数字频率计设计

课课 程程 设设 计计 20102010 年年 7 7 月月 6 6 日日 学学 号 号 0120809320411 题题 目目数字频率计设计数字频率计设计 学学 院院 专专 业业 班班 级级 姓姓 名名 指导教师指导教师 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 1 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 指导教师指导教师 工作单位 工作单位 题题 目目 数字频率计设计数字频率计设计 初始条件 初始条件 555555 74LS12374LS123 74LS9074LS90 74LS27374LS273 等元器件等元器件 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰写等具 体要求 用中小规模集成电路设计一台简易的数字频率计 频率显示为四位 显示 量程为四挡 用数码管显示 1HZ 9 999KHZ 闸门时间为 1S 10HZ 99 99KHZ 闸门时间为 0 1S 100HZ 999 9KHZ 闸门时间为 10MS 1KHZ 9999KHZ 闸门时间为 1MS 时间安排 时间安排 7 17 1 理论设计理论设计 7 27 2 7 47 4 安装调试或仿真 安装调试或仿真 7 57 5 撰写报告撰写报告 7 67 6 答辩答辩 指导教师签名 指导教师签名 20102010 年年 7 7 月月 6 6 日日 系主任签名 系主任签名 20102010 年年 7 7 月月 6 6 日日 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 2 目录目录 摘要摘要 3 数字频率计的设计数字频率计的设计 5 1 数字频率计计测频的基本原理数字频率计计测频的基本原理 5 2 数字频率计的主要计数指标数字频率计的主要计数指标 6 2 1 频率准确度频率准确度 6 2 2 频率测量范围频率测量范围 6 2 3 数字显示位数数字显示位数 7 2 4 测量时间测量时间 7 3 设计思路及方案对比设计思路及方案对比 7 3 1 由由 ICM7216D 构成的数字频率计构成的数字频率计 7 3 2 运用单片机设计数字频率计运用单片机设计数字频率计 8 3 3 我的电路分析我的电路分析 9 4 数字频率计的设计数字频率计的设计 9 4 1 放大整形电路放大整形电路 9 4 2 时基电路时基电路 10 4 3 逻辑控制电路逻辑控制电路 11 4 4 锁存器锁存器 12 4 5 计数 锁存 译码显示电路的设计计数 锁存 译码显示电路的设计 13 5 实验的原理图实验的原理图 14 6 实验原理说明实验原理说明 14 7 各部分电路仿真各部分电路仿真 15 7 1 放大整形电路放大整形电路 15 7 2 时基电路时基电路 15 7 3 逻辑控制电路逻辑控制电路 16 7 4 锁存电路锁存电路 16 7 5 整体电路图整体电路图 17 8 实验内容实验内容 18 8 1 电路制作与调试电路制作与调试 18 9 元件清单元件清单 19 10 小结体会小结体会 20 11 参考文献参考文献 21 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 3 摘要摘要 频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟 对比测 量其他信号的频率 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 本文数字频率计是用数 字显示被测信号频率的仪器 被测信号可以是正弦波 方波或其它周期性变化 的信号 如配以适当的传感器 可以对多种物理量进行测试 比如机械振动的 频率 转速 声音的频率以及产品的计件等等 因此 数字频率计是一种应用 很广泛的仪器 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 4 Abstract The basic principle is the frequency with a frequency stability of high frequency source as a benchmark compared to other signal measurement clock frequency Usually calculated per pulse signal to the gate we say the number 1 SEC Time Gate time can also is greater or less than a second The longer gate the more accurate were frequency value but the gate is no longer a frequency measurement of interval is longer Gate time is shorter measurement of frequency value refresh the sooner but the measurement accuracy frequency Article Digital frequency is measured by using digital display signal frequency instrument the signal can be sine wave square or other periodic change of signal If using appropriate sensor to test such as the variation of mechanical vibration frequency speed and the voice of the frequency of product piece etc Therefore digital frequency is a kind of very wide application of instrument 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 5 数字频率计的设计数字频率计的设计 1 1 数字频率计计测频的基本原理数字频率计计测频的基本原理 数字频率计是直接用十进制数字来显示被测量信号频率的一种测量装置 它不仅可以测量正弦波 方波 三角波和尖端冲信号的频率 而且还可以测量 它们的周期 所谓频率 就是周期性信号在单位时间 1s 内变化的次数 若在一定时 间间隔 T 内测得这个周期性信号的重复变化次数为 N 则其频率可表示为 f N T 原理框图中 被测信号 Vx 经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲 信号 其频率与被测信号的频率 fx 相同 时基电路提供标准时间基准信号 其高电平持续时间 t1 1s 当 1s 信号来到时 闸门开通 被测脉冲信号通 过闸门 计数器开始计数 直到 1s 信号结束时闸门关闭 停止计数 若在闸门 时间 1S 内计数器计得的脉冲个数为 N 则被测信号频率 fx NHz 逻辑控制电路 的作用有两个 一是产生锁存脉冲 使显示器上的数字稳定 二是产生 0 脉冲 使计数器每次测量从零开始计数 逻 辑 控 制 电 路 译码显示器 锁存器 计数器 闸门电路 时基电路放大整形电路 vx A T R L N a 结构框图 TX t1 t2 N R L N T vx 清零 锁存 计数 b 时序图 图 1 数字频率计结构框图和时序图 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 6 2 2 数字频率计的主要计数指标数字频率计的主要计数指标 2 12 1 频率准确度频率准确度 一般用相对误差来表示 即 f f Tf 1 f f c c xx x 式中 为量化误差 即 1 个字误差 显然 当闸门时间 T 选定后 N 1 N N Tf 1 x fx越高 量化误差就越小 为闸门时间相对误差 主要由时基电路标准频率的 T T f f c c 准确度决定 xc c Tf 1 f f 2 22 2 频率测量范围频率测量范围 在输入电压符合规定要求值时 能够正常进行测量的频率区间叫频率测量 范围 频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应所决定 2 32 3 数字显示位数数字显示位数 频率计的数字显示位数决定频率计的分辨率 位数越多 分辨率越高 2 42 4 测量时间测量时间 频率计完成一次测量所需要的测量时间 包括准备 计数 锁存和复位时 间 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 7 3 3 设计思路及方案对比设计思路及方案对比 3 3 1 1 由由 ICM7216DICM7216D 构成的数字频率计构成的数字频率计 图 2 由 ICM7216D 构成的数字频率计电路图 由 ICM7216D 构成的 10MHZ 频率计电路采用 5V 单电源供电 高精度晶体振 荡器和构成 10MHz 并联振荡电路 产生时间基准频率信号 经内部 321 RCC 分频后产生闸门信号 输出分别连接到相应数码显示管上 ICM7216D 要求输入 信号的高电平大于 3 5V 低电平小于 1 9V 脉宽大于 50ns 所以实际应用中 需要根据具体情况增加一些辅助电路 优点 这个电路由于芯片集成度相对较高 所以电路设计较为简单 操作 比较简单 而且精确度高 缺点 对于芯片不太熟悉 而且由于集成度太高 缺少电路设计 仿真软 件中并没有这个芯片 由于输出级需要相应的辅助电路 为电路设计带来很大 麻烦 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 8 3 3 2 2 运用单片机设计数字频率计运用单片机设计数字频率计 图 3 单片机数字频率计实现框图 图 4 单片机引图 频率计的计数和显示部分可以由单片机及其最小系统完成 将适用于计数 以及显示的程序烧入单片机内 再根据时基电路 放大整形电路 倍频锁相电 路一起构成频率计 由于学过单片机相关教程 掌握一定的编程能力 所以用 单片机实现数字频率计还是可行的 优点 由于用到单片机 控制电路计数等功能通过编写程序实现 减少了 相关硬件的使用 降低了成本 而且利用 C 语言程序有很强的可修改性 缺点 利用单片机需要最小系统 还需要了解最小系统 而且对于编程能 力要求很高 对于初学者来说要求还是过高了 3 3 3 3 我的电路分析我的电路分析 数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器 被测信号可以是正弦波 方波或其它周期性变化的信号 它一般由放大整形电路 时基电路 逻辑控制 电路 闸门电路 计数器 锁存器 译码器 显示器等几部分组成 其基本原 理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟 对比测量其他信号的频率 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 待测信号经过放大整形电路之后 输出一个与 待测信号同频率的矩形脉冲信号 该信号在检测闸门经过选通信号的合成 产 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 9 生计数信号 控制脉冲经过控制器中的门电路分别产生锁存信号和计数器清零 信号 计数信号并与锁存信号和清零复位信号共同控制计数 锁存和清零三个 状态 然后通过数码显示器件进行显示 图 5 数字频率计整体框图及各信号波形关系图 4 4 数字频率计的设计数字频率计的设计 4 14 1 放大整形电路放大整形电路 放大整形电路由晶体管 3DGl00 与 74LS00 等组成 其中 3DGl00 组成放大 器将输入频率为周期信号如正弦波 三角波等进行放大 与非门 74LS00 构成 施密特触发器 它对放大器的输出信号进行整形 使之成为矩形脉冲 其电路如图 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 10 图 6 放大整形电路 其中由 C1 端输入未知频率的波 74LS00 组成的施密特触发器将从 3DG00 放大的信号进行整形变换 得到需要的方波 4 24 2 时基电路时基电路 时基电路的作用是产生一个标准时间信号 高电平持续时间是 1s 由定 时器 555 构成的多谐震荡器产生 当标准时间的精度要求较高时 应通过晶体 震荡器分频获得 若震荡器的频率 其中Hzttf8 0 1 210 由公式和 可计算出电阻 stst25 0 1 21 CRRt 7 0 211 CRt 22 7 0 R1 R2 及电容 C 的值 若取电容 C 10uF 则 k 取标称值 36 k 7 357 0 22 CtR k 取 47 k RP 100 k 107 7 0 211 RCtR 1 R 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 11 图 7 时基电路电路图 4 34 3 逻辑控制电路逻辑控制电路 根据图原理框图 b 所示波形 在时基信号 II 结束时产生的负跳变用来产生 锁存信号 锁存信号 的负跳变又用来产生清 0 信号 V 脉冲信号 和 V 可 由两个单稳态触发器 74LSl23 产生 它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定 设锁存信号 和清 0 信号 V 的脉冲宽度相同 如果要求 tw 0 02s 则有 tw 0 45RextCext 0 02s 若取 Rext 10k 则 Cext tw 0 45Rext 4 4uf 取 标称值 4 7uf 由 74LSl23 的功能表可得 当 触发脉冲从 1A 端输入时 在触发 脉冲的负跳变作用下 输出端 1Q 可获得一正脉冲端 一非 Q 端可获得一负脉冲 其波形关系正好满足原理框图 b 所示波形 和 V 的要求 手动复位开关 S 按下 时 计数器清 0 其组成图如图所示 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 12 图 8 逻辑控制电路 其中 U1A 中的 A 端接时基电路的输入端和由 74LS00 构成的闸门的一个输入 电源电压均选择为 5V 以得到高电平 Q 端接到由 74 LS273 的 CP 端 U2A 的 Q 端接到作为开关的 7400 的一端输入 附 74LS123 的功能表 4 44 4 锁存器锁存器 锁存器的作用是将计数器在 1S 结束时所计得的数进行锁存 使显示器上能稳 定地显示此时计数器的值 如图 6 b 所示 1S 计数时间结束时 逻辑控制电 路发出锁存信号 L 将此时计数器的值送译码显示器 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 13 根据题目要求 4 位数字显示 即计数需用 4 位十进制计数器 共有 16 个计数输 出端 故锁存器可用两片 8D 锁存器 74LS273 来完成上述锁存功能 当闸门时间 到时 逻辑控制电路一方面关闭计数闸门停止计数 另一方面产生锁存信号 L 将计数值锁存并送译码显示 可见在电路设计时 只需将 74LS273 的数据输 入端接个计数器的相应输出端 将 74LS273 的输出端接译码器的相应输入端 同时将锁存信号 L 接 74LS273 的时钟输入端即可 4 54 5 计数 锁存 译码显示电路的设计计数 锁存 译码显示电路的设计 这部分电路是频率计内作重要的电路部分 由计数器 锁存器 译码器 显示器和单稳态触发器组成 其中计数器按十进制计数 由 4 个异步十进制计数器 74ls90 构成 一次从 个位开始计数 向上位发出进位信号进而使高位开始计数 计数输出如果电路 中不接锁存器 则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化 要使 计数器停止计数时 显示器上的数字显示能稳定 就必须在计数器后接入锁存 器 锁存器的工作是受单稳态触发器控制的 门控信号的下降沿使单稳态触发 器 1 进入暂稳态 单稳 1 的上升沿作为锁存器的时钟脉冲 为了使计数器稳定 准确的计数 在门控信号结束后 锁存器将计数结果锁存 单稳 1 的暂态脉冲 的下降沿使单稳 2 进入暂态 利用 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到来重新计数 锁存器的作用是将计数器在 1s 结束时所得的数进行锁存 使显示器稳定地 显示此时计数器的值 1s 计数时间结束时 逻辑控制电路发出锁存信号 将此 时计数器的值送至数码显示器 选用锁存器 74LS273 可以完成上述功能 当时 钟脉冲 CP 的正跳变来到时 锁存器的输出等于输入 即 Q D 从而将计数器的 输出值送到锁存器的输出端 正脉冲结束后 无论 D 为何值 输出端 Q 的状态 仍保 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 14 图 9 计数 锁存 译码电路 持原来的状态不变 所以在计数期间内 计数器的输出不会送到译码显示 器 锁存器在一个有效脉冲到来后将计数器输出信号锁存 并输出到数码管译 码器 四片译码器用 74ls48 实现 5 5 实验的原理图实验的原理图 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 15 图 10 实验电路图 6 6 实验原理说明实验原理说明 当时基电路有低电平转化为高电平 此时 闸门开通 信号通过输出到计 数器端开始计数 当时基电路由高电平转换为低电平后 锁存器上会有一个向上的脉冲 从 而时显示器的读书稳定 当锁存脉冲由高到低变化后由 2Q 非端直接输入到计数 器端清零 当频率高于 10KHZ 时候 计数器的最高位会产生进位脉冲 使得多路数据 选择器 74LS90 加 1 那么数据选择器将选择上一次频率 0 1 倍的分频信号 通 过 138 译码器使得显示器的小数点向右移动一位 使得频率测量范围扩大 10 倍 当频率高于 100KHZ 时候 同理数据选择器会选择 0 01 倍的分频信号 通过 138 译码器使得小数点右移动两位 频率测量范围扩大 100 倍 7 7 各部分电路仿真各部分电路仿真 7 17 1 放大整形电路放大整形电路 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 16 7 27 2 时基电路时基电路 7 3 逻辑控制电路逻辑控制电路 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 17 7 47 4 锁存电路锁存电路 7 57 5 整体电路图整体电路图 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 18 8 8 实验内容实验内容 8 18 1 电路制作与调试电路制作与调试 对制作好的 PCB 板 或准备好的面包板 按照装配图或原理图进行器件装 配 装配好之后进行电路的调试 调试规则为 8 1 18 1 1 通电准备通电准备 打开电源之前 先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况 并取 下 PCB 上的集成块 然后接通电源 用万用表检查板上的各点的电源电压值 完好之后再关掉电源 插上集成块 8 1 28 1 2 单元电路检测单元电路检测 接通电源后 用双踪示波器 输人耦合方式置 DC 档 观察时基电路的输 出波形 应如波形图 b 所示的波形 其中 t1 1s t2 0 25s 否则重 新调节时基电路中 R1 和 R2 的值 使其满足要求 然后改变示波器的扫描速 率旋钮 观察 74LSl23 的第 13 脚和第 10 脚的波形 应有如波形图 b 所示 的锁存脉冲 和清零脉冲 V 的波形 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 19 将 4 片计数器 74LS90 的第 2 脚全部接低电平 锁存器 74LS273 的第 11 脚都接时钟脉冲 在个位计数器的第 14 脚加入计数脉冲 检查 4 位锁存 译码 显示器的工作是否正常 8 1 38 1 3 系统连调系统连调 在放大电路输入端加入 Vpp 1v f 1khz 的正弦信号 用示波器观察放大 电路和整形电路的输出波形 应为与被测信号同频率的脉冲波 显示器上的读 数应为 1000Hz 9 9 元件清单元件清单 给定的主要器件 174LS1231 片 25551 片 374LS484 片 474LS907 片 574LS2732 片 674LS921 片 774LS002 片 874LS741 片 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 20 974LS1511 片 1074LS1381 片 11数码显示器 BS2024 只 123DG1001 只 13电阻 电容若干 10 小小结结体体会会 该实验是一向学习数电以来特别复杂 综合性强的设计性实验 要求我们 熟练运用所学过的知识灵活运用 将数电这门课程中 典型而又常用的器件烂 熟于心 例如译码器 138 数据选择器 151 和计数器 90 的功能和运用 该项设计性实验培养我们独立思考的能力 和逻辑的分析能力 例如设计 前必须胸有轮廓 首先该了解频率计数器的基本原理 各单元组成 进而理解 各电路单元的组成结构 如何运用已知的器件实现某个条件 达到目的 在这次数电课设时间中 我独立完成了设计报告的书写 相关资料的查询 和搜集 电路图的制作仿真 电路相关数据和参数的整理和分析 电子元件的 购买及焊接等任务 在课程设计的过程中 自己遇到了这样那样的困难 但运 用自己的相关知识 查阅相关资料 并不断和同学们讨论研究 最后成功找到 了比较恰当的解决方法 在相关材料的搜集过程中 不同设计方式和电路图都有各自特点和相关要 求 这些材料的整理和对比就花费了自己很多的精力 因为这些材料中的器件 芯片和工作方式等有很多是自己在课堂的学习中从来没有遇到过的 我们必须 武汉理工大学 数字电子技术课程设计 21 利用一切方式查找到相关的资料 自学其相关的原理等 所设计电路的实际可 行性 经济效益等也是在这次课程设计过程中必须要考虑到的问题 在课程设计的过程中的主要收获有 对书本上的理论知识有了更深刻的理 解在仿真模拟过程中 不断利用课堂所学理论知识对电路进行调整和修改 最 终实现设计目的过程是自己从另一个层面又一次学习的过程 又一次亲身体会 到了 理论的目的最终归于实践 这一哲理 认识到我们在学校所学习的一切 最终都是要为自己今后投入真实的工作中 实际产品的开发和使用中服务的 学习到了若干在今后学习生活中 或者走出校门时对自己有帮助的软件等的使 用方法 并能够熟练运用 multisim10 等软件进行电路的设计 分析 模拟等 我还学会了如何独立思考问题 分析问题和解决问题的方法 提高了自