1、武漢理工大學 數字電子技術課程設計學 號： 0120809320411課 程 設 計題 目數字頻率計設計學 院專 業班 級 姓 名指導教師2010 年 7月 6日課程設計任務書學生姓名： 專業班級： 指導教師 工作單位： 題 目: 數字頻率計設計 初始條件：555、74LS123、74LS90、74LS273等元器件要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）用中小規模集成電路設計一臺簡易的數字頻率計，頻率顯示為四位，顯示量程為四擋 , 用數碼管顯示。 1HZ9.999KHZ ，閘門時間為 1S ； 10HZ99.99KHZ, 閘門時間為 0.1S ；10

2、0HZ999.9KHZ, 閘門時間為 10MS ；1KHZ9999KHZ, 閘門時間為 1MS ；時間安排：7.1： 理論設計7.27.4：安裝調試或仿真7.5： 撰寫報告7.6： 答辯指導教師簽名： 2010年 7月 6日系主任簽名： 2010年 7 月 6日目錄摘要3數字頻率計的設計51數字頻率計計測頻的基本原理52數字頻率計的主要計數指標62.1 頻率準確度62.2 頻率測量范圍62.3 數字顯示位數72.4 測量時間73設計思路及方案對比731由ICM7216D構成的數字頻率計732 運用單片機設計數字頻率計833我的電路分析94數字頻率計的設計94.1 放大整形電路94.2 時基電路

3、104.3 邏輯控制電路114.4鎖存器124.5計數、鎖存、譯碼顯示電路的設計135實驗的原理圖146實驗原理說明147各部分電路仿真157.1放大整形電路157.2時基電路157.3邏輯控制電路167.4鎖存電路167.5整體電路圖178實驗內容188.1電路制作與調試189元件清單1910小結體會2011參考文獻21 摘要頻率計的基本原理是用一個頻率穩定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內待測信號的脈沖個數，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，

4、測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本文數字頻率計是用數字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。如配以適當的傳感器，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉速，聲音的頻率以及產品的計件等等。因此，數字頻率計是一種應用很廣泛的儀器。AbstractThe basic principle is the frequency with a frequency stability of high frequency source as a benchmark, compared to other signal measurement clock f

5、requency. Usually calculated per pulse signal to the gate, we say the number 1 SEC. Time, Gate time can also is greater or less than a second. The longer gate, the more accurate were frequency value, but the gate is no longer a frequency measurement of interval is longer. Gate time is shorter, measu

6、rement of frequency value refresh the sooner, but the measurement accuracy frequency. Article. Digital frequency is measured by using digital display signal frequency instrument, the signal can be sine wave, square or other periodic change of signal. If using appropriate sensor, to test, such as the

7、 variation of mechanical vibration frequency, speed, and the voice of the frequency of product piece etc. Therefore, digital frequency is a kind of very wide application of instrument. 數字頻率計的設計1數字頻率計計測頻的基本原理數字頻率計是直接用十進制數字來顯示被測量信號頻率的一種測量裝置，它不僅可以測量正弦波、方波、三角波和尖端沖信號的頻率，而且還可以測量它們的周期。所謂頻率，就是周期性信號在單位時間 (1s

8、) 內變化的次數若在一定時間間隔 T 內測得這個周期性信號的重復變化次數為 N ，則其頻率可表示為 f=N/T 。原理框圖中，被測信號 Vx經放大整形電路變成計數器所要求的脈沖信號，其頻率與被測信號的頻率fx相同。時基電路提供標準時間基準信號，其高電平持續時間t1=1s,當1s信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數器開始計數，直到1s信號結束時閘門關閉，停止計數。若在閘門時間1S內計數器計得的脈沖個數為N，則被測信號頻率fx=NHz。邏輯控制電路的作用有兩個：一是產生鎖存脈沖，使顯示器上的數字穩定；二是產生“0”脈沖，使計數器每次測量從零開始計數。邏輯控制電路譯碼顯示器鎖存器 計數器

9、閘門電路時基電路放大整形電路vxATRLN(a)結構框圖TXt1t2NRLNTvx清零鎖存計數（b）時序圖圖1 數字頻率計結構框圖和時序圖2數字頻率計的主要計數指標2.1 頻率準確度 一般用相對誤差來表示，即式中，為量化誤差（即±1個字誤差），顯然，當閘門時間T選定后，fx越高，量化誤差就越小；為閘門時間相對誤差，主要由時基電路標準頻率的準確度決定，。2.2 頻率測量范圍 在輸入電壓符合規定要求值時，能夠正常進行測量的頻率區間叫頻率測量范圍.頻率測量范圍主要由放大整形電路的頻率響應所決定。2.3 數字顯示位數 頻率計的數字顯示位數決定頻率計的分辨率.位數越多，分辨率越高。2.4 測量

10、時間 頻率計完成一次測量所需要的測量時間，包括準備、計數、鎖存和復位時間。3設計思路及方案對比31由ICM7216D構成的數字頻率計圖2 由ICM7216D構成的數字頻率計電路圖由ICM7216D構成的10MHZ頻率計電路采用+5V單電源供電。高精度晶體振蕩器和構成10MHz并聯振蕩電路，產生時間基準頻率信號，經內部分頻后產生閘門信號。輸出分別連接到相應數碼顯示管上。ICM7216D要求輸入信號的高電平大于3.5V，低電平小于1.9V，脈寬大于50ns，所以實際應用中，需要根據具體情況增加一些輔助電路。優點：這個電路由于芯片集成度相對較高，所以電路設計較為簡單，操作比較簡單。而且精確度高。缺點

11、：對于芯片不太熟悉，而且由于集成度太高，缺少電路設計，仿真軟件中并沒有這個芯片。由于輸出級需要相應的輔助電路，為電路設計帶來很大麻煩。32 運用單片機設計數字頻率計 圖3 單片機數字頻率計實現框圖 圖 4 單片機引圖頻率計的計數和顯示部分可以由單片機及其最小系統完成，將適用于計數以及顯示的程序燒入單片機內，再根據時基電路、放大整形電路、倍頻鎖相電路一起構成頻率計。由于學過單片機相關教程，掌握一定的編程能力，所以用單片機實現數字頻率計還是可行的。優點：由于用到單片機，控制電路計數等功能通過編寫程序實現，減少了相關硬件的使用，降低了成本。而且利用C語言程序有很強的可修改性。缺點：利用單片機需要最小

12、系統，還需要了解最小系統，而且對于編程能力要求很高，對于初學者來說要求還是過高了。33我的電路分析數字頻率計是用數字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。它一般由放大整形電路、時基電路、邏輯控制電路、閘門電路、計數器、鎖存器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。其基本原理是用一個頻率穩定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內待測信號的脈沖個數，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。待測信號經過放大整形電路之后，輸出一個與待測信號同頻率的矩形脈沖信號，該信號在檢測閘門經過選通信號的合成，產生計數信號。控制脈沖經過控制器

13、中的門電路分別產生鎖存信號和計數器清零信號。計數信號并與鎖存信號和清零復位信號共同控制計數、鎖存和清零三個狀態，然后通過數碼顯示器件進行顯示。圖5 數字頻率計整體框圖及各信號波形關系圖4數字頻率計的設計4.1 放大整形電路放大整形電路由晶體管 3DGl00與74LS00等組成，其中3DGl00組成放大器將輸入頻率為周期信號如正弦波、三角波等進行放大。與非門74LS00構成施密特觸發器，它對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。其電路如圖： 圖6 放大整形電路其中由C1端輸入未知頻率的波，74LS00組成的施密特觸發器將從3DG00放大的信號進行整形變換，得到需要的方波.4.2 時基電路時

14、基電路的作用是產生一個標準時間信號（高電平持續時間是1s），由定時器555構成的多諧震蕩器產生（當標準時間的精度要求較高時，應通過晶體震蕩器分頻獲得）。若震蕩器的頻率，其中。由公式和，可計算出電阻R1、R2及電容C的值。若取電容C=10uF，則 k 取標稱值36 kk 取=47 k，RP =100 k圖7 時基電路電路圖4.3 邏輯控制電路根據圖原理框圖b所示波形，在時基信號II結束時產生的負跳變用來產生鎖存信號，鎖存信號的負跳變又用來產生清“0”信號V。脈沖信號和V可由兩個單穩態觸發器74LSl23產生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數決定。設鎖存信號和清“0”信號V的脈沖寬度相同，如果要求t

15、w=0.02s ，則有tw=0.45RextCext=0.02s，若取Rext=10k，則Cext=tw/0.45Rext=4.4uf，取標稱值4.7uf,由74LSl23的功能表可得，當, 觸發脈沖從 1A端輸入時，在觸發脈沖的負跳變作用下，輸出端1Q可獲得一正脈沖端,一非Q端可獲得一負脈沖，其波形關系正好滿足原理框圖 b所示波形和V的要求。手動復位開關S按下時，計數器清“ 0 ”。其組成圖如圖所示：圖8 邏輯控制電路其中U1A中的A端接時基電路的輸入端和由74LS00構成的閘門的一個輸入，電源電壓均選擇為5V以得到高電平.Q端接到由74LS273的CP端.U2A的Q端接到作為開關的7400

16、的一端輸入.附：74LS123的功能表 4.4鎖存器鎖存器的作用是將計數器在1S 結束時所計得的數進行鎖存，使顯示器上能穩定地顯示此時計數器的值，如圖6(b)所示，1S 計數時間結束時，邏輯控制電路發出鎖存信號L，將此時計數器的值送譯碼顯示器。根據題目要求4位數字顯示，即計數需用4位十進制計數器，共有16個計數輸出端，故鎖存器可用兩片8D鎖存器74LS273來完成上述鎖存功能。當閘門時間到時，邏輯控制電路一方面關閉計數閘門停止計數，另一方面產生鎖存信號L，將計數值鎖存并送譯碼顯示。可見在電路設計時，只需將74LS273的數據輸入端接個計數器的相應輸出端，將74LS273的輸出端接譯碼器的相應輸

17、入端，同時將鎖存信號L接74LS273的時鐘輸入端即可。4.5計數、鎖存、譯碼顯示電路的設計這部分電路是頻率計內作重要的電路部分，由計數器、鎖存器、譯碼器、顯示器和單穩態觸發器組成。其中計數器按十進制計數，由4個異步十進制計數器74ls90構成，一次從個位開始計數，向上位發出進位信號進而使高位開始計數。計數輸出如果電路中不接鎖存器，則顯示器上的顯示數字就會隨計數器的狀態不停地變化，要使計數器停止計數時，顯示器上的數字顯示能穩定，就必須在計數器后接入鎖存器。鎖存器的工作是受單穩態觸發器控制的。門控信號的下降沿使單穩態觸發器1進入暫穩態，單穩1的上升沿作為鎖存器的時鐘脈沖。為了使計數器穩定、準確的

18、計數，在門控信號結束后，鎖存器將計數結果鎖存。單穩1的暫態脈沖的下降沿使單穩2進入暫態，利用2的暫態對計數器清零，清零后的計數器又等待下一個門控信號到來重新計數。鎖存器的作用是將計數器在1s結束時所得的數進行鎖存，使顯示器穩定地顯示此時計數器的值。1s計數時間結束時，邏輯控制電路發出鎖存信號，將此時計數器的值送至數碼顯示器。選用鎖存器74LS273可以完成上述功能。當時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D，從而將計數器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態仍保圖9 計數、鎖存、譯碼電路持原來的狀態不變。所以在計數期間內，計數器的輸出不會送到譯

19、碼顯示器。鎖存器在一個有效脈沖到來后將計數器輸出信號鎖存，并輸出到數碼管譯碼器，四片譯碼器用74ls48實現。5實驗的原理圖 圖10 實驗電路圖6實驗原理說明當時基電路有低電平轉化為高電平，此時，閘門開通，信號通過輸出到計數器端開始計數.當時基電路由高電平轉換為低電平后，鎖存器上會有一個向上的脈沖，從而時顯示器的讀書穩定.當鎖存脈沖由高到低變化后由2Q非端直接輸入到計數器端清零.當頻率高于10KHZ時候，計數器的最高位會產生進位脈沖，使得多路數據選擇器74LS90加1，那么數據選擇器將選擇上一次頻率0.1倍的分頻信號.通過138譯碼器使得顯示器的小數點向右移動一位，使得頻率測量范圍擴大10倍.

20、當頻率高于100KHZ時候，同理數據選擇器會選擇0.01倍的分頻信號.通過138譯碼器使得小數點右移動兩位，頻率測量范圍擴大100倍.7各部分電路仿真7.1放大整形電路7.2時基電路7.3邏輯控制電路7.4鎖存電路7.5整體電路圖8實驗內容 8.1電路制作與調試    對制作好的 PCB板，或準備好的面包板，按照裝配圖或原理圖進行器件裝配，裝配好之后進行電路的調試。調試規則為：8.1.1 通電準備    打開電源之前，先按照系統原理圖檢查制作好的電路板的通斷情況，并取下 PCB 上的集成塊，然后接通電源，用萬用表檢查板上的各點的電源電壓值，完好

21、之后再關掉電源，插上集成塊。8.1.2 單元電路檢測 接通電源后，用雙蹤示波器 ( 輸人耦合方式置 DC 檔 ) 觀察時基電路的輸出波形，應如波形圖 (b) 所示的波形，其中t1=1s ， t2 =0.25s ，否則重新調節時基電路中 R1 和 R2 的值，使其滿足要求。然后改變示波器的掃描速率旋鈕，觀察 74LSl23 的第13 腳和第10 腳的波形，應有如波形圖 (b) 所示的鎖存脈沖和清零脈沖 V 的波形。  將 4 片計數器 74LS90 的第 2 腳全部接低電平，鎖存器 74LS273 的第 11 腳都接時鐘脈沖，在個位計數器的第 14 腳加入計數脈沖，

22、檢查 4 位鎖存、譯碼、顯示器的工作是否正常。8.1.3系統連調    在放大電路輸入端加入Vpp=1v ，f=1khz 的正弦信號，用示波器觀察放大電路和整形電路的輸出波形，應為與被測信號同頻率的脈沖波，顯示器上的讀數應為 1000Hz 。9元件清單 給定的主要器件174LS1231片25551片374LS484片474LS907片574LS2732片674LS921片774LS002片874LS741片974LS1511片1074LS1381片11數碼顯示器BS2024只123DG1001只13電阻 電容若干10小結體會該實驗是一向學習數電以來特別復雜，綜合性強的設計性

23、實驗.要求我們熟練運用所學過的知識靈活運用.將數電這門課程中，典型而又常用的器件爛熟于心.例如譯碼器138，數據選擇器151和計數器90的功能和運用.該項設計性實驗培養我們獨立思考的能力，和邏輯的分析能力.例如設計前必須胸有輪廓，首先該了解頻率計數器的基本原理，各單元組成.進而理解各電路單元的組成結構，如何運用已知的器件實現某個條件，達到目的.在這次數電課設時間中，我獨立完成了設計報告的書寫、相關資料的查詢和搜集、電路圖的制作仿真、電路相關數據和參數的整理和分析、電子元件的購買及焊接等任務。在課程設計的過程中，自己遇到了這樣那樣的困難，但運用自己的相關知識、查閱相關資料，并不斷和同學們討論研究

24、，最后成功找到了比較恰當的解決方法。在相關材料的搜集過程中，不同設計方式和電路圖都有各自特點和相關要求，這些材料的整理和對比就花費了自己很多的精力。因為這些材料中的器件、芯片和工作方式等有很多是自己在課堂的學習中從來沒有遇到過的，我們必須利用一切方式查找到相關的資料，自學其相關的原理等。所設計電路的實際可行性、經濟效益等也是在這次課程設計過程中必須要考慮到的問題。在課程設計的過程中的主要收獲有：對書本上的理論知識有了更深刻的理解在仿真模擬過程中，不斷利用課堂所學理論知識對電路進行調整和修改；最終實現設計目的過程是自己從另一個層面又一次學習的過程。又一次親身體會到了“理論的目的最終歸于實踐”這一哲理；認識到我們在學校所學習的一切最終都是要為自己今后投入真實的工作中、實際產品的開發和使用中服務的；學習到了若干在今后學習生活中，或者走出校門時對自己有幫助的軟件等的使用方法，并能夠熟練運用multisim10等軟件進行電路的設計、分析、模擬等；我還學會了如何獨立思考問題、分析問題和解決問題的方法；提高