电子课程设计报告2019836688.doc

16荆楚理工学院课程设计报告报 告 题 目 ： 作者所在系部： 作者所在专业： 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 课程设计任务书课题名称简易数字频率计的设计完成时间指导教师职称学生姓名班 级总体设计要求和技术要点1 设计一个简易数字频率计电路，要求： 测量信号范围：方波、正弦波，幅度：0.55V，频率：19999Hz； 最大读数：9999Hz，用四个数码管显示。闸门信号的采样时间为1s； 电路具有启、停控制，用于启动和停止频率的连续显示，停止时对计数器清零。2用中、小规模的集成电路设计数字频率计电路，画出单元电路图，整机逻辑框图和逻辑电路图。3闸门信号可以改为1s、0.1s、0.01s、0.001s四个档位，用一个开关切换量程。工作内容及时间进度安排第15周：周1-周3 立题论证方案设计、熟悉软件周4-周5检查设计结果，预答辩第16周：周1-周2 仿真实验周3-周4 验收答辩周5完成设计报告课程设计成果1与设计内容对应的软件程序2课程设计报告书内 容 摘 要在电子技术中，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。 我们生活的环境中存在着各种各样的波：矩形波，三角波，低频波，高频波等等。有时我们需要测量得到它准确的频率值，因此就用到了数字频率计。本课题要设计的是简易数字频率计电路，要求： 测量信号范围：方波、正弦波，幅度：0.55V，频率：19999Hz； 最大读数：9999Hz，用四个数码管显示。闸门信号的采样时间为1s； 电路具有启、停控制，用于启动和停止频率的连续显示，停止时对计数器清零。2用中、小规模的集成电路设计数字频率计电路，画出单元电路图，整机逻辑框图和逻辑电路图。3闸门信号可以改为1s、0.1s、0.01s、0.001s四个档位，用一个开关切换量程。 关键字：放大 整形 数显 清零 锁存 频率 译码 目录一、概述5二、方案设计与论证51测频法52. 测周法63. F/V与A/D法64. 测压法8三、单元电路设计与分析81 放大整形电路82 闸门电路93 计数器94 锁存器105 译码显示电路11四、总原理图及元器件清单121总原理图122元器件清单13五、结论14六、心得体会14七、参考文献14 一、概述 通过信号放大整形电路将被测频率Fx产生一个CP脉冲，通过不同频率的脉冲产生高低电平时间均长度为1s，0.1 s，0.01s，0.001s的方波信号。用计数器来测量CP脉冲在单位时间内的个数。通过74LS273锁存数据，再通过译码器翻译，使数码显示管数值N。数码显示器由四只LED数码管构成，均用十进制数表示，即数字显示器可以显示出的数字范围是09999。响应时间不超过12秒，接上待测信号Fx后，显示器所限数字N，极为待测信号的频率值。二、方案设计与论证数字频率计是直接用十进制数码管显示待测信号频率的一种测量装置，它可以测量张玄伯，方波，三角波的频率，通过555定时器构成的施密特触发器经输入信号整形为方波，并利用计数器测量单位时间内的马车个数，最后利用锁存器锁存，稳定电路将频率数值显示在数码管上。常用的频率测量法有以下四种。1 测频法测频法的基本思路是：对频率为f的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为TG）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其信号频率为f=N/TG,如图2-2所示图2-2测频法原理图测频法的测量误差与信号频率有关：信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。2. 测周法周期/频率测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频标准计数信号fs进行计数，其测量原理如图2-1所示。图2-1测周期在确定的检测时间内，若对被测信号 f的计数值为N1，对高频信号 f的计数值N2，则所测的信号频率为F=1/T=N1/(N2*TS)=N1*fs/N2可见，周期/频率法需要进行除法运算才能得到信号频率，这用中小规模数字集成电路却较难实现，因此，该方法不适合本设计要求。3. F/V与A/D法这种频率测量方法是先通过F/V变换，把频率信号转换成电压信号；然后再通过A/D转换把电压信号转换成数字信号，再对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。本设计选择了测频法，由于测频法的测量误差与信号频率有关：信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为1s时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。另外，在信号频率较低时，如1100Hz，可以通过增大闸门时间来提高测量精度。从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求可得到如图2-3所示的电路框 （1） 放大整形电路 为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器识别的脉冲信号。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用555定时器构成的施密特触发器来将正弦波。（2） 闸门电路 用于截取1s,0.1s,0.01s,0.001s的输入脉冲的个数。由一个四口开关和四个脉冲产生器构成。（3） 计数器 计数器的作用是对输入脉冲进行计数。根据设计要求，所测频率的范围为“1-9999”，则应采用四位十进制计数器，可以选用现成的十进制集成计数器74LS160芯片。（4） 锁存器 在确定的闸门信号时间内，计数器的计数结果（被测信号的频率）必须经锁存器锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器通过触发脉冲的控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。为使数据稳定最好采用边缘触发方式的74LS273器件。（5）、译码显示器显示译码器的作用是把BCD码表示的十进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，已获得数字显示。显示译码器的输出方式必须与数码管匹配。 图2-3设计电路的框图4. 测压法测压法的基本原理是：把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换器转换成数字量显示。三、单元电路设计与分析1 放大整形电路 放大整形电路由正反馈运算放大电路及电阻,电容组成的幅度扩展电路和555构成的施密特触发电路构成如图3-1 图3-1 放大整形电路放大器LM324及电阻R10、R12和R13构成信号幅度扩展电路，当输入信号较小时，集成运放将输入信号的幅度放大。用555构成的施密特触器将输入的正弦波，三角波等其他变化波形变换成矩形脉冲波形。2 闸门电路 闸门电路由四个脉冲发生器DCLOCK和一个四口开关SW-ROT-4组成，如图3-2图3-2 闸门电路脉冲发生器DCLOCK产生闸门信号为1s,0.1s,0.01s,0.001s的脉冲信号，开关SW-ROT-4用于选择不同的闸门。3 计数器计数电路用4个同步十进制加法器计数器74LS160构成。在闸门信号到来之前，清零信号对计数器进行清零，当闸门信号到来时对输入脉冲进行计数，计数结束后将计数结果送入锁存器。计数电路如图3-3图 3-3计数器电路4 锁存器锁存器选用74LS273将计数器在闸门信号结束时的将计数器的计数值进行锁存，使显示器上获得稳定的测量值，当时钟脉冲CLK的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，将计数器的输出值送到锁存器的输出端。图3-4 锁存器电路5 译码显示电路 译码器课采用共阴极显示译码器7448，将所测信号进行译码，结果送入数码管进行显示。译码显示电路如图3-5图3-5 译码显示电路四、总原理图及元器件清单1总原理图数字频率计的设计总原理图如图4-1图4-1 总原理图2.元器件清单元件序号型号主要参数数量备注U1 U2 U3 U474LS160无4十进制计数器U5 U674LS273无2锁存器U7 U8 U9 U107448无4十进制译码器U11555无1放大整形电路C3CAPC=0.01uf2 放大整形电路U7ALM324 无1放大整形电路R10 R11 R12RESR10=100K,R11=10K,R12=10K3放大整形电路SW1SW-ROT-4无1闸门电路SW1(1,2,3,4)DCLOCK SW1(1)=0.5HzSW1(2)=5Hz SW1(3)=50Hz SW14)=500Hz4闸门电路闸门电路U8A74LS04 无1非门U14A74LS08 无1与门U16CHIPRES R9=R10=10k1与门五、结论这次课设,通过Proteus 7.7 ISIS仿真软件的平台，直接绘制电路图，将待测信号进行放大、整形，通过计数器，锁存器，译码器，将实验数据显示在数码管上。本次实验重在整体思路，加上各个引脚的相关功能与连接，掌握相关器件的使用原理。用555芯片连接成多谐振荡器和555施密特触发器来对信号整形，眼界实验数据时发现，由555构成的单稳态电路会对输入脉冲有滞后的作用，由555构成的多谐振荡器RA和RB的比例会对产生的脉冲产生影响。六、心得体会试验中，我们遇到了很多问题，好多新的器件不太了解其各个引脚的功能，所以我们查了好多资料，但是并没有理想的答案。经过几番研究与实验，才确定了各模块中所需要的电子芯片和器件。我们组并没有严格的分工，而是以讨论、实际连接为主，这样可以不断发现问题解决问题，避免思路不统一造成工作的冗余。更重要的是，老师的建议给了我们很好的启发，使得实验数据更加精确。七、参考文献1高频电子线路M. 胡宴如.高教出版社. 2001.9：12-19 2 数字锁相环的参数设计及其应用J 通信技术2001，（9）：卢屹