简易频率计的设计.doc

武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 叶赛 专业班级：电子科学与技术0803班指导教师： 封小钰 工作单位： 信息工程学院 题 目: 简易频率计的设计 初始条件：本设计既可以使用集成脉冲发生器、计数器、译码器、单稳态触发器、锁存器、放大器、整形电路和必要的门电路等。本设计也可以使用单片机系统构建简易频率计。用数码管显示频率计数值。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周。2、技术要求： 设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000Hz。测量频率范围：109999Hz。测量信号类型：正弦波、方波和三角波。测量信号幅值：0.55V。设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S。确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：1、 2010 年 6 月 28 日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、 2010 年 6 月 28 日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。2、 2010 年 6 月 28 日 至 2010 年 6 月 29 日，方案选择和电路设计。2、 2010 年 6 月 30 日 至 2010 年 7 月 1 日，电路调试和设计说明书撰写。3、 2010 年 7 月 2 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。课设答疑地点：鉴主14楼电子科学与技术实验室。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要I1设计原理及方案12整体电路设计23单元电路设计4 3.1NE55简介4 3.2整形电路的设计5 3.3时基电路的设计5 3.4控制电路的设计7 3.5闸门电路的设计7 3.674LS90简介8 3.7计时电路的设计9 3.8锁存电路的设计10 3.9译码显示电路的设计11 3.10总原理图及频率计的工作过程124电路组装与调试135电路特点与改进13心得与体会14元器件清单15参考文献16摘要在电子技术中，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：一是直接测频法，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。数字频率计是用数字显示被测信号的仪器，被测信号可以是正选波、方波或其他周期性变化的信号。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。本文阐述了用数字电路设计了一个简单的数字频率计的过程。本设计主要利用所学的数字电子技术基础相关知识和模拟电子相关知识即能做成。所用器件主要包括：由NE555构成的多谐振荡器，施密特触发器，单稳态触发，二五十进制计数器74LS90，集成锁存器74LS573，显示译码器7448数码管等元器件。本次设计是利用Proteus软件完成的，通过该软件进行仿真和设计出数字频率计的原理图，最后根据该原理图进行实物的连接。关键词：数字频率计，Proteus。AbstractIn electronics, the frequency is the most basic parameters of electrical parameters, and many of the measurement system, the measurement results are very close relationship, therefore frequency measurement becomes even more important. There are many methods of measuring frequency, including electronic counter measure frequency with high precision, use convenient, quick, and easy to realize measure measurement process automation etc, and is one of the important methods of frequency measurements. Electronic counter measure frequency in two ways: one is the direct frequency measurement method, that is, in a certain gate time measuring signal pulse number, Second is the indirect method of frequency measurement method, such as frequency measurement cycle. Direct frequency measurement method for high-frequency signal frequency measurement, indirect measuring frequency act applies to the low frequency signal frequency measurement.Digital frequency plan is to use digital display signal equipment, signal can be first-choice 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 frequency of sound product piece etc. Therefore, digital frequency is a kind of very wide application of instrument. This paper expounds with digital circuit design a simple digital frequency of process.The design of the main use digital electronics related knowledge and analog electronic related knowledge can be made. Device used by NE555 mainly includes: composed of many harmonic oscillator, single trigger Schmitt toggle, steady, 25, integration 74LS90 decimal counter 74LS573 latches, display decoder 7448 digital tube components. This design is done with software, Proteus use through the software simulation and design of principle chart, according to the principle of final physical connection.Keywords: digital frequency, Proteus.。171设计原理及方案数字频率计是直接用十进制的数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率 ，而且还可以测量它们的周期。所谓频率就是在单位时间（1s）内周期信号的变化次数。若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N，则其频率为f=N/T，据此，设计方案框图如图1所示：整形电路时基信号发生电路门控电路显示电路译码电路闸门电路图1 数字频率计组成框图图中脉冲整形电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率fx。，时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确的等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数器译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fx= N Hz。2整体电路设计如图2（a），2（b）为数字频率计的工作过程图 图2（a） 数字频率计的组成框图 图2（b） 数字频率计的工作时序波形数字频率计的工作过程是：被测信号fx经脉冲电路整形后变成如图2（b）(1)所示的脉冲波形，其周期Tx与被测信号的周期相同。实际电路输出标准时间信号波形如图2(b)(2)所示，设其高电平持续时间为1s，计数器的计数时间就是1s，计数器计得的脉冲数N（如图2(b)(3)所示）就是被测信号的频率。2逻辑控制单元的作用有两个：其一，产生清零脉冲，使计数器每次从零开始计数。其二，产生所存信号，使显示器上的数字稳定不变。这些信号之间的时序关系如图2（b）所示。数字频率计由时基电路、控制电路、闸门电路、计数锁存和清零电路、脉冲形成电路和译码显示电路组成。3.单元电路设计3.1NE555简介NE555逻辑符号图如图3.1（a）所示： 图3.1（a） NE555的逻辑符号NE555内部结构图如图3.1（b）所示：图3.1（b）NE555的内部结构3.2整形电路的设计波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。本次设计采用施密特触发器进行整形。整形电路原理图如图3.2所示5脚处的电压 Vco=由此得施密特触发器的门限电压为：Vth1=Vco=0.45V；Vth2=1/2Vco=0.025V。图3.2 整形电路原理图所以只要输入电压Vi=0.45V,触发器就能将输入波形整形为矩形脉冲波，实现波形变换的用。根据施密特触发器的电压传输特性知，在波形变换的过程中，原输入波形的频率并不发生变化。3.3时基电路的设计利用一片555芯片可以通过多谐振荡器电路产生高电平为1S的脉冲波。其电路原理图如图3.3所示： 图3.3 时基电路原理图结合555内部结构图分析可得：电容C7通过R7到7脚为放电回路，电容C7通过R7和R1到电源Vcc为充电回路，充电时输出为高电平，放电时输出为低电平。由三要素法知：充电过程的方程式为：3充电所用时间，即脉冲维持时间:放电过程的方程式：放电所用时间，即脉冲低电平时间：代入数据解得：t1=1.008S ; t2=0.252S.由上述计算可得：高电平维持时间为1.008S，在此期间，通过闸门电路的控制作用，让整形后的输入信号作为计数器的触发脉冲，则可得计数器在这一秒内被触发的个数即为输入信号的频率。而在低电平期间，闸门电路封锁输入信号，计数器计数停止以保证计数的准确性。由于没有108K和36K的电阻，本设计中采用120K和22K的电阻代替。3.4控制电路的设计控制电路由555定时器构成的单稳态触发器组成，其电原理图如图3.4所示：图3.4 控制电路原理图由单稳态触发器的工作原理可知：在正常情况下，电路处于稳态，其输出为低电平，当输入端2有一负脉冲时，电路立即进入暂稳态，输出为高电平，暂稳态维持时间t=1.1R8*C8=0.011S在此期间输出的高电平即起控制作用：（1）对计数器进行清零。（2）置锁存器为保持输出的状态。3.5闸门电路的设计闸门电路实际是一开关电路，由与非门构成。其工作原理为：当有一输入端为低电平时，输出必为高电平，即输出无脉冲产生，输入的脉冲被“屏蔽”掉，命此时闸门处于关闭状态。当有一输入端为高电平时，输入的脉冲则能正常输出，命此时闸门处于打开状态，其输出脉冲作为计数器的触发脉冲，计时器对其计数，进而通过译码显示测出频率。3.674LS90简介74LS90的引脚图如图3.6（a）所示：图3.6（a）74LS90引脚图74LS90的功能表如图3.6所示： 表3.6 74LS90功能表3.7计数电路设计计数器由二五十进制计数器74LS90构成，其电原理图如图3.7所示：图3.7 计数电路原理图由功能表可知:把每个74LS90的Q0端与CKB相连，则该计数器构成十进制计数器，其计数过程为00000001001000110100010101100111100010010000。4可见当计数满十时，Q3端由“1”跳变为“0”，因此把Q3端的输出作为下级74LS90的触发脉冲，依次类推，4个74LS90级联则构成一万进制计数器，其最大可计数到9999，因此该频率计可测最大频率为9999Hz。图3.8 74LS573引脚图U1的CKA接闸门电路的输出，只在闸门输入高电平期间在一秒内进行计数，高电平过后，计数停止。每个74LS90的R端均接控制电路的输出，让控制电路对其控制清零。3.8.锁存电路的设计74LS573的引脚图如图3.8所示：74LS573的功能表如表3.8所示：表3.8 74LS573功能表输出控制允许LE数据输入D（D0D7）输出0（0007）LHHHLHLLLLQn保持HZ锁存电路单独由74LS573构成，输入端接计数器的输出，输出端接译码器的输入。输出控制端接地，使锁存器能正常工作，允许端通过一非门接控制电路的输出，当控制电平（高电平）到来时，LE端则为低电平，此时输出端被锁存，译码显示的数据即为所测得的频率。3.9译码显示电路的设计译码器74LS48的引脚图如图3.9（a）所示,共阴极数码管的引脚图如图3.9（b）所示。图3.9（b）共阴极数码管引脚图图3.9（a）74LS48引脚图译码显示电路由上述两器件对应相连而成，译码器的三个控制端均接无效电平，所得电原理图如下图所示：图3.9（c）译码显示电路原理图3.10总原理图及频率计工作过程经过以上各单元电路的设计可得简易频率计的总原理图如图3.10所示：图3.10 简易频率计的总原理图3.10.1频率计的工作过程输入的任意波形的信号经施密特触发器整形成同频率的矩形脉冲信号，该信号送入到闸门电路。由多谐振荡器产生的标准矩形脉冲送入到闸门电路以及单稳态触发器，其1S宽度的高电平打开闸门电路，其下降沿作为单稳态所需的负脉冲。由单稳态触发器产生的控制电平送到计数器的清零端以及锁存器的控制端对它们进行清零和控制作用。计数器在1S内对脉冲进行计数求得频率通过译码显示电路显示出来。下一个秒脉冲来到时又按照计数锁存自动复位的过程完成第二次测量，如此的周而复始，实现频率的自动测量。4.电路组装与调试按照全电路原理图连接电路，利用单片机编程产生已知频率的信号送入输入端测量其频率，接通电源，若数码管没显示，则电路不通，应撤除电源对接线进行检测，检查是否有虚焊，漏焊的地方，排除这些错误。继续接通电源，若数码管能正常显示，则电路整体工作了，这时应该检测所测频率是否在所允许的误差内，若误差太大，则进行多次测量，如果所测频率一直很离谱，则应该对电路进行线路检查，看看是否有焊错的元件以及线路，知道排除这些错误使所测频率在允许的范围内为止。5.电路特点与改进本次设计利用施密特触发器进行整形，利用多谐振荡器产生频率，利用单稳态触发器产生清零信号，利用与非门组成控制门来产生计数脉冲，通过74LS90计数，数码管为共阴极数码管。5如果对时基电路的准度要求较高，这时应该用晶体振荡器产生计数1S高电平脉冲，这样不会受到电路中其他信号的影响。同时为了稳定的显示读数，应该在数码管显示读数前先进行锁存，这样显示的数字是稳定的心得与体会一周的课程设计已经结束，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有扎实的知识基础，要