency and period measurement, at the same time, this design also uses the expansion of the circuit expanded measurement range, the use of computer-aided design (EDA) tools, improve the design efficiency. Keywords: Digital frequency meter, integrated circuits, decoding, mountable flip-flop, integrated operational amplifier目 录1绪论11.1设计目的11.2设计任务与要求21.3数字频率计的基本原理22总体方案设计32.1数字频率计设计的系统框图32.1.1各个电路框图的说明32.2方案论证33单元模块设计53.1各单元模块功能介绍及电路设计53.1.1波形的放大整形电路的设计53.1.2单稳态触发器电路的原理及设计63.1.3控制阀门83.1.4计数器电路的原理及设计83.1.5译码显示电路的原理及设计93.2电路的主要器件参数的选择103.2.1放大电路103.2.2555定时器构成的单稳态触发器113.2.3元器件的选择113.3特殊器件的介绍123.3.1555定时器123.3.274HC390143.3.374HC4511154系统调试174.1调试中遇到的问题及解决方法174.1.1输入放大与整形电路检测及调试174.1.2555构成的单稳态触发器的调试175心得体会186参考文献19附录：20附录1 数字频率计原理总图20附录2 数字频率计仿真效果图21附录3 设计中使用的相关软件22II1 绪论随着经济、科技的高速发展，人们对于对与自动控制的要求也迅速提高，自动控制可以帮助人们提高生产效率、节省生产资料等等，所以符合各种要求、各种类型的自动控制系统在人们的生活中广泛应用，数字频率计就是一个简单的实例。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，但闸门时间越长则没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。本文讲述了数字频率计的工作原理以及其各个组成部分，记述了我在整个设计过程中对各部分电路设计方案的选择、对各个部分的设计思路、元器件的筛选、以及对它们的调试、对调试结果的分析，到最后得到比较满意的实验结果的过程。1.1 设计目的1理解并掌握数字频率计的原理及实现的方法。2. 掌握单稳态触发器的特性参数的计算及选择。3.培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。4.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路及数字电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。1.2 设计任务与要求1频率测量：（1）测量对象：正弦波、矩形波、三角波。（2）频率测量范围：100HZ10000HZ；10000HZ10MHZ。2数字显示位数：五位数字显示。3产生频率：（1）.产生信号：方波；幅度：0.5V5V，连续可调。（2）.产生信号频率范围：1Hz1MHz，连续可调。4测量误差0.1%。5显示要求：（1）.十进制数字显示。（2）.显示刷新时间1秒连续可调。（3）.测量功能分别用发光二极管指示。6按规定完成电子技术课程设计报告书的写作。1.3 数字频率计的基本原理数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了一技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这种方案的组成框图和实现原理分别进行说明。2.1 数字频率计设计的系统框图根据设计要求，得到如图2.1所示的电路框图：输入的波形单稳态触发器控制阀门波形的放大整形计数译码显示 图2.1 数字频率计系统框图2.1.1 各个电路框图的说明1. 输入的波形是指的外加的待测的一定频率的信号。2. 波形的放大整形指的是将待测信号放大和整理成方波。3. 单稳态触发器指的是利用555构成的单稳态触发器。4. 控制阀门指的是利用整形后的方波和单稳态加在一个与非门上来形成一个控制脉冲。5. 计数指的是用集成器件译码器构成的一个电路。6. 译码显示指的是用集成的译码显示器及数码显示管构成的一个译码显示电路。2.2 方案论证如方案所示，外加的待测一定频率信号进入放大整形电路后经过波形的放大在由施密特触发器整形过后形成一个标准的频率不变的方波信号。由555构成的单稳态触发器将产生单次的高电平持续时间可调的脉冲，可产生持续时间为1秒和0.01秒两个不同的单稳态信号。整形过后的方波和单稳态信号加入到一个与非门中，由于没有触发时单稳态产生的是低电平经过与非门后产生的为高电平不能触发后级计数器的计数。一旦触发后将产生1秒的高电平，这时整形后的方波将通过与非门传送到下一级的计数器触发计数器开始计数，当1秒过后又回到不能计数的状态，再通过后级的译码显示器显示出计数的结果。读出的数就是该待测信号的频率。3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为三个单元模块，它们分别是：方波发生电路模块，方波-三角波转换电路模块，三角波-正弦波转换电路模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1 波形的放大整形电路的设计 该级电路一共实现了两个功能：第一个是对波形的放大，这一块是利用集成运算放大器OP37来实现的。第二个功能是波形的整形，这一点是利用施密特触发器的功能来实现的。 这一级的原理图如图3.1： 图3.1 波形放大整形电路图 OP37是双电源的集成运算放大器，利用正相比例放大原理对待测波形进行放大， ，由此可以看出放大倍数由R12及R14的大小来决定。这里用施密特的波形变换及整形作用来实现将外加的待测信号转换为方波。其电路有以下的工作特点：1.电路的触发方式属于低电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入电压达到某一定值时，输出的电压会发生跳变。由于电路内部正反馈的作用，输出电压的边沿很陡直。2.在输入信号减少时，施密特触发器有不同的阀值 ，正向阀值电压，和负向阀值电压。两者之差称为回差电压，用来表示（）。根据输入相位、输出相位关系的不同，施密特触发器有同相输出和反相输出两种电路形式，这里选择的是反相输出类型的。 反相施密特电路的传输特性如图3.2：图3.2 反相施密特电路的传输特性利用施密特转换波形图如图3.3：图3.3 利用施密特转换波形图3.1.2 单稳态触发器电路的原理及设计该级单稳态触发器是利用555定时器来构成的，该单稳态触发器主要作用是：当低电平触发端2端给一个低电平（其余时间都是高电平）触发时将产生一个单稳态的高电平持续时间是一定的，这里以1秒来说明。其余当没有给低电平触发时该级输出端3端一直处于低电平状态直到下一个低电平来触发。 该级电路原理图如图3.4： 图3.4 单稳态触发器电路电路图这里利用555定时器构成的单稳态触发器要产生持续1秒的高电平就要对电路的参数进行选择，通过电容C21的充放电来实现的。当低电平触发端2端施加一个低电平触发信号（），电路的输出跳变为高电平，电路进入暂稳态，555内部的三极管T截止。此后电容C21开始充电，当C充电至时，电路的输出电压由高电平翻转为低电平，同时555内部三极管T导通，于是电容C放电，电路返回到稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则从零电平上升到的时间，即为电压的脉宽： 所以要实现1秒的脉宽就要选择好电阻和电容的值。但是还是会有误差，这里就要进行调试使误差在控制范围之内。 3.1.3 控制阀门这级控制阀门是由一个与非门74LS00来完成的。原理图如图3.5： 图3.5 控制阀门电路图当单稳态输出为低电平使无论另一个门进入的是何种电平控制电路与非门输出的都是高电平，又下一级电路的计数器为低电平触发所以不能正常计数。但是当单稳态触发器经过触发后输出的为一单稳态的点平持续时间为1秒，此时控制电路另一端的输入信号方波在这1秒内就能通过控制阀门去触发下一级的计数器正常的计数。3.1.4 计数器电路的原理及设计该级计数器电路的主要器件就是74HC390集成计数器，这里一共用了五个计数器，先将这五个计数器均接成8421码二十进制计数器，然后将它们级联，接成一万进制的计数器。这里还加入了一个手动的清零开关。计数器电路的原理图如图3.6： 图3.6 计数器原理图 级联的方式如图3.7：CKA接上一级的Q3,CKB接本级的Q0。这样五个级联就构成了一万进制的计数器。图3.7 74HC390级联方式图3.1.5 译码显示电路的原理及设计该级电路为译码显示电路，主要就是由译码电路及显示电路两个部分来组成。该部分电路原理图如图3.8： 图3.8 译码显示电路电路图第一部分为译码部分，主要器件是CD4511集成译码器。该部分用了5个CD4511来进行译码，这样才能满足前级一万进制的需求。第二部分为显示部分，主要器件是7段数码显示管。其显示效果如图3.9： 图3.9 数码管显示效果图3.2 电路的主要器件参数的选择下面就主要电路的参数选择进行说明。3.2.1 放大电路放大电路主要作用就是对输送进来的待测信号进行波形幅度的放大但是不会改变该波形的频率。该级主要是靠集成OP37对波形进行放大，前面的电容是起一个防止其它信号干扰的作用，电阻的作用是限流。这里 可以得出这里选择的是R12=10K，R14=1K,所以很容易的知道该级放大电路的放大倍数是：也可以根据实际的需求改变电阻的大小来得到需要的放大倍数。3.2.2 555定时器构成的单稳态触发器通过上面介绍的由555构成的单稳态触发器可知，单稳态触发器的输出一直保持低电平直到有一个低电平触发使输出形成单次的高电平。其形成的脉冲宽度为： (1)在设计该数字频率计中需要1秒的单次脉冲宽度，由表达式（1）可知脉冲宽度与电阻及电容的取值有直接关系，所以就要选取正确的电阻值R21及电容值C21。在这里我们一般选取电容值为C21=10uF，那么根据再取=1s即为：可得 这时我们一般会取90K，但这里只是理论的计算值和实际中的测试可能会有一定的误差，所以要经过调试最终选取合适的电阻值。 R22只是起一个限流的作用，C22取0.01uF接地是为了防止外界信号的干扰。3.2.3 元器件的选择设计所用仪器及器件如下表1：运放OP371片7段数码显示管5片译码器74HC45115片计数器74HC3905片与非门74LS001个按钮开关BUTTON2个单刀双掷开关1个施密特触发器401061个+5V直流电压源4个+15V直流电压源1个-15V直流电压源1个555定时器1个142K电阻1个1.42K电阻1个10K电阻4个1K电阻2个0.01F电容1个10uF容3个示波器1台频率，幅度可调的信号源1台表1 设计选用的器件3.3 特殊器件的介绍这一节中将会对设计过程中使用到的一些器件进行介绍。主要涉及到设计中比较重要的元器件的内部原理及一些使用该元件的注意事项。3.3.1 555定时器555定时器内部原理图如下图3-3-1它由三个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。 555定时器内部原理图如下图3.12： 图3.12 555定时器内部电路分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空，则比较器C1的参考电压为，加在同相端；C2的参考电压为，加在反相端。 是复位输入端。当=0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。正常工作时，=1。u11和u12分别为6端和2端的输入电压。当u11，u12 时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即=0，=1，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。当u11，u12 时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，=1，=0，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。当u11 时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。在使用时如5脚不用一般是要接一电容到地的。综上所述，可得555定时器功能如表2所示。表2 555定时器功能表阀值输入（V11）触发输入（V12）复位（ ）输出（Vo）放电管TXX00导通10导通 1不变不变3.3.2 74HC39074HC390为一部的二十进制计数器，其管脚图如图3.13： Q3 Q2 Q1 Q0 74HC390CP0 CP1 MR图3.13 74HC390管脚图一片74HC390中集成了两个二十进制的计数器。1脚CP0、4脚CP1为芯片中的一组二十进制计数器，如果将CP1接到本级计数器的输出端Q0上就可以构成一个十进制计数器。2脚MR为清零端，高电平触发其进行清零。74HC390为低电平触发其进行计数。Q1,Q2,Q3,Q4为其输出端，输出的为8421BCD码。3.3.3 74HC451174HC4511七段显示译码器逻辑符号如图3.14：a b c d e f g 74HC4511LE BL LT D3 D2 D1 D0 图3.14 74HC5411逻辑符号当输入8421BCD码时，输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有三个辅助控制端LE、BL、LT，以增加器件的功能，现分别简要说明如下：1. 灯测试输入LT当LT=0时，无论其他输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1，显示字形8。该输入端常用于检查译码器本身及显示器各段的好坏。2. 灭灯输入BL 当BL=0，且LT=1时，无论其他输入端是什么电平，所有的各段输出ag均为0，所以字形熄灭。3. 锁存使能端LE 在BL=LT=1的条件下，当LE=0时，锁存器不工作，译码器的输出随输入码的变化而变化；当LE由0跳变为1时，输入码被锁存，输出只取决于锁存器的内容，不再随输入的变化而变化。综上所述可以得出74HC4511的功能表，如下表3： 下表中H表示高电平，L表示低电平表3 74HC4511的功能表十进制数LEBLLTD3D2D1D0abcdefg字形0LHHLLLLHHHHHHL01LHHLLLHLHHLLLL12LHHLLHLHHLHHLH23LHHLLHHHHHHLLH34LHHLHLLLHHLLHH45LHHLHLHHLHHLHH56LHHLHHLLLHHHHH67LHHLHHHHHHLLLL78LHHHLLLHHHHHHH89LHHHLLHHHHHLHH910LHHHLHLLLLLLLL熄灭11LHHHLHHLLLLLLL熄灭12LHHHHLLLLLLLLL熄灭13LHHHHLHLLLLLLL熄灭14LHHHHHLLLLLLLL熄灭15LHHHHHHLLLLLLL熄灭灯测试XXLXXXXHHHHHHH8灭灯XLHXXXXLLLLLLL熄灭锁HHHXXXX*4 系统调试这一节主要是讲在数字频率计设计完后通过CAD软件进行仿真过程中遇到的一些问题及调试方法4.1 调试中遇到的问题及解决方法放大整形电路可能由于理论与实际间有一定的误差使得时间仿真时放大倍数可能变大或变小。由555定时器的构成的单稳态触发器来产生的单稳态高电平脉冲宽度与电阻及电容器件的选择有密切关系，在实际调试的过程中发现与理论值还是具有一定的误差。4.1.1 输入放大与整形电路检测及调试用示波器观测整形电路OP37的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致的矩形波。观察波形是否放大了设计时要求的倍数，如果相差太大则通过改变电阻R12和R14的值大小来调整。如观测不到输出波形，则应检测这一部分电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。检测控制门74LS00输出信号波形，正常时，每间隔 1S 时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常 , 并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。4.1.2 555构成的单稳态触发器的调试外加一个正旋、频率已知的信号，然后进行仿真测试，根据仿真的结果对比已知的频率，如果发现测出的波形是大于已知的频率则将电阻R21调小，相反则将电阻R21调大，直到误差在允许范围内。5 心得体会经过一个多星期的课程设计，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及模拟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，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。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接方法；以及如何提高电路的性能。通过这次的课程设计，