簡易數(shù)字頻率計

1、畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書課題名稱: 簡易頻率計設(shè)計 學(xué)生姓名 吳成星 專 業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) 班 級 0901班 時 間 2011.102012.5月 指導(dǎo)教師 周福平 電子與電氣工程系2012年5月 目 錄1. 前言.4 1.1 背景.5 1.2 主要技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)要求.5 1.2.1 主要技術(shù)指標(biāo).5 1.2.2 基本設(shè)計要求.52. 總體設(shè)計方案.6 2.1 需要解決的問題.6 2.2 電路組成框圖.63. 單元電路設(shè)計.7 3.1 時基電路.7 3.2 放大整形電路.8 3.3 閘門電路.8 3.4 計數(shù)電路.8 3.5 鎖存顯示電路.94. 整機(jī)電路設(shè)計.10 4.1 整機(jī)電路原理圖.10 4.

2、2 整機(jī)工作原理.115. 調(diào)試及誤差分析.126. 結(jié)論.14 附錄 元件清單.17 參考文獻(xiàn).18摘要：數(shù)字頻率計是一種基本的測量儀器。它被廣泛應(yīng)用與航天、電子、測控等領(lǐng)域。它的基本測量原理是，首先讓被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號一起通過一個閘門，然后用計數(shù)器計數(shù)信號脈沖的個數(shù)，把標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi)的計數(shù)的結(jié)果，用鎖存器鎖存起來，最后用顯示譯碼器，把鎖存的結(jié)果用LED數(shù)碼顯示管顯示出來。根據(jù)數(shù)字頻率計的基本原理，本文設(shè)計方案的基本思想是分為五個模塊來實(shí)現(xiàn)其功能，即整個數(shù)字頻率計系統(tǒng)分為閘門模塊、時基電路、計數(shù)模塊、鎖存器模塊和顯示模塊等幾個單元，用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)了閘門控制信號、計數(shù)電路、鎖存電路、位選電路、段選

3、電路、顯示電路等。而且，本設(shè)計方案還要求，能夠用十進(jìn)制數(shù)碼顯示被測信號的頻率，不僅能夠測量正弦波、方波和三角波等信號的頻率，而且還能對其他多種物理量進(jìn)行測量。具有體積小、可靠性高、功耗低的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：數(shù)字頻率計；計數(shù)；數(shù)碼顯示；數(shù)字電路；測量1.前言課程設(shè)計是針對某一理論課程的要求，對學(xué)生進(jìn)行綜合性實(shí)踐訓(xùn)練的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用課程中所學(xué)的理論知識與時間緊密結(jié)合，獨(dú)立地解決實(shí)際問題的能力。本課題著重介紹數(shù)字邏輯電路的設(shè)計方法和測試。設(shè)計都以電路的基本理論為基礎(chǔ)，介紹電路的設(shè)計、裝調(diào)及性能參數(shù)的測試方法。本課題具有體系結(jié)構(gòu)新穎，知識綜合運(yùn)用性強(qiáng)，理論緊密聯(lián)系實(shí)踐的特點(diǎn)。課題設(shè)計應(yīng)達(dá)到

4、如下基本要求：（1）綜合運(yùn)用電子技術(shù)課程中所學(xué)的理論知識完成一個課題的設(shè)計；（2）通過查閱手冊和參考文獻(xiàn)資料，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力；（3）熟悉掌用電子元器件的類型和特性，并掌握合理選用的原則；（4）學(xué)會電子電路的安裝和調(diào)試技能；（5）數(shù)子電子儀器的使用方法；（6）學(xué)會撰寫課程設(shè)計論文；（7）培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。課題內(nèi)容的選擇既有利于理論聯(lián)系實(shí)際，又能系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生知識綜合運(yùn)用能力，進(jìn)一步提高實(shí)際動手能力和工程設(shè)計能力，適應(yīng)當(dāng)前電子技術(shù)迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用的需要。在本課題的研究過程中，得到周老師的指導(dǎo)與幫助，才使我們的設(shè)計非常圓滿的完成，在此表示感謝。 1.1 課題

5、背景在電子系統(tǒng)非常廣泛應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。供消費(fèi)用的微波爐和電視、先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)、空間通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計過程中無一不用到數(shù)字技術(shù)。由于數(shù)字電路的飛速發(fā)展，所以，數(shù)字頻率計的發(fā)展也很快。通常能對頻率和時間兩種以上的功能數(shù)字化測量儀器，稱為數(shù)字式頻率計(通用計數(shù)器或數(shù)字式計數(shù)器)在電子測量技術(shù)中，頻率是一個最基本的參量，對適應(yīng)晶體振蕩器、各種信號發(fā)生器、倍頻和分頻電路的輸出信號的頻率測量，廣泛用于廣播、電視、電訊、微電子技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域。1.2 主要技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)要求1.2.1 主要技術(shù)指標(biāo)1、4位數(shù)字顯示，測量范圍1Hz 10kHz2

6、、可測量正弦波和脈沖信號3、兩個操作按鍵：按鍵清零計數(shù)器、按鍵啟動測量4、測量靈敏度1V1.2.2 基本設(shè)計要求1、設(shè)計一個頻率計，可對1Hz-10kHz范圍內(nèi)的正弦波及脈沖波進(jìn)行頻率測量2、用PROTEL完成電原理圖的繪制3、完成電路參數(shù)的計算、元器件的選型4、擬制電路調(diào)試方案 5、電路仿真及PCB設(shè)計6、5人一個設(shè)計小組，明確組長及各組員的分工7、組員根據(jù)任務(wù)要求查找相關(guān)資料，選定合適單元電路方案8、小組討論確定電路整體方案 9、每人按規(guī)定格式并獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計說明書2.總體設(shè)計方案頻率計定時時間1s可以直接通過555定時器和電容、電阻構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生1Hz的脈沖，再通過T觸發(fā)器把脈沖

7、正常高電平為1s；放大整形電路可以直接用一個具有放大功能的施密特觸發(fā)器對輸入的信號進(jìn)行整形放大，閘門電路用一個與門，只有在定時脈沖為高電平時輸入信號才能通過與門進(jìn)入計數(shù)電路計數(shù)；計數(shù)電路可以通過4個十進(jìn)制的計數(shù)器組成，計數(shù)器再將計的脈沖個數(shù)通過鎖存器進(jìn)行穩(wěn)定最后通過4個LED數(shù)碼顯像管顯示出來。 2.1 需要解決的問題 2.1.1 怎樣利用555定時器產(chǎn)生1Hz的脈沖？ 2.1.2 怎樣對輸入信號進(jìn)行放大，然后輸入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)？2.1.3 怎樣加按鍵進(jìn)行開始計數(shù)及清零？ 2.2 電路組成框圖3. 單元電路設(shè)計 3.1 時基電路 用555_VIRTUAL定時器和電容、電阻組成多諧振蕩器產(chǎn)生1H

8、z的脈沖，根據(jù)書中的振蕩周期 ： T=（R1+R）C1×ln2 （R=R2+R3+R4+R5） 取C1=10uF，R1=2K，T=1s，計算得：R=69.9K，再通過T觸發(fā)器T_FF把脈沖正常高電平為1s的脈沖，元件的連接如下： 經(jīng)示波器仿真，產(chǎn)生的脈沖的高電平約為1S。 3.2 放大整形電路 用一個74HC14D_4V的含放大功能的施密特觸發(fā)器對輸入脈沖進(jìn)行放大整形，把輸入信號放大整形成4V的矩形脈沖，其放大整形效果如下圖： 74HC14D4V符號及放大整形效果圖3.3 閘門電路 用一個與門74LS08作為脈沖能否通過的閘門，當(dāng)定時信號Q為高電平時，閘門打開，輸入信號進(jìn)入計數(shù)電路進(jìn)

9、行計數(shù)，否則，其不能通過閘門。 74LS08N符號3.4 計數(shù)電路 計數(shù)電路用4片74192N計數(shù)器組成10000進(jìn)制的計數(shù)電路，74192N是上升沿有效的，來一個脈沖上升沿，電路記一次數(shù)，所以計數(shù)的范圍為09999。但計數(shù)1S后要對計數(shù)器進(jìn)行清零或置零，在這里用清零端，高電平有效，當(dāng)計數(shù)1S后，Q為低電平，Q為高電平，所以用Q作為清零信號，接線圖如下：3.5 鎖存顯示電路 當(dāng)計數(shù)電路計數(shù)結(jié)束時，要把計得脈沖數(shù)鎖存通過數(shù)碼顯示管穩(wěn)定顯示出來。鎖存器用2片74LS273N，時鐘也是上升沿有效，當(dāng)Q為下降沿時，Q恰好是上升沿，所以用Q作為鎖存器的時鐘，恰能在計數(shù)結(jié)束時把脈沖數(shù)鎖存顯示，電路的接線圖

10、如下4. 整機(jī)電路設(shè)計 4.1 整機(jī)電路原理圖4.2 整機(jī)工作原理 555組成的多諧振蕩器產(chǎn)生1Hz的脈沖，經(jīng)過T觸發(fā)器整形成高電平時間為1S的脈沖，高電平脈沖打開閘門74LS08N，讓經(jīng)施密特觸發(fā)器74HC14D放大整形的被測脈沖通過，進(jìn)入計數(shù)器進(jìn)行1S的計數(shù)。當(dāng)計數(shù)結(jié)束時，T觸發(fā)器的Q為下降沿，Q剛好為上升沿，觸發(fā)鎖存器工作，讓計數(shù)器輸出的信號通過鎖存器鎖存顯示，同時，高電平的Q信號對計數(shù)電路進(jìn)行清零，此后，電路將循環(huán)上述過程，但對于同一個被測信號，在誤差的允許范圍內(nèi)，LED上所顯示的數(shù)字是穩(wěn)定的。 1、這種數(shù)字頻率計的工作原理主要分六個單元。2、時基單元。包括振蕩器和時基電路，用來產(chǎn)生周

11、期為1秒的脈沖信號叫時基信號。振蕩器可以用晶體振蕩器或者用集成電路電阻電容搭成的多諧振蕩器。3、閘門單元。這個單元有兩個作用，一是得到寬度為1秒的方波，叫閘門信號；用這個信號的寬度來控制閘門的時間取樣時間，在取樣時間里，閘門允許被測信號通過（見圖3.1）。二是每次取樣后封鎖閘門和時基信號輸入門，使計數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時間，以便觀測和讀取數(shù)據(jù)，所以簡單的說，閘門單元的總?cè)蝿?wù)就是打開閘門計數(shù)關(guān)上閘門顯示，然后清零。這個過程不斷重復(fù)進(jìn)行。4、計數(shù)單元。計數(shù)單元把通過閘門的被測頻率脈沖輸入計數(shù)器、然后送到鎖存器、后經(jīng)顯示器顯示，由顯示器取樣時間里接收的脈沖數(shù)，也就是被測頻率。5、鎖存顯示單元。取樣

12、時間結(jié)束后，計數(shù)器里的數(shù)據(jù)送到鎖存器里并要維持一段時間，這段時間叫顯示時間。鎖存器里的電路決定顯示時間的長短，顯示時間結(jié)束產(chǎn)生一個正向清零脈沖，引入計數(shù)器復(fù)位端R，使計數(shù)器復(fù)位，顯示數(shù)字變?yōu)榱?。所以整個測頻過程的時間過程是：測量頻率顯示數(shù)字跳動顯示延時顯示數(shù)據(jù)保持不變清零顯示變?yōu)榱恪?、輸入單元，其作用是將接收到的各種信號變換為電脈沖信號并加以放大、整形；然后再變換成與CMOS集成電路相容的信號，也即是起一個接口作用。圖3.1表明測試原理的波形圖5、頻率計的檢測與調(diào)試（1） 用數(shù)字集成電路檢測儀對所用的IC進(jìn)行檢測，已確定每個器件完好。（2） 基準(zhǔn)時間檢測關(guān)閉電源后，插上全部IC 。依次用示波

13、器檢測基準(zhǔn)時間計數(shù)器和T-FF觸發(fā)器的輸出波形。（3） 輸出檢測信號從被測信號數(shù)輸入端輸入幅值在1V 左右、頻率為1KHz左右的正弦信號，如果電路正常，則數(shù)碼管可以顯示被測信號的的頻率。如果數(shù)碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號頻率，則作進(jìn)一步檢測。（4） 輸入放大與整形電路檢測用示波器觀測整形電路(74HC14)的輸出波形，正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號幅值為5V左右的矩形波，如果觀測不到輸出波形，或觀測不到波形形狀和幅值不對，則監(jiān)測這一部分電路，消除故障。如果部分電路正常，或消除頻率計人不能正常工作，則檢查閘門。（5）檢查閘門檢查閘門U3A的輸出波形，正常時，每間隔1s時間，

14、可以觀測到被測信號的矩形波。如觀測不到波形，則應(yīng)觀測控制們的兩個輸入端的信號是否正常，并通過進(jìn)一步的檢測找到故障電路，消除故障，如該電路正?；蛳收虾箢l率計人不能正常工作則檢測計數(shù)器電路。（6）計數(shù)器的檢測依次檢測4個計數(shù)器74192N的輸出波形，正常時，相鄰計數(shù)器時鐘端的形波頻率依次相差1倍，如果頻率關(guān)系不一致或波形不一致，則應(yīng)對計數(shù)器和反饋們的各引腳電平及波形進(jìn)行檢測，通過分析找出原因消除故障，如該部分電路正常，或消除故障后頻率計任不能正常工作則檢測鎖存器電路。（7）鎖存器電路的檢測依次檢測74HC273鎖存器各引腳的電平與波形。正常情況時，各電平值應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致，其中，第11

15、腳的電平每隔一秒跳變一次，如不正常則檢查電路，消除故障。如該部分電路正常，或消除故障后頻率計任不能正常工作，則監(jiān)測顯示譯碼電路。（8）顯示譯碼電路與數(shù)碼管電路的檢測檢測顯示數(shù)碼器各控制端與電源端引腳的電平，同時檢測數(shù)碼管各段對應(yīng)引腳的電平及公共端的電平通過檢測分析找出故障。6、 結(jié)論 本文通過對課題設(shè)計任務(wù)的研究與分析，以數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)既定設(shè)計功能，該數(shù)字頻率計是一種基本的測量儀器。它被廣泛應(yīng)用與航天、電子、測控等領(lǐng)域。它的基本測量原理是，首先讓被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號一起通過一個閘門，然后用計數(shù)器計數(shù)信號脈沖的個數(shù)，把標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi)的計數(shù)的結(jié)果，用鎖存器鎖存起來，最后用顯示譯碼器，把鎖存的結(jié)果用LED數(shù)

16、碼顯示管顯示出來。根據(jù)數(shù)字頻率計的基本原理，本文設(shè)計方案的基本思想是分為五個模塊來實(shí)現(xiàn)其功能，即整個數(shù)字頻率計系統(tǒng)分為閘門模塊、時基電路、計數(shù)模塊、鎖存器模塊和顯示模塊等幾個單元，用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)了閘門控制信號、計數(shù)電路、鎖存電路、位選電路、段選電路、顯示電路等。而且，本設(shè)計方案還要求，能夠用十進(jìn)制數(shù)碼顯示被測信號的頻率，不僅能夠測量正弦波、方波和三角波等信號的頻率，而且還能對其他多種物理量進(jìn)行測量。具有體積小、可靠性高、功耗低的特點(diǎn)。本設(shè)計經(jīng)原理分析與計算/仿真證明具有較高的可行性。 心得體會通過這次課程設(shè)計，加強(qiáng)了我們動手、思考和解決問題的能力，在設(shè)計過程中，我們也遇到了不少情況，但都通過我

17、們的努力和老師的幫助順利完成了我們的設(shè)計，比如，在一些電路原理和電路單元在每一步所實(shí)現(xiàn)的功能，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此再這上面消耗了不少時間。我覺得做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固有所加強(qiáng)，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識。平時看課本時，有好多問題還沒有搞清出，做完設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實(shí)踐讓我們對各個元件印象深刻。認(rèn)識來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識的動力和最終目的，

18、實(shí)踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這次的設(shè)計對我們的作用是非常大的。 通過這次設(shè)計，在理論學(xué)習(xí)中，很少有機(jī)會能有實(shí)踐的機(jī)會，但我們可以，而且設(shè)計也是一個團(tuán)隊的任務(wù)，一起的工作可以讓我們有說有笑，相互幫助，配合默契，多少人間歡樂在這里灑下，同時我認(rèn)為我們的工作是一個團(tuán)隊的工作，團(tuán)隊需要個人，個人也離不開團(tuán)隊，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。課程設(shè)計中只有一個人知道原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就有可能導(dǎo)致整個工作失敗。團(tuán)結(jié)協(xié)作是我們課程設(shè)計成功的一項非常重要的保證。而這次課程設(shè)計也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非常寶貴的。對我們而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財

19、富，經(jīng)歷是一份擁有。這次設(shè)計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！ 通過這次設(shè)計使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 致 謝 這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多專業(yè)知識問題，最后在老師的辛勤指導(dǎo)下，終于迎刃而解。同時，在老師的身上我們學(xué)也到很多實(shí)用的知識，再次我們表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位