数电课程设计数字频率计.doc

数字频率计1 设计任务描述1.1 设计题目 ：数字频率计1.1.1设计目的 掌握数字频率计的构成、原理与设计方法；熟悉集成电路的使用方法。1.1.2 基本要求要求被测信号为方波，峰值为3V到5V（和TTL兼容），被测信号频率范围为0Hz到9999Hz； 设计石英晶体振荡器及分频系统，闸门时间：10ms，100ms,0.1s，1s，10s；可控制的计数、锁存、译码显示系统。1.1.3 发挥部分被测信号为正弦波信号；选频显示2 设计思路设计根据任务书中的要求来设计，设计之初将电路分成几个部分来分别设计，确定各个部分电路的功能，分别设计，画出逻辑方框图。方框图完成之后，开始具体设计。首先是要求被测信号波形为方波，根据这一条件，首先要确保被测信号是方波，本人根据施密特触发器对波形的整形和变形作用，选用施密特触发器将被测波形转变成方波。然后与一个单位时间内的高电平控制门相与，得到单位时间内的波形个数；对于高电平控制门的产生电路，本人选用由JK触发器对时钟脉冲的延迟作用来达到目的，这里也可以使用由555器件组成的单稳态触发器，但由于后者使用电容来控制门的周期，精度差，故没有选用；JK触发器所使用的时钟脉冲要求要精确度相对较高，故选用石英晶体振荡器产生的时钟脉冲，本人选用的是并联连接的石英晶体振荡电路；石英晶体振荡器产生的脉冲信号都在1MHz以上，不能直接用来驱动器件工作，故需要对石英晶体振荡器产生的时钟脉冲信号进行分频，简单的分频器可以使用计数器的集联来构成，例如1MHz的信号用8个十进制计数器就可以完成100KHz、10KHz、1KHz、100Hz、10Hz、1Hz及0.1Hz几个频段，根据设计要求，选用100Hz、10Hz、1Hz及0.1Hz的频段，为节省器件及空间，本人选用双十进制计数器，即由一个器件可以完成100进制的计数，将分频器的器件数量控制在4个。经过以上电路后，我们可以得到被测信号在单位时间内的波形，然后我们通过对单位时间内波形的周期个数的记录，就可以得到被测信号的频率，记录周期个数同样要用到计数器，根据课设要求，被测信号在9999Hz，故选用4位计数，这里的计数器选用与分频器一致的计数器，4位的记录由两个双十进制计数器就可以完成，记录完的数据要使用锁存器来保存，本人选用了锁存/七段译码器及显示LED来完成对所测数据的显示。对正弦波的测量本人选用一个二极管来虑掉正弦波的反相电压部分，然后利用施密特触发器的阈值范围来测量。完成器件的选择后，将器件的功能记录下来，合理布置各个器件的位置进行绘图，分别完成逻辑图和接线图。3 设计方框图被测信号输入 电路施密特发器电路与门电路晶振电路分频器 电路JK触发器电路计数器 电路锁存/七段译码器 电路显示LED4 各部分电路及参数计算本人设计的数字频率计大体上可以分为4个部分，即：信号输入部分、门控高电平产生电路、频率计数电路及锁存/译码/显示电路。以下将逐一介绍：各部分电路名称各部分电路功能简介相应注意事项信号输入电路部分对输入信号进行简单处理,使其符合测量标准施密特电路的参数计数门控高电平产生电路产生时钟脉冲信号,产生用于测量的门控高电平分频器的使能端要连接正确频率计数电路对测量出的信号进行频率记录由门控电路产生的脉冲负责重新计数锁存/七段译码/显示电路显示记录的数据显示管上拉电阻不能省略4.1 信号输入电路 图4.1.1 信号输入部分电路图信号输入电路的主要功能是将输入被测信号通过一系列整形来使符合测量标准，本人使用施密特触发器及一个二极管来完成对被测信号的整形，施密特触发器是这部分电路的核心部件，故其性能非常重要。以下为施密特触发器的整形图例： 图4.1.2 施密特触发器的整形波形及逻辑符号4.1.1 相关参数计算 根据课程设计要求，被测信号的峰值应为3V到5V，故要求施密特触发电路的要低于3V的电压，本人所选用的电压为2.8V ，而电路的小于2.8V即可。相应的计算公式如下图：以上式子中的，因此，将其带入上式进行记算，因为，故使，由此可得到为2.8V，为2.2V。相应算出为， 为。经过处理后的信号送到与门处。4.2 门控高电平产生电路 该部分电路图如下 图4.2.1 门控高电平产生电路逻辑图该部分电路的功能是产生脉冲时钟，并通过相应的分频得到需要的频段，再经过JK触发器将脉冲信号延迟产生单位时间门控高电平，与被测信号进行逻辑与运算，得到单位时间内的被测信号频率数。等待与门处理。4.3 频率计数器电路 该部分电路图如下 图4.3.1 频率计数器电路 该部分的功能是记录之前电路中经过处理的被测信号与单位周期门控高电平相逻辑与运算的信号的周期数，并进行记录，其实用的计数器器件是与门控高电平电路中使用的分频器型号相同的双十进制计数器，目的也是为了简化器件数，从而达到简化电路的目的，记录完毕后就可以将信号输入到锁存/译码器当中进行显示了。 其中JK触发器是核心部件，必不可少。相应的参数将在下边的主要器件分析中进行解释。 图4.3.2 JK触发器4.4 锁存/七段译码/显示电路 本电路电路图如下: 图4.4.1 锁存/七段译码/显示电路逻辑图 本电路的目的是显示记录的数据，与频率计数器进行配合处理。最后显示的数据既是要测量的频率数。5 工作过程分析1首先输入端接受被测信号，经过一个二极管与CC40106集成施密特触发器来对被测信号的波形进行整形，然后送到74CT11008集成与门处。2由XC2164石英晶体振荡器产生1MHz的时钟脉冲信号，进入由四个CC4518双十进制计数器组成的分频器中进行分频，得到100Hz、10Hz、1Hz、0.1Hz的频率信号，100Hz信号也供给74H76JK触发器的正常工作，以上4个频段的信号在进行选择后，通过JK触发器来进行延迟处理，产生高电平门控信号。3门控信号送到74CT11008集成与门处与经过处理过后的被测信号进行与处理，这样通过已知高电平门控电路的宽度，即单位时间，于运算得到的在这个单位时间内的被测信号的周期波形。4接下来在接入到由CC4518双十进制计数器组成的4位计数器进行计数，通过计数器对这个单位时间内的被测信号周期个数进行记录，然后存入CC14544集成锁存/七段译码器进行锁存译码处理，然后将测得的数据由显示LED输出，完成测试。6 元器件清单器件名称器件型号器件类别使用数量（片）备注双十进制计数器CC4518CMOS6双十进制计数器锁存/七段译码器CC14544CMOS2自动锁存JK触发器74H76JKTTL1下降沿触发集成与门74CT11008TTL34与门集成石英晶体振荡器XC2164CMOS110MHz输出与非门MC74HC1G00TTL1集成施密特触发器CC40106CMOS17 主要器件介绍7.1 CC4518双十进制计数器本人设计的电路中，双十进制计数器是十分关键的一种器件，不但用来分频，也同时用来计数，根据所学习的来得知识我了解到，我们所应用到的十进制计数器都是在二进制计数器的基础上改进而来的，通过对二进制数特性的分析，我们了解到每个十进制数对应的二进制数都是一一对应的，所以选用了一组十进制数，利用以上特点，在末尾数到来的时候将计数器置到开始端就可以完成将二进制计数改为十进制计数的功能，计数器分为异步和同步，所谓异步就是等到特征信号到来的一刹那送出脉冲使计数器置数，故异步十进制计数器要将进位信号置在需要进位数字的下一个数字上；而同步计数器等待脉冲的来临进行置数，不需预制在下一位数字上。以下为CC4518双十进制计数器的功能表：输 入输出CPCREN01加数器00减数器0保持000101置0 表7.1 CC4518双十进制计数器功能表与其对应的管脚图及逻辑图如下： 图7.1.2 CC4518逻辑符号 图7.1.2 CC4518管脚图由功能表可见，相应的使能端控制着器件的正常工作，所以要想让该器件能够进行计数，EN端需要接高电平，CR端需要接地。7.2 CC14544锁存/七段译码器 该器件既可以锁存数据，又拥有显示用的七段译码器的功能，在设计的时候可以节省器件，故本人选用其作为设计的显示部分的核心。其功能表如下。输 入输出显示RBISTBIMA3A2A1A0RBOYaYbYcYdYeYfYg101111111 -1100000010000000-0100000001111110-100000100110000-1000010011011010100001101111001110001000011001121000101010110113100011001011111410001110111000051001000011111116100100101111011710010100000000081001011000000009100110000000000-100110100000000-100111000000000-100111100000000-000-*-*1-*-* * 对液晶显示读出，在M加方波;对共阴极发光二极管读出；M=0；对共阳极发光二极管读出，M=1。 * * 取决于STH时的A0A3* * * 各输入端同表中前述各行的组合；输出端与前述各行的组合相反；显示同前述各行。 RBO由RBI（A3A2A1A0）状态决定 表7.2 CC14544功能表由功能表已知，当BI=1，M0时不工作。当BI0，M0时正常工作。通过控制BI端来进行重新计数。其相应的管脚图和逻辑图如下： 图7.2 .1 CC14544逻辑图 图7.2.2 CC14544管脚图7.3 74H76JK触发器本人使用JK触发器的目的是利用其对时钟脉冲信号的延迟作用来完成控制门高电平的输出，该出发器带有预制和清零端，属于负跳沿触发器，相应的JK触发器有很多种，功能都一样，功能表如下：输 入输 出SDRDCPJKQQLHHLHLLHHHLLQnQn1HHHLHLHHLHLHHHHHQnQn 表7.3 74H76JK触发器的功能表利用其JK端”1 1”翻转的性质，来进行对信号的延迟，其管脚图及逻辑图如下： 图7.3.1 74H76JK触发器的逻辑图 图7.3.2 74H76JK触发器的管脚图7.4 74CT11008集成与门与门是非常常用的一种数字器件，其功能就是将两个信号进行逻辑“乘”运算，只有都为“1”时才能输出“1”。其管脚图如下： 图 7.4.1 74CT11008集成与门管脚图7.5 XC2164石英晶体振荡器本人设计的电路需要由石英晶体振荡器提供时钟脉冲来产生高电平控制门，从而完成对被测信号的测量，所以石英晶体振荡电路是十分重要的，由于其发出的时钟脉冲信号只由石英晶体来控制，故其精确度很高。但是由于其晶体的缘故，其产生的振荡信号只能在10MHz以上，故需要分频来得到所要使用的频段。其逻辑图及管脚图如下: 图7.5.1 XC2164石英晶体振荡器管脚图 图7.5.2 XC2164石英晶体振荡器逻辑图7.6 CC40106集成施密特触发器 施密特触发器有很多种，功能大致相同，本人在设计种用到了其对波形的整形功能，其管脚图及逻辑图如下: 图7.6.1 CC40106集成施密特触发器逻辑图 图7.6.2 CC40106集成施密特触发器管脚图小结 本学期的第19周是我们的电子课程设计周，课程设计的主要内容是通过运用我们本学期对数字电子的学习所掌握的知识来进行简单的数字设备的设计，并通过设计来检验我们的知识和能力。上个学期对模拟电子的学习的使我对电子学有了初步的认识，在当今社会，数字电子的应用十分广泛，所以掌握数字电子技术知识对我们新一代大学生十分重要，电子课程设计给了我们难得的实践和检验学习知识的机会。通过本次课程设计，使我对数字电子的认识有了进一步的提高，原先一些不甚了解的知识和朦胧不清的知识有了重新的认识和澄清，我所设计的数字频率计虽然比较简单，但是通过课程设计让我初步了解了电子设备设计的过程，并通过对课程设计要求的理解和认识，亲身体验设计过程，了解其中的细节，让我体会到了自身电子知识的不足，在本次设计过程中，我了解到了数字频率计的工作原理，在自己设计的过程中即温习了一部分学习过的电子器件，例如施密特触发器，74H76JK触发器，晶体振荡电路等，还了解到一些新的器件，如CC4518双十进制计数器，CC14544锁存/七段译码器，通过对以上器件的应用，使我掌握了基本的电路设计方式，根据任务书来制定电路个部分方案及对器件的选用，并选用合理的布局来连接各个器件，达到设计目的。在设计的过程中我反复推敲自己的设计方案，经过一系列的改进，尤其是对双十进制计数器的使用，对我自己而言是一次新的尝试，在对其细致的了解为前提，该器件的使用简化了电路，减少了器件的数量，使设计优化。本次课程设计让我学习到了很多新的电子知识，通过自己查阅资料及老师的指导，让我对电子知识有了进一步的认识，并丰富了我的相关知识，更增加了我对数字电子的兴趣，为我将来的学习明确了目标。在这里，我也要特别感谢我们的指导