数字频率计课程设计报告材料

实用标准文案赣南师院物理与电子信息学院数字电路课程设计报告书 姓名： 班级： 学号： 时间： 数字频率计的设计一 设计任务和要求1、 能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等周期性信号的频率； 2、 数字显示位数：2位数字显示； 3、 频率测量范围：1HZ99HZ； 4、 输入信号幅度范围为0.55V，要求仪器自动适应 ；5、 电源：220V/50HZ的工频交流电供电。二 设计方案与论证数字频率计是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以测量正弦信号、方波信号和尖脉冲信号的频率，而且还能对其他多种物理量的变化频率进行测量，诸如机械振动次数，物体转动速度，明暗变化的闪光次数，单位时间里经过传送带的产品数量等等，这些物理量的变化情况可以有关传感器先转变成周期变化的信号，然后用数字频率计测量单位时间内变化次数，再用数码显示出来。频率测量中直接测量的数字频率计主要由四个部分构成：时基电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成方波信号，加到与非门的另一个输入端上，该与非门起到主阀门的作用，在与非门第二个输入端上加上阀门控制信号，控制信号，控制信号为低电平阀关闭，无信号输入计数器；控制信号为高电平时，阀门开启整形后的信号进入计数器，若阀门控制信号取1s，则在阀门时间1s内计数器得到的脉冲数N就是被测信号的频率。将其译码显示，即可知信号的频率。数字频率计系统原理方框图如图2-1所示。 图2-1 数字频率计原理方框图 逻辑控制电路的一个重要的作用是在每次采样后还要封锁主控门和时基信号输入，使计数器显示的数字停留一段时间，以便观测和读取数据。简而言之，控制电路的任务就是打开主控门计数，关上主控门显示，然后清零，这个过程不断重复进行。控制电路如图2-2所示： 图2-2逻辑控制电路 3、 论述方案的各部分工作原理1、 时基电路的设计为了获得较为稳定的时间基准信号，以便准确的控制主控门的开启时间，其电路见图3-1所示：图3-1时基电路 本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器如图3-1所示。此电路由一个555芯片、两个电阻和两个电容组成。由于低电平T1= R1 Cln2高电平T2=（R1+R2）Cln2，高电平T2=（R1+R2）Cln2可以通过改变R1与R2来改变T1，T2的值，为了使电路发出一个合适的震荡信号，可以令C=100uf， R1=1K，R2可以用一个5.1 K的电阻和一个10K的可变电阻来代替。2、放大整形电路的设计 为保证测量精度，在整形电路的输入端加一前置放大器。对幅值较低的被测信号经放大后再送入整形器整形。如图3-2为放大整形电路原理图。 这个电路由三极管和几个74LS00与非门组成，其作用是为了把被测信号放大，放大倍数约为5倍，然后整形与其同频率的方波。 图3-2 放大整形电路3、译码显示电路 译码显示电路由计数器电路、锁存器电路、译码显示组成。 计数器电路由一片CD4017芯片组成，计数器工作时每个高电平维持一个时钟周期，每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲来计数。 锁存器电路由CD40110组成，40110 为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。作用是将计数器在结束时所得的数进行锁存，使显示器上能稳定显示此时计数器的值。译码显示电路通过CD40110和七段数码管来显示。如下图3-3所示： 图3-3 译码显示电路四、总原理图及元器件清单 1、总原理图数字频率计是由时基电路、放大整形电路、计数器电路、锁存器电路以及译码显示组成。其总电路图如图4-1所示： 图4-1总原理图2、元器件清单见下表1：序号编号名称型号数量1D1、D3显示器DCD-HEX-RED/GREEN22U0、U1译码驱动器CD4011023U3A、U3B、U3C与非门CD401114U2多谐振荡器NE55515U4计数器CD401716R1电阻5.1K17R2电阻1K18R3电阻10K19R4、R5电阻100K210R6电阻20K111R7、R8电阻330212C1 、C5电容100uf213C2电容1000pf114C3电容O.1uf115C4电容0.01uf116C7电容0.01uf117VD1、VD2二极管1N4148218LED发光二极管1 表1数字频率计元器件清单 5、 测试方法与数据1、 时基电路的测试该电路测试的电路图如下图5-1所示，震荡电路输出周期为1.279秒，高电平脉冲为0.68毫秒的方波。 图5-1时基电路测试电路2. 放大整形电路的测试 放大整形电路的测试电路如图5-2（a)所示，把被测信号放大然后整形为与其同频率的方波。电路输入正弦波频率为10HZ，振幅为1V,仿真结果如图5-2（b)所示。图5-2（a)放大整形电路测试电路图5-2（b)仿真结果图3、译码显示部分的测试频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。 在CD4017输入端加入脉冲信号，观察数码管能否显示数字，判断译码，显示部分是否能工作正常。4、频率的测试测量时间是频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。 先在放大整形电路输出端加一大信号矩形波脉冲，调节频率，观察数码管能否显示相应的数值，若与实际成一定比例关系则说明时基电路的t1，t2没有调到相应的大小，应小幅度调节电位器RP使得显示正确。 若上述测试正常，说明整形放大电路以上的部分能够正常工作，最后再加一小信号在放大电路的输入端，观察数码管能否显示相应结果，从而判断整个数字频率计电路的工作情况。六、调试与结果分析根据设计好的原理图焊接电路板，按要求正确连接好电路。将焊好的电路板与实验箱上的直流电源正确连接，输入一个幅度为1V，频率为15Hz的正弦波信号，在数码显示管上可以显示出对应的数值。数值保持一段时间，然后清零。以备下一次显示。这种用数字显示频率的电路反应迅速，显示直观。改变频率数码显示管上所显示的数字就会随之变动。结论：根据实验现象说明该电路能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等周期性信号的频率并能够通过数码显示管直观地显示出对应数值，即该数字频率计能够正常工作，所以实验设计方案是正确合理的。 这个数字频率计显示的数字范围比较局限。可以扩大电路，使显示的数值范围更大，更精确。七、设计体会 刚拿到题目时，很茫然不知道从哪里下手，后来通过广泛查阅相关资料，还有自己的书本，总算找到了方向。知道了数字频率计和我们书本上的计数器有一些相关，是由时基电路，控制电路，放大整形电路，译码显示电路构成。我对于数字频率计的组成与功用有了了解与掌握，并且对于数字频率计的个部分电路有了各设计的方案进行了论证与设计。在设计频率计的电路过程中对于逻辑控制电路有了更深一步的认识，了解并掌握了芯片NE555、CD4011的功能与连接，并且对于译码显示器、计数器与锁存器的工作有了认识与了解。对于被测信号的处理也比从前的理论掌握的更加准确；在设计中，我发现了自己许多的不足，在设计中遇到了一些困难，设计的电路经过测试并不能达到要求的功能，导致设计失败，我对照设计好的电路图进行修改，发现时基电路部分不小心焊接错了，进行改正后，终于做出了符合要求的频率计数器。但是设计仍存在一些不足，如数值保持的时间过短，读取数值不太方便，可将CD4017的Q3输出端与Cr断开，使Q4与Cr清零端相连，这样数据保持时间就变为2秒。还有就是测量数据不够精确，可添加小数点显示电路。这是我第一次运用数字电路的知识，所以对一些元器件的运用并不熟练。不过我在这次课程设计中学会了仿真软件的一些基本用法，巩固了我们学习的知识。通过这次设计，我们进一步加深了对数字电路知识的认识和理解。掌握了数字频率计的设计、组装与调试方法。更加熟练的运用软件进行调试、改进电路。培养了独立思考、分析问题、解决问题的能力，并培养了自己动手能力。总之，在这个课程设计当中，我学会了要自己查阅资料得到自己想要的信息，还有课本上不能得到的动手能力。这对我们以后的学习都是有很大帮助的。八、参考文献1谢自美.电子线路设计.实验.测试.M武汉：华中理工大学出版社，20002阎石.数字电子技术基础.M北京;高等教育出版社；20063付家才.电子实验与实践.【M】北京；高等教育出版社，20044陈晓文主编.电子线路课程设计【M】电子工业出版社,2004 5. 王港元主编.电工电子实践指导【M】（第三版）江西科学技术出版社,2009 6. 彭容修.数字电子技术基础【M】，华中理工大学出版社，武汉，2000 7. 李哲英.电子技术及其应用基础（数字部分）【M】高等教育出版社.北京， 2003 物理与电子信息学院数字电路课程设计成绩评定表专业：电子信息工程 班级：1102本 学号： 姓名： 课题名称 数字频率计设计设计任务与要求1、能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等周期性信号的频率； 2、数字显示位数：2位数字显示；3.、频率测量范围：1HZ99HZ； 4、输入信号幅度范围为0.55V，要求仪器自动适应 ；5、电源：220V/50HZ的工频交流电供电。设计报告成绩评分标准：有合理的方案设计和论证、单元电路和总原理图电路分析、电路参数的计算和清单。（0-15分）电路板制作、调试规范，有详细制作和调试过程。（0-8分）电路板测试合理，性能指标测试数据完整，正确；进行数据处理规范，电路功能