模电数字显示频率计.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文）数字显示频率计设计任务：（1）频率的测量范围：1/10Hz9999Hz。（2）测量1秒和10秒内的脉冲数。（3）显示时间为测频时间的4倍。（4）输入被测信号幅度Vi100mV。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。目 录第1章 数字显示频率计设计方案论证11.1数字显示频率计的应用意义11.2数字显示频率计设计的要求及技术指标11.3 设计方案论证11.4 总体设计方案框图及分析3第2章 数字显示频率计各单元电路设计42.1 输入通道电路设计42.2 时基电路设计42.3 计数器电路设计52.4 分频电路设计52.5 闸门设计62.6 译码显示电路设计62.7 逻辑控制72.8锁存电路设计7第3章 数字显示频率计整体电路设计83.1 整体电路图及工作原理8第4章 设计总结10参考文献11器件附录.12第一章 数字显示频率计设计方案论证1.1 数字显示频率计应用意义数字频率计又称电子计数器，是一种基础测量仪器，主要用来测量信号的频率和周期，且能直接用数字显示其频率和周期的数值。到目前为止已有30多年的发展史。由于现今电子计数技术已趋于完善，数字频率计的测频范围相当广泛。可提供所需交流电源、低压直流电源、可调恒流源、数控函数信号发剩器、受控源、交直流测量仪表（电压、电流、功率、功率因数）。可广泛应用于各种机器、车辆、船舶、电器等工业噪声测量,也可用于环境噪声。1.2数字显示频率计设计的要求及技术指标1）频率的测量范围：1/10Hz9999Hz。（2）测量1秒和10秒内的脉冲数。（3）显示时间为测频时间的4倍。（4）输入被测信号幅度Vi100mV。1.3设计方案论证现今科技日新月异，对频率的测量要求也是越来越高。我结和本学期所学习的数字电路的基本知识，参照其他类似的测频电路，设计了这个最基本，最简单的数字频率计电路。本电路包括8个部分，分别为输入通道、时基电路、计数器、闸门电路、分频电路、译码显示电路、逻辑控制电路及锁存器。各个部分组成及功能如下：1输入通道由放大器、整形电路构成。（1）放大器：放大器是将输入幅值较低的微弱信号放大到一定倍数，以符合后级电路的输入要求的信号。本电路采用741系列运算放大器，可利用其深度负反馈，自由选择反馈电阻，因此电压放大倍数可调，使用灵活。（2）整形电路：整形电路是将输入信号为任意波形的信号，整形成同频率的矩形脉冲信号，送入下一级的计数器进行计数。施密特触发器常利用触发器状态转换过程中的正反馈作用，将边沿变化缓慢的周期信号变为边沿很陡峭的矩形脉冲信号。由于在数字系统中矩形脉冲经传输后往往也会发生畸变。如：当传输线上电容较大时，波形的上升沿和下降沿将明显变坏；当传输线较长，且接收的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生震荡现象；当其他的脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号将出现噪声。无论出现上述的哪一种情况，都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。鉴于施密特触发器整形电路的诸多优点，本电路将起采用，且利用555定时器搭建，简单方便。2时基电路：时基电路的作用是产生一个标准的时间信号，即高电平持续时间，该时间可人为设定，本电路为1S。由555定时器构成的多谐振荡产生。当标准时间的精度要求高时，应通过晶体振荡器分频获得。目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0 ，而与外接电阻、电容无关。石英晶体的振荡频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。 3计数电路：计数电路是将上级输入的时基闸门时间内计数脉冲的个数数出并输出给锁存器锁存。用于计数的芯片很多，如：74LS90、74LS190、74LS290、74LS160、74LS161、等等。本电路采用的是将四片74LS160芯片级连构成四位十进制加法计数器。 4闸门：闸门实际上就是一个简单的与门。将整形电路的输入信号与门控信号做与运算，以便输出矩形脉冲作为计数脉冲。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。可见门控信号的宽度一定时闸门的输出正比于被测信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。5分频电路：分频电路用于将输入信号的频率缩小1000倍后再送往计数器计数，利用它可扩展量程。本电路利用3片74LS160级连成一千进制计数器，其最高位的进位输出脉冲，即是分频后的计数脉冲。6译码显示电路：译码显示电路是将锁存器输出的数值进行译码并在数码管上显示出来。本电路由4片BCD-七段显示译码器74LS48及BCD-七段数码管构成。7逻辑控制电路：逻辑控制电路是由两片555定时器接成单稳态触发器构成。利用时基信号做为第一片的触发信号，输出锁存信号，将计数结果锁存，使显示数值稳定；而第二片利用第一片的输出信号作为触发信号并输出复位信号将计数器清零。清零后的的计数器又等待下一个门控信号的到来重新计数。8锁存电路：锁存电路是将计数器输入的数值锁存并送到译码显示器显示。如果在系统中不接锁存器，则显示器上的显示数值就会随计数器的状态不停地变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定，所以计数器后必须接入锁存器。锁存器的工作状态是受单稳态触发器控制的。1.4总体设计方案框图及分析该设计方案框图共有8部分组成，分别为输入通道、时基电路、闸门电路、分频电路、计数器、锁存器、译码显示电路及逻辑控制电路。输入通道是由放大器、整形电路构成，将输入为任意波形的交流信号，转变为同频率且符合后级输入要求的信号。闸门电路即由一个与门构成，时基信号与整形后的信号经过它输入给下一级。计数器有四片74LS160组成，由上一级的输出作为时钟脉冲cp，当cp为高电平时开始计数，直到高电平时间结束。分频电路由3片74LS160组成，将输入信号的频率缩小1000倍再送入计数器计数。用于量程扩展。计数锁存器由两个8D锁存器74LS273组成，在1S计数时间结束后由逻辑控制电路发出锁存信号，将当时的计数值锁存并送往译码显示器显示结果。时基电路由555定时器接成的施密特触发器构成，发出高电平时间为1S的矩形脉冲作为计数时间。两片555定时器各自接成单稳态电路构成逻辑控制电路，产生复位与锁存信号。分频电路单稳态电路闸 门（与门）整形施密特输入通道（测试波）计数器逻辑控制电路锁存电路译码显示电路时基电路第二章数字显示频率计各单元电路设计2.1输入通道电路设计如图所示，A1为运算放大器，将输入信号放大100倍后送入下一级，即由555定时器接成的施密特触发器，将输入信号整形为矩形脉冲信号经一个非门缓冲输入给下一级。其中R0=1K，Rf=100K，C=0.01F。2.2 时基电路设计如图所示，由一片555定时器接成的多谐振荡器构成时基电路，发出高电平时间为1S的门控信号。2.3 计数器电路设计分频后脉冲如下图所示，本电路由4片74LS160级连构成，底位的进位输出作为高位的工作信号，各片时钟脉冲cp由闸门输出信号提供，复位信号由555定时器接成的施密特触发器（2）提供。cp复位信号2.4分频电路设计 如图所示，该电路由3片74LS160级连成一千进制计数器，低位的进位脉冲做为高位的工作信号，则最高位的进位输出脉冲，即是分频后的计数脉冲。输出给计数器进行计数。分频后脉冲复位信号cp2.5闸门设计闸门如图所示，闸门电路由与门组成，该电路有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矩形脉冲信号，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。可见门控信号的宽度一定时闸门的输出正比于被测信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。2.6译码显示设计如图所示，该电路由4片74LS48接成的驱动器及4位数码管组成。74LS48的高位RBO与底位的RBI相连，最高位的RBO接地，这样可以将不需要亮的零灭掉，方便观察。2.7逻辑控制设计电路如右图所示，该电路由由两片555定时器接成单稳态触发器构成。在时基信号结束时产生的负跳变来产生锁存信号，锁存信号的负跳变用来产生请零信号，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。2.8锁存电路设计锁存器的作用是将计数器在1S结束时所得的数进行锁存，是显示器上能稳定地显示此时计数器的数值。本电路选用8D锁存器74LS273来完成锁存功能。当时钟脉冲cp的正跳变到来时，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的状态仍然保持原来的状态Qn不变。锁存器的工作状态是受单稳态触发器控制的。第三章数字显示频率计整体电路设计3.1整体电路图及工作原理原理波形图如整体电路原理图及波形图所示，当VI有信号I输入时，经A1放大100倍后由555定时器接成的施密特触发器整形成与输入信号同频率的矩形脉冲，再与另一片555定时器接成的多谐振荡器输出的高电平时间为1S，低电平时间为0.25S的矩形脉冲信号通过闸门输出给下一级。该输出信号III为有用的计数脉冲信号。由图可知该脉冲可输入给两个端口A与B。端口A、B用于量程选择。当闸门输出信号由端口A输入时，各个计数器在得到cp的同时立即开始计数，并把输出的数值送到74LS2738D锁存器锁存，以确保计数期间不显示。闸门输出信号3同时充当D触发器（1）的时钟脉冲cp。令D=1则当cp=1时Q=1，之后无论cp 如何变化，Q输出始终等于1，故只要被测信号由端口A输入，发光二极管D1就发出绿色光芒，告诉人们当前量程为1HZ999HZ。当第二片74LS160有进位输出时，表示被测信号的量程已超出本量程。由该进位输出作为时钟脉冲的D触发器（3），当D=1时，无论cp怎样变化输出端Q=1。此时闪烁发光二极管D3发出橙色闪烁光，提醒人们应立即更换量程。当闸门输出信号由端口B输入时，应先经过由3片74LS160级连成的1000分频的分频器进行分频，将输入信号的频率缩小1000倍，再送入计数器计数。此时二极管D2发出红光，其原理与D1同，表示当前量程为1KHZ100KHZ。当计数器计数到101时，二极管D4会发出红色闪烁光，告诉人们该信号已超出本量程，应及时更换，原理同D3。当时基信号II的下降沿到来时，会触发由555定时器接成单稳态触发器发出一个高电平为0.02S的锁存信号IV，将当前的计数值锁存并送到数码管显示。同时该输出信号也会触发另一个单稳态触发器，使其输出清零信号V，对各个计数器、触发器、锁存器进行清零，等待下一个测量脉冲的到来。用于手动复位。第4章 设计总结参考文献1 徐亲知，陈淑华.石油经济学.第二版.哈尔滨：黑龙江人民出版社，1988: 38-135 2 米契尔卡特，罗德尼马多克.合理预期理论.余永定译.北京：中国金融出版社，1988：43-85 3 张文中.论石油价格与石油工业发展.世界石油经济，1990（2）:14-214 齐中英，叶元煦.对我国能源问题的回顾与思考.邱大雄.市场经济与中国能源发展战略论文集.北京：原子能出版社，1992：53-585 黄良君.大庆地区经济发展战略研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.1994。2附录：器件清单第四章设计总结此次课程设计中我投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用EWB仿真电路，其过程中出现了不少的问题，我没有气馁，没有退缩，积极向老师和同学请教，并且一遍又一遍的重复实践，直到我们期望的结果实现。事实也证明我们的努力没有白费，认真严谨的实习态度给我们带来了成功的喜悦！这短短一周的实践，我感觉到自己在课本上学到的理论知识和实践仍有一定的差距。有的知识，自己感觉已经掌握得差不多了，但是实际操作起来就有问题出现了。 我还遇到了不少，花费了很多的时间。这让我们重新反思我们的学习，觉得这与自己当时不注意实验课是分不开的。 通过这次电子系统设计，我们掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次电子设计的成功不仅帮助我们更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我们的自信，培养了我们独立思考的能力！本次实习是我到目前为止最头疼也是收获最大的一次实习。设计是