數(shù)字頻率計課程設(shè)計報告

1、課程設(shè)計報告 設(shè)計題目：院 系：設(shè) 計 者：學(xué) 號：目 錄第一章 設(shè)計目的3第二章 設(shè)計任務(wù)和設(shè)計要求4 2.1 設(shè)計任務(wù)及基本要求 2.2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求第三章 系統(tǒng)概述5 3.1概述 3.2設(shè)計原理及方案第四章 單元電路設(shè)計及分析9 4.1 時基電路4.2邏輯控制電路4.3計數(shù)電路4.4鎖存電路4.5顯示譯碼電路4.6 閘門電路 4.7 報警電路第五章 安裝與調(diào)試過程195.1 電路的安裝過程5.2 電路的調(diào)試過程5.3 出現(xiàn)的問題及解決辦法第六章 結(jié)果分析22第七章 收獲與體會24第八章 元件清單26第九章 實現(xiàn)結(jié)果實物圖27附錄A 參考文獻(xiàn) 第一章設(shè)計目的：1. 了解數(shù)字頻率計測量頻率與

2、測量周期的基本原理；2. 熟練掌握數(shù)字頻率計的設(shè)計與調(diào)試方法及減小測量誤差的方法。3. 本設(shè)計與制作項目可以進(jìn)一步加深我們對數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認(rèn)識，進(jìn)一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計、制作與調(diào)試的方法和步驟。4. 針對電子線路課程要求，對我們進(jìn)行實用型電子線路設(shè)計、安裝、調(diào)試等各環(huán)節(jié)的綜合性訓(xùn)練，培養(yǎng)我們運用課程中所學(xué)的理論與實踐緊密結(jié)合，獨立地解決實際問題的能力。 第二章設(shè)計任務(wù)及要求：2.1設(shè)計任務(wù)及基本要求：設(shè)計一簡易數(shù)字頻率計，其基本要求是：1)測量頻率范圍0999999Hz；2)最大讀數(shù)999999HZ,閘門信號的采樣時間為1s；.3)被測信號可以是正弦波、三角波和方波；4)顯示方

3、式為6位十進(jìn)制數(shù)顯示；5）具有超過量程報警功能。5)輸入信號最大幅值可擴(kuò)展。6）測量誤差小于+-0.1%。7)完成全部設(shè)計后，可使用EWB進(jìn)行仿真，檢測試驗設(shè)計電路的正確性。2.2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求數(shù)字頻率計的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測信號為外部信號，送入測量電路進(jìn)行處理、測量。波形整形計數(shù)器數(shù)碼顯示顯示u振蕩電路分頻器控制門數(shù)據(jù)鎖存器顯示譯碼器被測信號 第三章3.1概述：頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，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(zhǔn)確，但閘門時間

4、越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，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(shù)字頻率計是用數(shù)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。電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計人員能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。 如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以對多種物理量進(jìn)行測試，比如機(jī)械振動的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。因此，數(shù)字頻率計是一種應(yīng)用很廣泛的儀器數(shù)字集成電路廣泛用于計算機(jī)、控制與測量系統(tǒng)，以及其它電子設(shè)備中。一般說來，數(shù)字系統(tǒng)中運行的電信號，其大小

5、往往并不改變，但在實踐分布上卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個特點。數(shù)字集成電路作為電子技術(shù)最重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品之一，已廣泛地深入到各個應(yīng)用領(lǐng)域。 3.2設(shè)計原理及方案數(shù)字頻率計是直接用十進(jìn)制的數(shù)字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它不僅可以測量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號的頻率 ，而且還可以測量它們的周期。所謂頻率就是在單位時間（1s）內(nèi)周期信號的變化次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得周期信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率為f=N/T，據(jù)此，設(shè)計方案框圖如圖1所示：計數(shù)電路閘門電路整形電路Fx 被測信號振蕩器譯碼顯示控制電路時基電路鎖存器圖中脈沖形成的電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻

6、率等于被測信號的頻率f。，時間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，若其周期為1s，則們控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準(zhǔn)確的等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號進(jìn)行控制當(dāng)秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)器譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，技計數(shù)器得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率f= N Hz 同時由圖可知數(shù)字頻率計由八部分組成:時基電路，邏輯控制電路，閘門電路，整形電路，計數(shù)電路，鎖存器，譯碼顯示器和振蕩電路。時基信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，其高電平持續(xù)時間為1S。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)時間信號進(jìn)行控制，在時基脈沖的上升沿到來時閘門開啟，計數(shù)器開始計數(shù)，在同一脈沖的下

7、降沿到來時，閘門關(guān)閉，計數(shù)停止計數(shù)。同時邏輯控制電路產(chǎn)生一個鎖存信號輸送到鎖存器的使能端將結(jié)果鎖存，并把鎖存結(jié)果輸送到譯碼器來控制七段顯示器，這樣就可以得到被測信號的數(shù)字顯示的頻率。而在鎖存信號的上升沿到來時，邏輯控制電路產(chǎn)生一個清零信號將計數(shù)器清零，為下一次測量做準(zhǔn)備，實現(xiàn)了可重復(fù)使用，避免兩次測量結(jié)果相加使結(jié)果產(chǎn)生錯誤。被測信號頻率通過計數(shù)鎖存可直接從計數(shù)顯示器上讀出。各點的波形如圖； 數(shù)字頻率計的工作時序波形其中，1路為未知頻率波形，2路為時基波形，3路為計數(shù)信號波形，4路為鎖存信號波形，5路為清零信號波形。邏輯控制單元的作用有兩個：其一，產(chǎn)生清零脈沖，使計數(shù)器每次從零開始計數(shù)；其二，產(chǎn)

8、生所存信號，是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定不變。這些信號之間的時序關(guān)系如圖2（b）所示數(shù)字頻率計由時基電路、控制電路、閘門電路、計數(shù)鎖存和清零電路、脈沖形成電路和譯碼顯示電路組成 第四章單元電路設(shè)計及分析4.1時基電路 時基電路的功能是產(chǎn)生一個高電平持續(xù)時間為1S的信號送到閘門電路以及一個周期為1S的信號送到邏輯控制電路。它由兩部分組成，是一個32768和一個CC4060芯片以及兩個T觸發(fā)器組成。32768的核心是晶體振蕩管，晶體振蕩管提供一個頻率穩(wěn)定的32768hz的方波信號，由32768和CC4060連成的電路產(chǎn)生的2HZ脈沖信號送到邏輯控制電路，此脈沖信號在經(jīng)過一個T觸發(fā)器分頻后得到高電平持續(xù)時間

9、為1S的脈沖信號送入閘門。 時基信號電路圖如下；4.2邏輯控制電路邏輯控制電路的功能是在計數(shù)器計數(shù)完成后產(chǎn)生一個3S的鎖存信號輸送到鎖存器的使能端將結(jié)果鎖存，并把鎖存結(jié)果輸送到譯碼器來控制七段顯示器，這樣就可以得到被測信號的數(shù)字顯示的頻率。而在鎖存信號的上升沿到來時，邏輯控制電路產(chǎn)生一個清零信號將計數(shù)器清零。邏輯控制電路由一個74LS160芯片和一個74LS138芯片組成以及兩個非門。選用74LS160和一個非門改裝成一個五進(jìn)制計數(shù)器，再把五進(jìn)制計數(shù)器前三個輸出端對應(yīng)的接到74LS138的三個輸入端A2，A1，A0，從時基電路送來的周期為1S的脈沖信號輸送到74LS160的端，于是在脈沖信號的

10、不斷作用下的輸出端從的非之間不斷變化。其中的非信號經(jīng)過一個非門送到計數(shù)器的，端使計數(shù)器能夠正常計數(shù)，的信號即是鎖存信號，送到鎖存器的端，的非信號是清零信號，送到鎖存器的端。其電路圖如下：4.3計數(shù)器計數(shù)器的功能是對閘門送來的被測信號的頻率進(jìn)行測量計數(shù)。根據(jù)精度要求，采用個十進(jìn)制計數(shù)器級聯(lián)，構(gòu)成六次方計數(shù)器。十進(jìn)制計數(shù)器仍采用實現(xiàn)。閘門電路的輸出送到每個的端，計數(shù)器在的后輸出信號的控制下對被測信號進(jìn)行脈沖送數(shù)。其中計數(shù)器的清零信號由的的非輸出端提供，控制信號由的的非輸出端提供，計數(shù)器輸出結(jié)果后送入鎖存器。其電路圖如下；4.4鎖存電路鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時的計數(shù)值進(jìn)行鎖存，使顯示器獲得

11、穩(wěn)定的測量值。因為計數(shù)器在1s內(nèi)要計算成千上萬個輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字將隨計數(shù)器的輸出而變化，不便于讀數(shù)。如圖2所示，1s的計數(shù)結(jié)束時。邏輯控制電路發(fā)出的鎖存信號，將計數(shù)器此時的值送到譯碼器，因此顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定的。選用了三片8D鎖存器74LS273可以完成上述鎖存功能。74LS273的真值表如表1所示。 表1 74LS273真值表 當(dāng)時鐘脈沖CP的上升沿到來時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將六個個十進(jìn)制計數(shù)器即個位、十位、百位、千位、萬位、十萬位的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無論輸入端D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍然保持原來的狀態(tài)。所以在計數(shù)周期內(nèi)，計數(shù)器的

12、輸出不會送到譯碼顯示器。鎖存電路如下：4.5顯示譯碼電路本部分電路由譯碼器和顯像管組成。在鎖存器將門控信號周期內(nèi)的計數(shù)結(jié)果存儲起來情況下，把所存儲的狀態(tài)送入譯碼器進(jìn)行譯碼，在顯示器上得到穩(wěn)定的計數(shù)顯示。4.6波形整形電路為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進(jìn)行放大與整形處理，使之成為能被計數(shù)器有效識別的脈沖信號。信號放大與波形整形電路的作用即在于此。波形整形一般由與非門邏輯電路構(gòu)成。整形電路由晶體二極管74LS00等組成。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它輸出信號進(jìn)行整形，從而得到方波脈沖。4.7閘門電路本部分電路由與門組成，該電路有兩個輸入端和一個輸出端，輸入端的一

13、端，接門控信號，另一端接整形后的被測方波信號。閘門是否開通，受門控信號的控制，當(dāng)門控信號為高電平“1”時，閘門開啟；而門控信號為低電平“0”時，閘門關(guān)閉。顯然，只有在閘門開啟的時間內(nèi)，被測信號才能通過閘門進(jìn)入計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)時間就是閘門開啟時間?？梢姡T控信號的寬度一定時，閘門的輸出值正比于被測信號的頻率，通過計數(shù)顯示系統(tǒng)把閘門的輸出結(jié)果顯示出來，就可以得到被測信號的頻率。4.8報警電路本設(shè)計要求用六位數(shù)碼管顯示，最高顯示為999999。因此，超過999999就要求報警，即當(dāng)十萬位達(dá)到9時，如果萬位上再來一個時鐘脈沖（即進(jìn)位脈沖），則千位計數(shù)器也會產(chǎn)生進(jìn)位信號，將此信號輸出后送給報警電路的輸

14、入端，驅(qū)動報警電路工作。 第五章安裝與調(diào)試過程 設(shè)計好以上每個模塊的電路后便可畫出整個數(shù)字頻率計的電路圖，然后列出所需要的元器件清單。拿到元器件按照整體電路圖安裝好數(shù)字頻率及的電路后，進(jìn)行調(diào)試，首先分模塊進(jìn)行調(diào)試，在每個模塊調(diào)試正確后，不規(guī)則進(jìn)行聯(lián)調(diào)。因為整個電路的分析是瞬態(tài)分析，故總體電路的分析需要較長時間。5.1電路的安裝過程1.連電路之前要先做好一切準(zhǔn)備，如；線檢查一下面包板是否完好，整理好要用的實驗工具，再將要用的芯片按型號分類，這樣在連接電路時又方便又不易出錯。2.開始連接電路，電路連接要求導(dǎo)線要橫平豎直并且最好不要交叉，所以要先考慮好電路的布局后根據(jù)電路連接合理的插接芯片，插芯片時

15、也要注意，要把所有的管腳都插進(jìn)去后要均勻平穩(wěn)的按下去，拔芯片的時候也要平穩(wěn)，以免折斷管腳。3.連電路是要分局部連接，每一個功能模塊要分開接，這樣連接的電路除了什么錯誤就比較容易發(fā)現(xiàn)并改正。5.2電路的調(diào)試過程1.用示波器來檢測石英晶體振蕩器的輸出波形和頻率，晶振正常的輸出頻率應(yīng)為32768HZ。2.將頻率為32768HZ的信號送入分頻器，并用示波器檢查各級分頻器的輸出頻率是否符合設(shè)計要求。3.用周期為1S的信號作邏輯控制電路的時基信號輸入，用發(fā)光二極管來檢查74LS138的的輸出端從的輸出端是否正常4.用周期為一秒的信號送入各計數(shù)器CP端，用發(fā)光二極管檢查個計數(shù)器的正常工作情況。5.最后用同樣

16、的方法 檢測鎖存器是否正常鎖存，譯碼器能否正常工作是顯示管顯示數(shù)字等。6.分頻，邏輯控制電路，計數(shù)，鎖存和顯示都沒有問題后，調(diào)試完成。5.3電路出現(xiàn)問題及解決方法1.在檢測面包板狀況中，出現(xiàn)本該相通的地方卻未通的狀況，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于接線點中間斷開所致，用導(dǎo)線連接急排除。2.在檢測整體電路時，發(fā)現(xiàn)電路短路的情況，并導(dǎo)致數(shù)碼管燒壞，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，是有好幾個芯片壞掉所致，更換新的數(shù)碼管和芯片就解決了問題。在檢測74LS160向74LS273送數(shù)的時候，發(fā)現(xiàn)74LS273的輸出始終為0000，測量各管腳的電壓后，發(fā)現(xiàn)是74LS160與74LS273之間的線少接了兩根，連接上后便能正常工作。去檢測6個7

17、4LS160芯片的進(jìn)位狀況時，發(fā)現(xiàn)千位到萬位的進(jìn)位無法正常進(jìn)行，經(jīng)過仔細(xì)排查，最后發(fā)現(xiàn)有兩個74LS160之間的線路連接有問題。3.檢測脈沖發(fā)生器時，發(fā)現(xiàn)脈沖發(fā)生器的 輸出始終為高電平，這可能是某些元器件損壞的緣故，在對每個元件逐一更換后發(fā)現(xiàn)是其中一個電阻壞掉了，更換該電阻后，秒脈沖發(fā)生器的輸出終于可以在高電平和低電平之間不斷地跳變了。4.在檢測74LS273的鎖存功能的時，發(fā)現(xiàn)輸入的頻率信號會被重復(fù)技術(shù)導(dǎo)致顯示的頻率為原來的兩倍，檢測后發(fā)現(xiàn)鎖存功能無法實現(xiàn)的原因是有兩根線沒有連接，在連接后，電路就恢復(fù)正常了。5.最后輸入被測信號的頻率測量，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼顯示的數(shù)值是輸入信號的一般，而有時候顯示的數(shù)

18、字卻又是正常的。發(fā)生這中不穩(wěn)定的現(xiàn)象時，我們開始初步認(rèn)定是分頻器的問題。在設(shè)計電路時候，我們采用的是一片74LS112雙JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成兩個T觸發(fā)器作為分頻器，于是我們最后使用了兩片74LS112雙JK觸發(fā)器，一片74LS112雙JK觸發(fā)器只轉(zhuǎn)換成一個T觸發(fā)器，采用了這次改變后，我們發(fā)現(xiàn)顯示的數(shù)值終于正常了。6整個連接的時間花了整整兩天，而調(diào)試卻花了三天的時間。可見數(shù)字電路的重點是調(diào)試工作，調(diào)試是設(shè)計的核心內(nèi)容，這是關(guān)鍵。第六章結(jié)果分析 經(jīng)過幾天的安裝與調(diào)試，最后終于出結(jié)果，實現(xiàn)了以下幾個功能：1)測量頻率范圍0999999Hz的頻率；2)最大讀數(shù)999999HZ,閘門信號的采樣時間為1s；.

19、3)被測信號可以是正弦波、三角波和方波；4)顯示方式為6位十進(jìn)制數(shù)顯示；5）具有超過量程光、聲報警功能。5)輸入信號最大幅值可擴(kuò)展。6）測量誤差小于+-0.1%。存在一定的誤差，原因：線路接口太多，為了保持接線的美觀，沒有很彎曲的線，所以只能弄折線，接線點就會增加，導(dǎo)致一定的誤差。報警功能也實現(xiàn)的比較好，當(dāng)實驗測量值超過一定的數(shù)值時，電路會自動報警。二極管也會自動亮。最終試驗整體電路圖：分為如下幾個模塊：整形電路、時鐘控制電路，計數(shù)模塊，鎖存模塊，譯碼顯示。輸入信號：時鐘基準(zhǔn)信號ip，待測信號fry 第七章心得及體會首先，經(jīng)過一個星期的課程設(shè)計，通過對各種資料的查閱，我發(fā)現(xiàn)了自己動手的樂趣。以

20、前所學(xué)的知識都被局限于課本之中，這次通過課程設(shè)計我體會到了，只要勇于探索和吸收，知識是無邊無境的。以前上課都是上一些最基本的東西而現(xiàn)在卻可以將以前學(xué)的東西作出有實際價值的東西。在這個過程中，我的確學(xué)得到很多在書本上學(xué)不到的東西，如：如何利用現(xiàn)有的元件組裝得到設(shè)計利用計算機(jī)來畫圖等等。但也遇到了不少的挫折，有時遇到了一個錯誤怎么找也找不到原因所在，找了老半天結(jié)果卻是接頭的方向接錯了，有時更是忘接電源了。在學(xué)習(xí)中的小問題在課堂上不可能犯，在動手的過程中卻很有可能犯。特別是在接電路時，一不小心就會犯錯，而且很不容易檢查出來。但現(xiàn)在回過頭來看，還是挺有成就感的。我的動手能力又有了進(jìn)一步的提高，我感到十分的高興.其次，這次課程設(shè)計中，我鍛煉了自己的自學(xué)能力和解決問題的能力。在這個過程中遇到了很多問題，比如如何畫圖，如何組織那種專業(yè)語言，上網(wǎng)、到圖書館查找相關(guān)的資料。雖然很費勁，但是其樂無窮。通過此次的設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)到這個設(shè)計對數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)要求非常高，我相信在今后的學(xué)習(xí)和工作中它也占據(jù)著非常重要的地位。