数字电路频率计课设说明书.

目 录 1 设计任务及主要技术指标和要求 1 2 总体设计方案 1 2 1 设计思路 1 2 2 设计方案和原理框图 1 2 3 方案比较 2 3 电路设计 3 3 1 放大整形电路 3 3 2 时基电路 5 3 3 计数译码显示电路 8 3 4 报警电路 11 3 5 闸门电路 12 4 组装调试 12 5 心得体会 14 参考文献 15 附录 总电路图 16 附录 元件清单 17 1 1 选题背景 数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器 其功能是测量 正弦信号 方波信号 尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量 因此已经成 为电路设计的常用器件之一 它有不可取代的地位 在电子技术中 频率与许多电参量 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 其中数字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 是测量频率的重要手段之一 1 1 设计任务 设计一个能够测量正弦波信号频率的电路 具体要求如下 1 测频范围为 0 999Hz 精度为 1Hz 2 用数码管显示测频结果 3 设有超量程显示 信号频率 1KHZ 时 发挥部分 进一步扩大频率计的测评范围 设计超量程换挡 说明 在输入正弦波信号峰值为 100mv 的情况下测试 2 总体设计方案 2 1 设计思路 频率 是单位时间内完成周期性变化的次数 所以我们的设计是将输入的信号进行 放大整形之后输入到计数器 计算出一秒内通过的脉冲数量 然后经由译码器将对应的 频率通过数码管显示出来 2 2 设计方案和原理框图 我们打算采用数电技术来完成设计 该数字频率计主要由放大整形电路 闸门电路 时基电路 计数器电路 译码显示电路几部分组成 总体结构如图 被测信号 X放大整型电路 Y 时基电路 Z 闸 门 A 计数器 译码器 七段显码管 图 2 1 数电频率计原理框图 2 从原理图可知 被测信号 X 在不影响其频率的情况下经放大整形电路变成计数器需 求的方波信号 Y 由 555 构成的多谐振荡器提供标准时间基准信号 Z 信号 Z 经主控电路 产生门控脉冲 A 方波时基信号 A 作为闸门的一个输入端 控制闸门的开放时间 被测信 号 X 从闸门另一端输入 被测信号频率为 f 闸门宽度为 T 若在闸门时间内计数器计得 的脉冲个数为 N 则被测信号频率 f N THz 逻辑控制电路的作用有两个 一是控制 4511 译码器对显示数据进行锁存 二是控制计数器的清零 保证下一次计数从零开始 1 放大整形电路的选择 对信号的放大功能由三极管放大电路实现 对信号整形的功能由施密特触发器来实 现 施密特触发器是一种特殊的数字器件 一般的数字器件当输入超过一定的阈值 其 输出一种状态 当输入小于这个阈值时 转变为另一个状态 方案一 放大电路采用 TL082 二级运放来实现 整形电路则采用 4093 即带有施密 特触发器的与非门 方案二 放大电路同样采用 TL082 二级运放 在整形方面可以采用 555 构成的施密 特触发器来达成 2 时基电路的选择 方案一 时基电路的作用是产生一个标准的时间信号 高电平持续时间为 1s 可用 555 构成的多谐振荡器作为时基电路 多谐振荡器又称方波发生器 电路不具有稳定的状 态 但是具有两个暂稳态 当电路由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态时 其 触发 信 号是由电路内部充 放 电提供的 因此无需外部触发脉冲 电路工作就是在两个暂稳 态之间来回转换 其脉宽由电阻和电容决定 用 555 定时器组成的多谐振荡器的振荡频 率受电源电压和温度变化的影响很小 其电路图如下 图 2 2 555 时基电路 3 方案二 时基电路可用晶体振荡器和分频器构成 晶振频率取 32768Hz 晶振产生脉 冲经分频器 14 级二分频后输出 2Hz 脉冲 高低电平各持续 1s 2 3 方案比较 1 放大整形电路方案比较 555 定时器的灵敏度较高 输出驱动电路大 但考虑到涉及的是简易频率计对精度要 求不高英雌没必要使用 555 定时器构成施密特触发器 而且用 4093 直接整形相比而言使 电路更加简易因此选用方案一 2 时基电路方案比较 方案二晶振分频产生的标准时间精度要高于方案一中的 555 多谐振荡器产生的标准 时间 但是 555 定时器电路元件较少结构简单使用方便 而且由于设计要求精度不是很 高 所以选用方案一 3 电路设计 本次设计电路由以下几部分构成 1 放大整型电路 对被测信号进行放大然后整形为方波 2 时基电路 产生一个高电平时长为 1s 的信号 3 闸门电路 通过时基电路产生的时基信号来控制计数器的计数清零以及译码器的 锁存 4 计数译码显示电路 计数器计算脉冲数量然后输入到译码器 把十进制计数器计 数结果译成 BCD 码 然后通过数码管显示出来 5 报警电路 在测量时如果被测信号的频率超出量程 则会给予警示 3 1 放大整形电路 放大整形电路作用是将测试信号放大整形成相应的方波脉冲作为计数脉冲 其电路 图如图 3 1 所示 图 3 1 放大整形电路 4 放大整形电路采用 TL082 运算放大器 由于输入信号幅值为 100mV 左右 所以这里 采用双级放大 共需放大 50 倍 由运放虚短虚断性质知 放大倍数 R2 R1 R4 R3 从而 选 R1 R3 10K R2 100K R4 50K 为保证零输入运放平衡同相输入所接电阻取 R5 R6 10K 其引脚图以及仿真波形图如下图所示 波形图由上至下依次为被测信号 一级放大 二级放大 图 3 2 TL082 引脚图及仿真波形图 CD4093 是集成施密特触发器 它由四个 2 输入端施密特触发器电路组成 每个电路均 为在两输入端具有施密特触发功能的 2 输入与非门 4093 用于对放大器的输出信号进行 整形 使之成为对应的矩形脉冲 4093 接法及仿真波形 5 图 3 3 4093 接法及仿真波形 其引脚图为 3 1 4 所示 图 3 4 4093 引脚图 3 2 时基电路 时基电路主要产生 1S 的时基信号 这里采用了由 555 集成芯片构成的多谐振荡器集 成芯片 555 是一种能够产生时间延迟和多种脉冲信号的控制电路 是数字 模拟混合型 的中规模集成电路 电路使用灵活 方便 只需外接少量的阻容元件就可以构成多谐振 荡器 广泛应用于信号的产生 变换 控制与检测 图 3 5 时基电路 6 电源接通时 555 的 3 脚输出高电平 同时电源通过 R1 R2 向电容 C2 充电 当 C2 上的电压到达 555 集成电路 6 脚的阀值电压 2 3 电源电压 时 555 的 7 脚把电容里的 电放掉 3 脚由高电平变成低电平 当电容的电压降到 1 3 电源电压时 3 脚又变为高电 平 同时电源再次经 R1 R2 向电容充电 这样周而复始 形成振荡 根据设计需要 该 多谐振荡器应输出一个高电平持续时间 T1 为 1s 的方波信号 而低电平持续时间 T2 合理 即可 振荡周期 T T1 T2 充电时间 T1 R1 R2 C2 ln2 放电时间 T2 R2 C2 ln2 经计算我们决定采用 R1 50K R2 14K C2 22 F 3 3 计数译码显示电路 该部分由计数器 译码器 显码管三部分组成 总电路图如图 图3 6 计数译码显示电路 74LS160 是中规模集成同步十进制加法计数器 具有异步清零和同步预置数的功能 通过置零法或置数法可以实现任意进制的计数 所以我们采用了 74LS160 作为十进制计 数器 根据设计任务要求最大输入信号频率为 999Hz 而且需要达到超量程显示的功能故选 7 4 个 74LS160 计数器 其引脚及功能如图 图 3 7 74LS160 引脚图 1 RCO 为进位输出端 当计数达到进位时从该端输出信号至下一位计数器 即可达到进 位计数 2 ENP 和 ENT 为计数控制端 LOAD 为同步并行置入端 低电平有效 当它们都为高电平 时计数器可以从 0000 开始计数直到 1111 然后进位 3 QA QB QC QD 为输出端分别与 4511 译码器的 A B C D 连接 4 CLK 为时钟输入端 时基电路产生的时基信号和被测信号通过与非门后接入 CLK 当 它为高电平时开始计数低电平时停止计数 5 CLR 为异步清零端 低电平有效 当它为低电平时计数器清零 表 3 1 74LS160 引脚及其功能图 输入输出 CLK CLRLOADENPENTABCD QAQBQCQD X0XXXXXXX0000 高10XXabcdabcd X1101XXXX保持 X11X0XXXX保持 高1111XXXX计数 译码驱动电路使用 CD4511 CD4511 译码器用于驱动共阴极 LED 数码管 它是将锁存 译码 驱动三种功能集于一身的电路 CD4511 引脚图为 8 图 3 8 CD4511 引脚图 1 A D 为二进制数据输入端 2 BL 为输出消隐控制端 低电平时各笔段均消隐 3 LE 为数据锁定控制端 高电平时锁存 低电平时正常传输数据 4 LT 为测试端 当输入高电平时显示器正常显示 输入低电平时显示器一直显示 8 各 笔段均被点亮 以检测显示器是否故障 5 VDD 和 VSS 分别为电源端和接地端 6 a e 为数据输出端 用来控制显示器的各个笔段 其真值表如下 表 3 2 CD4511 真值表 输入输出 LEBLLTDCBAabcdefg 显示 XX0XXXX11111118 X01XXXX0000000 消隐 011000011111100 011000101100001 011001011011012 011001111110013 011010001100114 011010110110115 011011000111116 011011111100007 011100011111118 011100111100119 01110100000000 01110110000000 01111000000000 01111010000000 01111100000000 01111110000000 消 隐 111XXXX 锁 存 9 由于最大量程为 999Hz 所以在显示方面我们使用了三个七极共阴式数码管其引脚图如下 图 3 9 七极共阴数码管引脚图 3 4 报警电路 本设计要求最大显示值为 999Hz 当超出该值应有报警显示超量程 为了简化报警电 路我们使用了一个发光二极管 为使二极管在计数器刚好计到 1000 时发光 应在最后一 位计数器后再串行一个计数器 然后再接一个译码器 利用译码器的锁存功能将超量程 显示与数据一起锁存住 发光二极管接到该译码器的 b 或者 c 输出端 这样当超出量程时 译码器输出对应数字 1 的信号 即 b c 端为高电平可以将发光二极管点亮 图 3 10 报警电路电路图 3 5 闸门电路 闸门电路需要一个非门和一个与非门 与非门采用 74HC00 其输入分别接整形后的被 测信号和时基信号 输出接计数器 CLK 脚 当时基信号输出高电平时 闸门打开 计数 器可以接收到被测信号并且开始计数 输出低电平时闸门关闭计数器停止计数并清零 非门采用 40106 输入接时基信号 输出接译码器的锁存脚 LE 用来控制数据的锁存 当其为高电平时正常计数 低电平时锁存数据 其引脚图如下 10 图 3 11 40106 引脚图 图 3 12 74HC00 引脚图 4 组装调试 1 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 并取下电路板上 的芯片 然后接通电源 用万用表检查板上的各点电源电压值 确认无误之后再关掉电 源 插上芯片 2 单元电路检测 1 基准时间检测 依次用示波器检测由 555 构成的多谐振荡器产生的基准时间和输出波形 输出波形 应为高电平宽度为 1s 的信号 如果波形宽度不对 则调整电容 C 如果输出时间不对 则调整 R1 R2 如果无输出波形 应对 555 各引脚的电平或信号波形进行检测 2 输入检测信号 从被测信号输入端输入幅值在 100mV 左右频率为 100Hz 左右的正弦信号 如果电路 正常 数码管可以显示被测信号的频率 如果数码管没有显示 或显示值明显偏离输入 信号频率 则作进一步检测 3 输入放大与整形电路检测 11 用示波器同时观测输入信号与整形电路 CD4093 的输出波形 正常情况下 可以观测 到与输入频率一致 信号幅值为 5V 左右的矩形波 如观测不到输出波形 或观测到的波 形形状与幅值不对 则应检测两级放大电路 用示波器观察放大器 TL082 一二级输出端 电压是否满足要求 然后消除故障 4 计数器电路的检测 依次检测 4 个计数器 74ls160 时钟端的输入波形 正常时 相邻计数器时钟端的波 形频率依次相差 10 倍 如频率关系不一致或波形不正常 则应对计数器和反馈门的各引 脚电平与波形进行检测 正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致 通过检 测与分析找出原因 消除故障 如电路正常 或消除故障后频率计仍不能正常工作 则 检测锁存器电路 5 显示译码电路与数码管显示电路的检测 首先检测显示译码器 CD4511 各控制端与电源端引脚的电平 其次对 LT 端输入高电 平 如果数码管显示为 8 则数码管与译码器连接正常 如发现故障 首先检测故障笔段 与译码器对应引脚的连接 其次检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平 通过 检测与分析找出故障 6 系统调试 在放大电路输入端加入 Vpp 100mV f 100Hz 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 显示应为 100Hz 的方波信号 显示器上的读数应为 100Hz 再输入频率为 999Hz 的正弦信号 以此来确定频率计的最大量程 以及误差的大小 最后输入 1000Hz 以上的正弦信号 以此来检测频率计的超量程显示功能 如果工作 正常则发光二极管会被点亮 5 心得体会 总体来说我们这次的课程设计是比较成功的 在整个设计过程中我们也遇到了各种 各样的问题和挫折 最初 在仿真电路成功的基础上我们依旧无法成功的完成设计 后 来经过我们多方查证各种资料 根据实际情况对元件和电路图进行了数次调整和测试才 徵宫的完成了我们的设计 我们的电路在总体设计上来看是比较简洁明了的 而且在电路原理上也尽量进行了 简化 但是由于现实中元件的限制导致我们的实验结果缺乏一定的精确度 不过我们还 是可以满足设计要求的准确度的 而且由于设计方面的缺陷我们设计的频率计并不能手 动控制工作 而且在报警电路的部分设计的并不完美 额外使用了一个译码器 造成了 一定程度上的浪费 在这方面我们仍需进一步的改进 我们的设计出现问题最多的地方就是时基电路的部分 我们一方面要控制时基电路 输出正确的信号 这是比较复杂的一部分 我们既要考虑到现实元件的限制也要考虑到 12 实验的需求 为了同时满足这两点我们不停地试验了近十种电容和电阻的组合 最终才 找到了比较完美的一种 电子技术课程设计是电子技术课程的实践性环节 这次频率计的设计不仅综合了数 字模拟电子技术基础的基本理论知识 而且还需要独立思考的能力 并要求具有较强的 动手能力 因此做好这个课题设计受益非浅 下面就本次课程设计的收获和体会做几点 总结 在设计电路图的过程中 对数模电相关知识进行了一次全面系统地复习 并通过查 阅资料掌握了一些常用元器件的功能及用法 绘制电路的过程中 学习了一些重要软件如 proteus multsim protel 的使用方法 同时也在无形中加强了分析器件 分析电路图的能力 组装调试过程是最费时间的一个阶段 它需要我们各方面的综合能力 对原理是不 是清楚 对芯片的工作状态是不是了解 以及分析解决问题的能力 这次的课设 让我深深的感悟到课本上的知识只是理论 只看书思维永远只定格在 了 广 而无法对其真