长安大学 简易数字频率计设计.doc

电工与电子技术基础电工与电子技术基础 课程设计报告课程设计报告 题 目 简易数字频率计 学院 部 汽车学院 专 业 车辆工程 班 级 学生姓名 学 号 6 月 23 日至 6 月 28 日 共 1 周 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 1 目录目录 前言 2 第一章 技术指标 3 1 1 主要技术指标和要求 3 1 2 系统结构要求 3 1 3 所用元件 4 第二章 整体方案设计思路 5 2 1 设计思路 5 2 2 方案讨论 5 第三章 各部分电路的设计 7 3 1 放大整形电路 7 3 2 闸门电路 9 3 3 计数电路 10 3 4 时基电路与分频电路 10 3 5 控制电路 11 3 6 显示电路 13 3 7 报警电路 14 第四章 电路汇总 15 4 1 整体电路图 15 第五章 课程设计总结与体会 16 附录 17 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 2 前言前言 摘要 本学期我们学习了 电工学电子技术 这本书的内容 经过课 堂和实验两部分的学习 对基本的模电和数电电路知识有了基本的 了解掌握 正是运用所学知识加上小组合作研究 我们在基于课本 内容 考虑实际能力水平 查找资料借鉴其他设计者的成功之处 设计了 简易数字频率计 本设计主要综合运用运用了信号的放大整形 门电路和时序逻 辑电路等多方面的知识 是对所学知识的一种实践也是一种考验 关键字 数字频率计 计数器 信号处理与控制 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 3 第一章第一章 技术指标技术指标 1 1 主要技术指标和要求 主要技术指标和要求 1 被测信号的频率范围 100Hz 10kHz 2 输入信号为正弦信号或方波信号 3 用四位数码管显示所测频率值 并用红 绿色发光二极管 表示单位 4 具有超量程报警功能 1 2 系统结构要求 系统结构要求 数字频率计的整体结构要求如图所示 图中被测信号为外部信 号 送入测量电路进行处理 测量 档位转换用于选择测试的项目 频率 周期或脉宽 若测量频率则进一步选择档位 被测信号被测信号测量电路测量电路 显示电路显示电路 单位转换单位转换 图图 1 1 数字频率计整体方数字频率计整体方 案结构方框图案结构方框图 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 4 1 3 所用元件 所用元件 序号元器件名称型号参数数量 译码器 74LS247N4 锁存器 74LS175N4 十进制计数器74LS160N4 或非门 74LS02N1 与非门 74LS03N1 非门 1 74L 系列 与门 74LS08N2 LED 红色 LED3 LED 绿色 LED1 二极管 共阳七段数码显示管 4 510 2 10 K 1 4 3K 1 4 7K 2 3 3K 2 470 1 电阻 100 1 10 F3 10nF6 470 F1 1mF1 5 K 2 电容 2 K 1 定时器 5554 开关双刀四掷开关 1 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 5 第二章第二章 整体方案设计思路整体方案设计思路 2 1 设计思路 设计思路 利用 电工学电子技术 所学模电和数电两部分所学知识设计 思路如图 2 2 方案讨论 方案讨论 1 测频法 M 法 对频率为 f 的周期信号 测频法的实现方法 是用以标准闸门 信号对被测信号的重复周期进行计数 当计数结果为 N 时 起频率 为 f1 N1 TG TG 为标准闸门宽度 N1 是计数器计出的脉冲个数 设在 TG 期间 计数器的精准计数值为 N 根据计数器的技术特 性可知 N1 的绝对误差是 N1 N 1 N1 的相对误差为分频电路是对由时基电路产 生的信号频率进行调节 我们的设计时基电路部分采用由 555 定时 器构成的多谐振荡器组成 通过设置时间参数使其构成所需时间的 高电平 由于要求测量频率为 100Hz 10KHz 故此处设计分两档 时 基电路产生 0 1s 高电平 此档直接用于测量千赫兹的频率 此时显 示单位为千赫兹 绿灯亮 通过分频器放大后产生 1s 的高电平 此档用于测量普通频率 如此实现单位的变换 此处电路参数 R1 10K R2 4 3 C 10uF 通过计算可得 tp1 0 1s tp2 0 03s 分频电路由 74LS160 构成 对时基电路产生的信号进行调节 使其频率缩小十倍 周期增大十倍 此时 tp1 1s 此时显示单位为 Hz 红灯亮 时基电路及分频电路电路图如下图 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 12 A1 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 8 1 3 4 7 6 2 5 5V GND R1 10k R2 4 3k C1 10uF C2 10nF U1 74LS160D QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 CLK 2 CLR 1 LOAD 9 5 6 tp1 0 1s tp1 1s 图图 3 53 5 时基电路及分频电路时基电路及分频电路 电路图电路图 VCC 3 5 控制电路 控制电路 控制电路主要用来控制电路的锁存与清零 在时基信号低电平 到来之时 通过控制电路产生锁存信号 锁存信号将数据锁存通过 显示电路信使出来 而清零信号则是用锁存信号的负脉冲产生 用 于一次计数后将计数器清零 其理论波形应如下图 图图 3 63 6 控制电路波形示意图控制电路波形示意图 清零信号清零信号 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 13 我们采用 4 个 74LS175N 分别控制 74LS160 输入的四个二进制数 锁存器在 cp 的下降沿将输入的信号上传 在其他 cp 信号状态下 锁存器不接受从下面来的信号输入 从而保证显示屏的输出能稳定 一段时间 便于读数 四个锁存器的 CP 脉冲由控制电路同时控制 555 构成的两个单稳态触发器可用于定时控制 输出矩形脉冲 其宽度 暂稳状态持续时间 通过设置电路参数 令 R 909 C 10uF 使得锁存信号与清零 信号宽度均为 t 0 01s 控制电路设计图如下 tln31 1 p RCRC 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 14 A1 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI VCC 5V 3 8 4 7 6 2 5 1 R1 909 GND C2 10uF C3 10nF 12 A2 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI VCC 5V 3 8 4 7 6 2 5 1 R2 909 GND C1 10uF C4 10nF 4 3 5 7 锁存信号锁存信号清零信号清零信号 U23 NOT 6 8 图图 3 73 7 控制电路控制电路 图图 3 6 显示电路 显示电路 我们采用四个 74LS247 型译码器和共阳极数码管作为我们显示 部分的元件 前已述 根据被测信号的频率范围 100Hz 10kHz 我们将测量 的频率分为两档 推荐测量频率分别为 100Hz 999Hz 和 1kHz 10kHz 分别用红色发光二极管表示单位 Hz 绿色表示单位 kHz 显示 kHz 单位时 第三个显示数码管的小数点亮 因为能力和 时间有限 我们没能完成自动超量程换挡 所以我们借助超量程报 警装置提醒手动换挡 我们通过一个双刀四掷开关 同时控制档位 和小数点信号 一档时 我们默认采用 Hz 单位 给小数点的是低电 位信号时 小数点灭 信号经过与非门传给 LED3 红灯亮 二档时 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 15 我们默认采用 kHz 单位 此时通过或非门给小数点一个高电位信号 小数点亮 同时 给小数点的信号传达给 LED4 灯 绿灯亮 3 7 报警电路报警电路 第四个 74ls160 的进位位接一个 LED1 灯作为一档的超量程报警 器 LED2 由给小数点的信号与第三个 74ls160 的进位位同时控制 作为二档的超量程报警器 J1 Key Space J2 Key Space LED2 U20A 74LS08N U21A 74LS02N 1 LED4 LED3 U19A 74LS03N 05 3 2 1 0 4 图图 3 93 9 报警电路 档位部分报警电路 档位部分 第三个第三个 160 的进位位信号的进位位信号 控制小数点控制小数点 图图 3 83 8 译码原理译码原理 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 16 第四章第四章 电路汇总电路汇总 4 1 整体电路图 整体电路图 图图 4 14 1 整体电路图整体电路图 VCC 5V VCC 5V GNDGND A1 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 3 8 4 7 6 2 5 1 R1 909 C2 10uF C3 10nF A2 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 3 8 4 7 6 2 5 1 R2 909 C1 10uF C4 10nF 37 GND 36 VCC 35 GND 34 VCC A4 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI Q1 2N6672 Q2 2N6672 VCC 5V C7 10nF C8 470uF R5 470 R6 3 3k R7 510 R8 100 R9 4 7k R10 4 7k R11 200 C9 1mF C10 10nF C11 10nF D1 1N4148 D2 1N4148 R12 3 3k 18 17 0 0 16 15 VCC 14 13 12 11 10 A3 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 8 1 3 4 7 6 2 5 VCC 5V GND R3 10k R4 4 3k C5 10uF C6 10nF U1 74LS160D QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 CLK 2 CLR 1 LOAD 9 J1 Key Space 22 VCC GND 19 21 20 U2 74LS160N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 CLK 2 CLR 1 LOAD 9 U3 74LS160N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 CLK 2 CLR 1 LOAD 9 U4 74LS160N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 CLK 2 CLR 1 LOAD 9 U5 74LS160N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 CLK 2 CLR 1 LOAD 9 U6 74LS175N 1D 4 CLK 9 1Q 2 2D 5 3D 12 4D 13 1Q 3 2Q 6 3Q 10 3Q 11 2Q 7 4Q 15 4Q 14 CLR 1 U7 74LS175N 1D 4 CLK 9 1Q 2 2D 5 3D 12 4D 13 1Q 3 2Q 6 3Q 10 3Q 11 2Q 7 4Q 15 4Q 14 CLR 1 U8 74LS175N 1D 4 CLK 9 1Q 2 2D 5 3D 12 4D 13 1Q 3 2Q 6 3Q 10 3Q 11 2Q 7 4Q 15 4Q 14 CLR 1 U9 74LS175N 1D 4 CLK 9 1Q 2 2D 5 3D 12 4D 13 1Q 3 2Q 6 3Q 10 3Q 11 2Q 7 4Q 15 4Q 14 CLR 1 U13 74LS247N A 7 B 1 C 2 D 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI RBO 4 U14 A B C D E F G CK H U15 A B C D E F G CK H U16 A B C D E F G CK H U17 A B C D E F G CK H U10 74LS247N A 7 B 1 C 2 D 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI RBO 4 U11 74LS247N A 7 B 1 C 2 D 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI RBO 4 U12 74LS247N A 7 B 1 C 2 D 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI RBO 4 VCC 5V LED1 R13 510 VCC 64 101 100 0 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 74 73 72 7170 69 6867 6665 63626160595857 565554535251504948474645444330292827262524 U18A 74LS08N 2 3 J2 Key Space LED2 99 U23 NOT 8 U20A 74LS08N 31 1 98 U21A 74LS02N 1 0 LED4 7 4 LED3 U19A 74LS03N 5 6 0 图图 4 14 1 整体电路图整体电路图 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 17 第五章第五章 课程设计总结与体会课程设计总结与体会 本次实习让我们体味到掌握电工学课本知识和能利用所学知识 解决实际问题这一要求还是有一定差距的 通过这次设计经历 我 发现经过一年的学习 我们对电工学的实际把我还很不到位 在设 计中我们有很多问题要一遍一遍去翻书去查看 同时很多原理的还 没有完全掌握 虽然在电工实验中已经有了一些理解和体会 但当 自己需要设计电路 选择方案时 我们的压力和遇到的困难非常大 一方面是知识掌握不牢 不能做到驾轻就熟 另一方面 面对所要 解决的电路问题 遇到了一些以前没有见到过的元件 需要不断查 找资料时繁琐的过程是我们几近崩溃 但设计是我们将来必需的技 能 不通过实践永远不知道自己对知识的时机掌握情况 这次实习 恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会 从到图书馆查找 资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型 都对我所 学的知识进行了检验 在实践中 我们理论联系实际 提高和培养了创新能力 最重要 的是 通过这次课程设计 使我们对课本有了更深的学习 让我们 对基础知识有了更深刻的领悟和掌握 这样 我们不仅可以在期末 考试中游刃有余 还会对我们毕业后的工作有很大的帮助 总之 这次课程设计是很有必要的 日子虽然艰辛 但让我们 收获很多 当然感悟也很多 最后感谢老师和同学们的帮助 让我 们顺利完成这次课程设计 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 18 附录附录 1 1 所用元件功能表 所用元件功能表 74LS02 TTL 2 输入端四或非门 74LS03 TTL 集电极开路 2 输入端四与非门 74LS08 TTL 2 输入端四与门 74LS160 TTL 可预置 BCD 异步清除计数器 74LS175 TTL 带公共时钟和复位四 D 触发器 74LS247 TTL BCD 7 段 15V 输出译码 驱动器 NE555 计数器 2 主要元件功能表 主要元件功能表 1 74LS160 计数器功能表 长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27 日 19 由表可知 该计数器的主要功能有 1 异步清零 当 CLR 0 时 其他输入端任意取值 计数器将被直 接置零 2 同步预置数 当 CLR 1 LOAD 0 且有 CLK 脉冲下降沿作用时 完成将输入端 DCBA 的数值置入计数器操作 使 QDQCQBQA DCBA 3 保持 当 CLR LOAD 0 时 若 ENP ENT 0 则计数器保持输出 原状态不变 不管有无 CLK 脉冲作用 不过 ENT 0 时 进位输出 RCO 0 4 计数 当 CLR LOAD 0 若 ENP ENT 1 时 处于计数状态 对 CLK 脉冲下