南昌航空大学数字频率计设计方案

PAGEPAGEPAGE15课程设计说明书课程设计名称:数字电路课程设计课程设计题目：数字频率计学院名称：信息工程学院专业：电子信息工程班级:学号:姓名:评分：教师：２011年１0月5日数字电路课程设计任务书20１１-2012学年第1学期第1周—2周题目数字频率计内容及要求基本要求：采用基本数字集成电路设计制作-—简易数字频率计,要求测量频率范围为0—9９99Hz，测量分辨率为10Hz,并使用LED数码管显示。提高要求：1、讨论测量误差的形成原因并提出改进方案2、提高测频范围的方案3、输入保护４、输入信号为正进度安排1.布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：第一周2天;

2.领元器件、焊接、制作：第一周3天

3.调试：第二周2天ﻫ4．验收：第二周0。5天ﻫ5．写报告:本学期3~7周学生姓名:吴志鹏指导时间２011．8．29—2０11．９．１0指导地点：Ｅ楼311室任务下达2０1１年8月2９日任务完成2０１1年9月日考核方式1.评阅□2.答辩□3．实际操作□４。其它□指导教师王忠华系(部）主任摘要在电子技术中，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的更为重要。测量频率的方法有很多种，其中数字频率计具有精度高，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。数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一,同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器。数字频率计是在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来，换算成频率并以数字形式显示出来。数字频率计用于测量信号（方波，正弦波或其他周期信号）的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高,测量速度快,读数直观,使用方便等优点。关键字:整形电路、逻辑控制电路、译码显示电路目录前言………………………５第一章设计要求…………………6第二章设计方案…………………７第三章系统组成及工作原理……………………9第四章单元电路设计与计算……………………104.1。整形电路…………………１0４.2．时基电路…………………1０４.3阀门电路………………………114。４逻辑控置电路…………………114．5。计数电路……………………１24.６译码显示电路…………………1３第五章实验、调试及结果分析…………………14第六章心得体会……………………１５参考文献………………………16附录一…………17附录二…………1８附录三…………19 ﻩ前言是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置，应它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。第一章设计要求基本要求:采用基本数字集成电路设计制作——简易数字频率计,要求测量频率范围为0-9９9９Hz，测量分辨率为1０Hｚ，并使用LEＤ数码管显示。提高要求:讨论测量误差的形成原因并提出改进方案提高测频范围的方案输入保护输入信号为正 主要参考元器件:7４LS3９0、74LS２４７、CＤ４060、74ＬＳ00、74ＬS74第二章设计方案２.1测频法被测信号f被测信号f闸门信号计数值NTG图2．1测脉宽法的原理框图测频法的测量误差与信号频率有关：信号频率越高,误差越小;而信号频率越低，则测量误差越大。因此，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高,测量精度也越高。2.２测周法被测信号f被测信号f信号二分频T高频信号fsNTs译码显示电路计数锁存电路阀门电路时基电路译码显示电路计数锁存电路阀门电路时基电路逻辑控制电路逻辑控制电路3。１、整形电路整形电路主要由一个SR锁存器构成，当输入正3。2、时基电路时基电路由５5５芯片构成一个多谐振荡器,其作用是产生一个秒信号,用来计算一秒内的脉冲个数,即待测信号的频率.３.３、阀门电路阀门电路由7４LS0０与非门组成，只有在秒信号到来时阀门才会开启，此时便会对待测信号进行计数，其他时候阀门关闭,计数停止。3.4、计数锁存电路此电路由四个7４LS１60十进制计数器构成，四个16０芯片接成1００00进制计数器，用来对0—９99９Hz的频率进行计数；7４LＳ16０芯片自身有计数和保持功能,只要通过逻辑电路输入相应的控制信号,就能实现计数和锁存功能。3。5、译码显示电路该电路由4片ＣD45１１芯片构成，对7４LS160计数器的信号进行译码，然后对译码管进行驱动,这样译码管就能显示出待测信号的频率值.３.6、逻辑控制电路逻辑控制电路的主要器件是CＤ401７芯片，该芯片在输入周期脉冲信号时,其输出端Ｑ０—Q9会依次出现高电平，因而可构成十进制顺序脉冲发生器；这样便可产生计数和锁存信号，而芯片本身具有清零功能，因而可实现计数、锁存和清零的循环.第四章单元电路设计与计算4.1、整形电路整形电路图如下：图4．1整形电路图向输入端输入周期信号，在信号的正半周时,由SＲ锁存器的特性表可知输出端为高电平;在输入信号的负半周，锁存器的输出为低电平；这样就把一个周期信号转变成了方波信号。4。2、时基电路时基电路图如右图所示:时基电路由555芯片接成多谐振荡器，该振荡器可产生秒信号。当直流电源接通后,电源通过R1.R2对电容C1充电。当电容Ｃ1充电到电源电压的２／3VCC时,电容开始经R2、管脚7对地放电。当电容C１放电到电源电压的1/３VCC时，7脚内部断开,电源又开始对电容充电。如此重复上述过程，在３脚可输出矩形波。其周期为:ﻩ图４.２时基电路图T=0.69(R１+２R2）Ｃ＝0。69*（12０K＋20K)*10uF=０．９66s4。3、阀门电路阀门电路图如下：图4。3阀门电路阀门电路由与非门构成,只有在秒信号内阀门才开启，这时待测信号的每一个周期都会使阀门电路输出一个高电平，送入计数电路进行计数。4．4、逻辑控制电路控制电路图如右图所示：控制电路的主体是CＤ4０1７芯片，当输入端ＣP0输入连续的周期信号时其输出端Q0-Q9依次输出高电平.当第一个秒信号到来时,Ｑ0端为高电平,其他端都为低电平，这时Q0端的信号输入到阀门电路,阀门开启，进行计数；当第二个秒信号到来时，Ｑ1端为高电平，Ｑ0端就为低电平，所以阀门关闭计数停止，上一秒所计的脉冲个图4。４逻辑控制电路数得到锁存；当第三个秒信号到来的瞬间,ﻩＱ2端出现瞬间的高电平,Q2端端接CD4017芯片的清零端,使CD4017清零，然后又进行计数,这样便实现了计数、锁存和清零的循环。同时清零信号还会接到74ＬＳ16０计数器的清零端使计数器清零。它们有3个输入端:复位端R，时钟端CP和ＣPＥ（也叫ＥN）.有十个译码输出端:Q0~Q９。在复位状态时,只有Ｑ0表现为高电平“1”状态，其它端均为低电平“0”状态.另外还有进位输入端CＯ,可作为级联时使用。CＤ4０１7的管脚排列及真值表分别如图４.5和表４-1所示：ＣPCＰER输出ＱＮ０＊0Ｎ*1０N10０N+1１10Ｎ+1１＊0N＊10N＊＊１Q0图4。5表４-１4.5、计数电路计数电路如下图所示:图４.6计数电路计数电路由4片74ＬＳ160芯片以置零法接成100００进制计数器,用来对0—9９９9进行计数,脉冲信号到来时计数器开始计数，然后输出到译码器，当清零信号来时,计数器会进行清零。4.6、译码显示电路译码显示电路图如下:图4.7译码显示电路该电路由4片CD45１1驱动4个共阴译码管构成，CＤ４５11接受计数器的信号，然后驱动译码管进行显示。CD４51１是BCD锁存／７段译码器／驱动器.ﻩ图４．8引脚图CD4511引脚功能：ﻫBＩ:４脚是消隐输入控制端,当BI＝０时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。ﻫLE：锁定控制端，当LＥ=０时，允许译码输出。ＬＥ=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LＥ=0时的数值。ﻫＬＴ：3脚是测试信号的输入端,当BI=１，ＬT=0时,译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。ﻫA1、A2、Ａ3、A4、为８４２1ＢCＤ码输入端.ﻫa、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效.第五章实验、调试及测试结果分析本次设计所用芯片均加5Ｖ直流电压,待测信号由函数信号发生器提供；在上电和加待测信号后数码管上有数字显示,但就是不会清零.这说明了计数器在正常工作，译码管也在正常工作,但是并没有清零信号输入,所以没有进行清零，那么问题就出在55５芯片上或者是CD４０１7控制电路部分；如果55５没有进行振荡，那么便不会有清零信号产生，或者,如果CD4０１７芯片没有正常工作的话,逻辑控制电路也不会正常产生清零信号。用示波器检测各部分的输出信号，５55芯片可以产生方波信号,说明其在进行振荡，那么问题应该是出现在了控制电路上面。用示波器去测CＤ40１7，确实没有信号输出，这可能是芯片坏了，或者是出现了虚焊使得芯片没有工作，换了一片新的ＣD4０17芯片，然后将该芯片的各个管脚用烙铁烫了一遍，这样便将问题解决了；频率计可以正常工作，但是存在一定的测量误差。误差的来源主要是555芯片产生的秒信号不准，秒信号有误差,那么一秒内所测的脉冲个数肯定会有偏差。而５５５多谐振荡的周期与其所选的电阻和电容的值有着直接的联系,改变电阻或电容的值就可改变周期的大小,而电容的值不好改变，所以串联一个小阻值的电位器,调节电位器便能降低秒信号的误差，也就可以提高测量的准确度。测试时,用函数信号发生器输入方波信号时准确度高些,而三角波等则误差要偏大，这应该是整形电路部分产生的误差,输入信号的周期与输出信号的周期并不是一样的，这里也存有误差;SR锁存器构成的整形电路,其结构较简单,整形的效果也并不是特别理想.测试时还有一个明显的问题，由于CD４511译码器并没有接上拉电阻，因而通过该芯片的电流较大,使得ＣＤ4511芯片发热很明显，而且通过数码管的电流也很大，电路工作时间一长，ＬEＤ数码管很容易烧坏掉，所以为了保险起见，接上拉电阻是很有必要的。第六章心得体会在上完脉冲数字电路之后，做一次课程设计是很有必要的,这样可以将书本上的知识用于实际的应用中去。这是一个综合性的设计,并不是单靠某一章节的内容就能完成的,这需要将个部分的知识连贯起来应用才能完成设计,理论与实践的结合，这对于工科学生是很有帮助的.首先在仿真部分就遇到了不少麻烦。整体的电路图较以往所接触的电路来说要复杂一些,因为测频范围0—9９99Ｈｚ,所以本次设计所用到的芯片较多,这使得焊接会比较复杂;电路的计数、译码、驱动部分都比较好做,这些部分都是对称的，容易解决。555多谐振荡产生秒信号也是比较容易实现的,设计的难点就在于逻辑控制部分；这部分电路要产生计数、保持和清零信号，还要一直循环下去。按常规思维，就是要计数、锁存、译码、显示依次进行，如果这样便要用到更多的芯片，包括用于锁存的芯片,这样会使得原本并不简单的电路更加复杂。而CD４01７芯片能构成顺序脉冲发生器，这样便能较方便的产生计数、锁存和清零信号,省去了锁存芯片，简化了电路。焊接与调试部分也是本次设计的一个难点，由于焊点很多，所要连接的导线也较多，所以不能接错线，尽量避免虚焊，这要求实际焊接操作时要非耐心细致。焊接完成后，上电测试并没有直接出现效果，这时要根据测试现象分析问题的原因,然后去检查相应部分有没有产生正确的信号，如果没有产生所需用的信号，就要考虑是不是出现了虚焊或者是芯