数字频率计课程设计报告.doc

电子线路课程设计报告 系 别： 自动化系 专业班级： 电气工程及其自动化XXX 学生姓名： XXXX 学生学号： XXXXXXXX 指导教师： XXXXX （课程设计时间：2009年08月31日2009年09月09日）华中科技大学武昌分校目 录1课程设计目的32课程设计题目描述和要求 32.1数字频率计的描述32.2设计数字频率计的要求43数字频率计电路设计内容43.1数字频率计的基本原理43.2各单元电路设计53.3数字频率计总电路图104数字频率计电路组装与调试124.1数字频率计电路组装124.2数字频率计电路调试125实验数据和误差分析136总结147元器件列表15参考文献 151、课程设计目的1通过课程设计，巩固所学的理论知识；2综合运用电子技术课程中所学的理论知识，独立完成一个课题的设计；3通过查阅手册和参考文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力；4熟悉掌握电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则；5. 提高电路布局、布线及检查和排除故障的能力；6掌握数子电子仪器的使用方法；7. 学会电子电路的安装和调试技能；8. 学会撰写课程设计论文，提高撰写设计报告的能力；9. 培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度；10.经过查资料、选方案、设计电路、撰写设计报告、使学生得到一次较全面的工程实践训练，通过理论联系实际，提高和培养创新能力，为后续课程的学习，毕业设计，毕业后的工作打下基础。2、课程设计题目描述和要求2.1、数字频率计的描述 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，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。此次要求设计的数字频率计即采用直接测频法进行测频。数字式频率计是一种数字显示的测量频率的仪器。它不仅可以测试数字电路中的方波信号，还可以测量正弦信号和多种物理量的变化频率，诸如电机转速、发光体的闪光次数、机械振动次数等，这些物理量需经光电耦合传感器件或经相关的传感器先转变成周期变化的信号，然后用频率计测量单位时间内信号的变化次数，再用数码显示出来。因此，他是一种测量范围较广的通用型数字仪器。 此次设计数字式频率计就是为了了解数字式频率计的原理，从而学会制作数字式频率计且通过数字式频率计的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。且由于数字频率计包括组合逻辑电路和时序电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。2.2、设计数字频率计的要求 1设计任务：设计测量范围在09 999 HZ以及可以将频率范围扩大10倍、扩大100倍的数字频率计。 2设计基本要求： （1）熟悉集成电路的引脚安排；（2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法；（3）了解电路面板结构及其接线方法；（4）了解数字式频率计的组成及工作原理；（5）熟悉数字式频率计的设计与制作； 3设计内容：（1）设计频率计的整机电路；（2）画出频率计的设计框图和总电路图； （3）在实验箱上组装、调试单元电路和整机系统； （4）写出设计、实验总结报告。3、数字频率计电路设计内容3.1、数字频率计的基本原理 数字频率计的波形图和原理框图如下： 它由四个基本单元组成：可控制的计数锁存器、译码显示系统，多谐振荡器及多级分频系统，带衰减器的放大整形系统和闸门电路。 由多谐振荡器、多级分频系统以及门控电路得到具有固定宽度T的方波脉冲作门控信号，时间基准T称为闸门时间。宽度为T的方波脉冲控制闸门（与门）的一个输入端B。被测信号频率为fx ，它的周期为Tx，该信号经放大整形后变成序列窄脉冲送到闸门另一输入端A,当门控信号到来后，闸门开启，周期为Tx的信号脉冲和周期为T的门控信号相“与”通过闸门，在闸门输出端C产生的脉冲信号送到计数器，计数器开始计数，直到门控信号结束为止，闸门关闭。单稳态触发器1的暂态送入锁存器的使能端，锁存器将计数结果锁存，计数器停止计数并被单稳态触发器2的暂态清零。若取闸门时间T内通过闸门的信号脉冲个数为N，则锁存器中的锁存计数为 N=T/TX=Tfx fx=N/T3.2、各单元电路设计1振荡器电路设计 多谐振荡器是一种自激震荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生一定频率的矩形脉冲。主要为数字系统提供时钟源。用555定时器构成多谐振荡器，电路图如下：调节可变电阻，使得输出方波频率为1KHZ。2.分频器电路的原理与设计 由于多谐振荡器产生的频率很高，要得到秒脉冲，需要分频电路。由1KHZ需经3次10分频而获得1HZ的方波信号作为秒脉冲信号。 用异步集成计数器74LS90完成10分频，构成分频器。 74LS90功能表 时钟 CPA CPB 清零输入 R0(1) R0(2) 置9输入 R9(1) R9(2)输出QD QC QB QA * * * * * * * * 1 1 1 1 0 * * 0 0 * * 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 CP 0 0 CP CP Q 有0 有0二进制，QA输出五进制，QDQCQB输出十进制，QDQCQBQA输出由3个10分频计数器构成分频器，得到1HZ信号。电路图如下：由原理知，想在计数N需要有1s的上升沿时间，故还需要进行二分频，得到0.5HZ由74LS76构成二分频电路，电路图如下：3.计数锁存、译码显示电路的原理与设计 本系统由计数器、锁存器、译码器、显示器、单稳态触发器组成。其中计数器为十进制计数。十进制计数器可以由74LS90或二进制计数器74LS161构成。由于元件数量限制，本设计中采用2个74LS90和2个74LS161元件共同完成计数工作。如果在系统中不接锁存器，则显示器上的显示数字就会随计数器状态的变化而不停变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定。74LS90置十进制状态，74LS161由异步清零方式构成十进制。锁存器由8D触发器74LS273构成。计数锁存电路的电路图如下： 由4-7译码器CC4511和共阴极七段显示器构成译码显示电路，电路图如下： 4.锁存控制电路的原理与设计 锁存器的工作室受单稳态触发器控制的。门控波形的下降沿使单稳态触发器1进入暂态，单稳态触发器1的上升沿作为锁存器的时钟脉冲。锁存器在时钟脉冲的作用下，将门控信号周期T内的计数结果存储起来，并隔离计数器对译码显示的作用，同时把所储存的状态送入译码器进行译码，在显示器上得到稳定的计数显示。本设计中采用单稳态触发器74121构成锁存控制电路。 锁存控制电路的电路图如下，由1Q输出锁存信号： 在单稳态触发器1暂态脉冲的下降沿，单稳态触发器2进入暂态，利用单稳态触发器2的暂态对计数器清零，清零后的计数器又等待下一个门控信号的到来重新计数。清零信号输出如上图2Q端。 5.门控、闸门电路的原理与设计 闸门电路由与非门组成，该电路由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1时，闸门开启，而门控信号为低电平0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。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。 6.波形放大整形电路的原理和设计 放大整形系统包括放大器、施密特触发器，它将正弦波输入信号整形成同频率方波信号。由运算放大器构成的射级跟随器起阻抗变换作用，使输入阻抗提高。同相输入的运算放大器的放大倍数为(Rf+R1)/R1,改变R1的大小可以改变放大倍数。整形后的方波送到闸门以便计数。 本设计中采用LM324构成放大器，电路图如下：555定时器构成施密特触发器，电路图如下：3.3、数字频率计总电路图4、数字频率计电路组装与调试4.1、数字频率计电路组装1.按照电路图连接线路，仔细谨慎连接，尽力避免漏接或接错；2.防止电路接触不良：（1）集成块引脚方向预先弯好对准面包板的金属孔，再小心插入；（2）导线的剥线长度与面包板的厚度相适应（比板的厚度稍短）；（3）导线的裸线部分不要露在板的上面，以防短路；（4）导线要插入金属孔中央。 3.合理布局、走线，不要杂乱无章； 4.禁止在元器件上“飞线”。4.2、数字频率计电路调试1.电路调试注意事项：（1）根据各模块功能分别进行调试，一一排除可能发生的故障； （2）防止接触不良；（3）调试中必须确保可靠的电源和接地； （4）注意芯片的控制引脚必须正确接好；（5）注意自身安全。 2.实验故障检测方法： （1）检查全电路，保证集成芯片正方向插对，电源线与地线无漏接等；（2）使用万用表的“欧姆10”档，测量实验电路电源端与地线之间的电阻值，排除电源与地线的开路与短路现象；（3）用万用表测量直流稳压源输出电压是否为所需值（+5V），然后接通电源，观察电路及各器件有无异常发热等现象；（4）检查各集成电路是否均已加上电源，排除因底板、集成块引脚等原因造成的故障；（5）检查是否有不允许悬空的输入端未接入电路；（6）进行静态检查，单独检测各器件，排除器件功能不正常引起的故障；（7）采用逐级跟踪的方法进行检查，用动态检查观察各级工作波形，逐级排查至找到故障原因；（8）对于含有反馈线的闭合电路，可设法断开反馈线进行检查。5、实验数据和误差分析实验数据表测量范围输入值（Hz）测量值（Hz）误差（%）10-100Hz100-1000Hz1000-9999Hz25507510025030050085010002500400055006000750080009900255076101255306509861101925234029553460397542804999560.0000.0000.0130.0100.0200.0200.0180.0130.0190.0090.0070.0060.0060.0060.0060.006由上表可见，测量值只是在最低两位发生误差。比如，输入2500Hz，得到2523Hz，在最低两位发生了浮动。可见当测量值在10HZ-100HZ和100HZ-1000HZ范围内产生的误差比较大，有的达到了0.02%，而在1000HZ-9999HZ范围内误差较小，不到0.01%。由上述知：在高位数值较低时，低位浮动产生的误差较大。误差产生的原因可能为设计采用了较多数字逻辑器件，连线复杂,而且会产生较大延时，造成测量误差较大。6、总结课程设计体会与收获：时间飞逝，两个星期的课程设计转眼间就已接近尾声。回首当初，那种茫然失措的心情还是如此的清晰，依稀就在昨日。可是如今，我已经能够自信的捧着自己的课程设计作品，接受老师的评测。记得开学的第一天，再次来到电工电子基地的实验室，我的内心就充满了忐忑。上学期的电子电路测试课程让我深深体会到，这里不仅是我们接受从理论到实践教育的地方，也是个充满挫折与挑战的地方。没有足够的耐心与毅力，没有必胜的决心与信念，那么就不可能获得成功。在接受了课程设计的任务之后，我的心里顿时一片茫然。此时此刻，我的脑中只有许多问号在闪烁着：我该怎么做？我能够做的到吗？当然，于此同时，我也清楚的知道，这样的慌乱是毫无意义的，唯有一步一个脚印的走下去，才能离成功越来越近。迅速调整心态以后，我和同组的同学决定先到图书馆从理论知识入手，踏出课程设计的第一步。在之后的十余天中，我们每天都泡在实验室里，亲手将设计图纸上的每一个元件、每一根线条都拼摆在电路板上。调试中的挫折无数次让我们灰心丧气，但我们又无数次的振作精神，发掘并改正那些哪怕是最细小的问题。当胜利的曙光终于照耀到我们的时候，我真的非常幸福的笑了，不过我知道自己不能满足于此，因为我将会在今后遇到更多的挑战。我们在失败中获取真知；在挫败中吸收经验；在成功后变得更加自信。这将是我人生中又一宝贵的财富。其实生活岂不亦是如此，我们在失败中越错越勇，在历练中更加睿智更加成熟。亲历了这次数字频率计的课程设计与制作后，我受益匪浅。我对数字电子技术基础有了更进一步的了解与掌握。我熟悉了一些基本的电路设计程序，也初步了解了关于数字频率计的一般原理与设计理念，加深了对各种芯片逻辑功能的了解，学会了用简单的芯片连接设计比较复杂的数字电路，更重要的是将理论提高到了实践和动手能力。由于数字频率计包括组合逻辑电路和时序电路，通过它也让我进一步学习与掌握了各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。同时，在这次课程设计中，我还学到了许多在课本上学不到的东西。从电路的组装到调试，每一个环节都需认真谨慎。连接电路不仅要与原理图相对应，且要重视电路的整体布局。不能接错一个脚、一根线，特别是在对个位与十位、十位与百位、百位与千位的级联电路中不能出一点错，因为一旦接错，不仅进位无法正常实现，而且电路很难检查。在布局中。思路的明确性和可靠性尤为重要，要有层次感又要有整体美观感。这些天在实验室不断