頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、贛南師院物理與電子信息學(xué)院數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告書姓名： 班級(jí)：09電子信息工程本科班 學(xué)號(hào)： 時(shí)間： 2010年 6 月5 日 目 錄1設(shè)計(jì)要求2設(shè)計(jì)方案的選擇與論證 2.1 設(shè)計(jì)思路2.2 設(shè)計(jì)方案的選擇3單元電路設(shè)計(jì)與分析3.1 數(shù)字頻率計(jì)的基本原理 3.2 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 3.2.1 放大整形電路 3.2.2 時(shí)基電路 3.2.3 二分頻電路3.2.4 邏輯控制電路3.2.5 鎖存及譯碼顯示電路4 電路圖及設(shè)計(jì)文件 4.1系統(tǒng)電路原理圖4.1.1時(shí)基電路部分原理圖4.1.2分頻電路部分原理圖4.1.3計(jì)數(shù)功能部分原理圖4.1.4譯碼鎖存顯示原理圖4.1.5總設(shè)計(jì)原理圖5.電路的安裝與調(diào)

2、試6. 元件清單7 .設(shè)計(jì)心得及體會(huì)8. 參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)題目：頻率計(jì)的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)要求1.1 計(jì)數(shù)器被測(cè)信號(hào)的頻率范圍為199hz；1.2 用二位數(shù)碼管顯示測(cè)量數(shù)據(jù)；1.3 設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)頻率時(shí)間為2s；1.4需要有保持時(shí)間，以便讀取被測(cè)信號(hào)的頻率顯示值。2設(shè)計(jì)方案的選擇與論證2.1設(shè)計(jì)思路（原理圖） 圖2.1 簡易數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖2.2 設(shè)計(jì)方案的選擇方案一：整個(gè)電路綜合使用了與門、非門、555定時(shí)器、顯示器、74ls48譯碼器、74ls273鎖存器、74ls90計(jì)數(shù)器等等的邏輯器件和施密特、可重觸發(fā)器等模擬電子器件來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求且可用三位顯示。 圖3.2.1方案一原理圖設(shè)計(jì)方案二：采用cd401

3、10為十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，具有加減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器功能來替代74ls48譯碼器、74ls273鎖存器從而使電路變得簡單易行。方案三：采用80c51單片機(jī)以及外加電路實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)數(shù)功能。初步想法是利用定時(shí)計(jì)數(shù)器對(duì)外部脈沖進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)。經(jīng)比較，方案一是傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)方法，但是其中涉及器件多，將整體電路分成了多個(gè)模塊，焊電路板時(shí)不易合理進(jìn)行分部，制造工藝?yán)щy且成本高；方案二中采用cd40110可以將冗雜的電路化簡，可以減少器件，降低成本，使焊接電路更美觀的同時(shí)，讓電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)可以更容易發(fā)現(xiàn)問題所在。對(duì)比之下，方案三應(yīng)是三個(gè)方案之中涉及原件最少的方案，鑒于方案三中主要所涉及的軟

4、件編程以及外加電路處理還沒有較為深刻的認(rèn)識(shí)，所以最后決定采用方案二進(jìn)行整體電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)個(gè)人硬件設(shè)施方面的能力。3單元電路設(shè)計(jì)與分析3.1 簡易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的基本原理：所謂頻率計(jì)又稱為頻率計(jì)數(shù)器，是一種專門對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè)量儀器。其最基本的工作原理為：在特定時(shí)間間隔t內(nèi)測(cè)得被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)為n時(shí)，則被測(cè)信號(hào)的頻率可表示為f=n/t 頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成：放大整形電路，時(shí)基電路，邏輯控制電路，鎖存器。在一個(gè)測(cè)量周期過程中，被測(cè)周期信號(hào)在輸入電路中經(jīng)過放大、整形操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個(gè)輸入端。主門的另外一個(gè)輸入端為時(shí)基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘

5、門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測(cè)信號(hào)的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來完成各種測(cè)量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)置。3.2 數(shù)字頻率的設(shè)計(jì)3.2.1 放大整形電路放大整形電路由晶體管3dg100與74ls00或cd4011等組成，其中3dgl00組成放大器將輸入頻率。為f x 的周期信號(hào)如正弦波、三角波等進(jìn)行放大，與非門74ls00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對(duì)放 大器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖?；蛑苯虞斎胍粋€(gè)矩形脈沖。圖3.2.1 放大整形電路3.2.2 時(shí)基電路555定時(shí)器應(yīng)用為多諧振蕩電路時(shí)，當(dāng)電源接通vcc通過電阻r1.

6、r2向電容c充電，其上電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)u上升至2/3vcc，會(huì)使比較器c1輸出翻轉(zhuǎn)，輸出電壓為零，同時(shí)放電管t導(dǎo)通，電容c通過r2放電；當(dāng)電容電壓下降到1/3vcc，比較器c2工作輸出電壓變?yōu)楦唠娖?，c放電終止，vcc通過r1。r2又開始充電；周而復(fù)始，形成振蕩。則其振蕩周期與充放電時(shí)間有關(guān)，也就是與外接元件有關(guān)，不受電源電壓變化影響。輸出波形的振蕩周期可用過渡過程公式計(jì)算： 、當(dāng)時(shí)， 把代入三要素方程。于是可解出: ，又、 、當(dāng)時(shí)，代入公式,于是可解出：振蕩周期 t于是為了產(chǎn)生周期為2秒的脈沖，可以使、同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)rp來使得555產(chǎn)生的振蕩頻率在)1hz4hz，即實(shí)現(xiàn)秒脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)

7、，同時(shí)方波信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間長，低電平持續(xù)時(shí)間短，ne555的3號(hào)腳輸出頻率為2 hz的秒脈沖。時(shí)基電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（高電平持續(xù)時(shí)間為 1s），由定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生。若振蕩器的頻率 f0 = 1/(t1 +t 2 )= 0.8hz，則振蕩器的輸出波形如圖1中的波形ii所示，其中t1=2s，t2=0.25s。由公式t1=0.7(r1+r2)c和t2=0.7r2c，可計(jì)算出電阻r1、r2及電容c的值如圖3.2.2圖3.2.2 ne555產(chǎn)生秒脈沖3.2.3 二分頻電路由數(shù)字電路的學(xué)習(xí)課程可知，將2號(hào)引腳與6號(hào)引腳連接在一起可以構(gòu)成d觸發(fā)器，則可以構(gòu)成二分頻電路，由于

8、該課程設(shè)計(jì)持續(xù)時(shí)間為2秒，則記得的頻率數(shù)據(jù)則是實(shí)際的2倍，因此，在此電路設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)增加一個(gè)二分頻電路，使得數(shù)碼管顯示的數(shù)字與輸入的實(shí)際脈沖頻率一致。圖3.2.3 d觸發(fā)器分頻電路圖3.2.4邏輯控制電路十進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器cd4017，其內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是o0、o1、o2、o9依次出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。 cd4017有10個(gè)輸出端（o0o9）和1個(gè)進(jìn)位輸出端o5-9。每輸入10個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，可得到1個(gè)進(jìn)位正脈沖，該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。rst（圖中為15號(hào)腳r）為清零端，當(dāng)在rst端上加高電平或正脈沖時(shí)其

9、輸出為高電平，其余輸出端（o1o9）均為低電平。當(dāng)cd4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。當(dāng)555的3號(hào)端輸出的方波振蕩信號(hào)經(jīng)f3反向之后，作為控制信號(hào)加到4017的clk端（圖中為14號(hào)腳）產(chǎn)生時(shí)序控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)2s內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)，即頻率檢測(cè)，數(shù)字的保持及自動(dòng)清零。當(dāng)f3輸出端輸出第一個(gè)高電平脈沖信號(hào)時(shí)，這個(gè)脈沖使得q1輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?，?017的第二個(gè)脈沖到來之前q1將一直保持高電平。當(dāng)?shù)谌齻€(gè)脈沖到來時(shí)，q2端變?yōu)榈碗娖剑琿3端變?yōu)楦唠娖?，但由于q3端與4017的清零端連接，這個(gè)高電平使4017清零q1， q2， q3，端圖3

10、.2.4 cd4017芯片圖全變?yōu)榈碗娖?，?017的q3端輸出瞬間高電平通過二極管加到了40110的清零端，使得計(jì)數(shù)器及數(shù)顯清零，以便下次重新計(jì)數(shù)。（注：此處所說的q1q9即為圖中的y0y9）3.2.5 鎖存及譯碼顯示電路40110 為十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，具有加減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。 40110 有2 個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端cpu 和cpd 分別用作加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入和減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入。由于電路內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)預(yù)處理邏輯，因此當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘輸入端計(jì)數(shù)工作時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘輸入端可以是任意狀態(tài)。 40110 的進(jìn)位輸出co 和借位輸出bo 一般為高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)器從

11、09 時(shí)，bo 輸出負(fù)脈沖；從90 時(shí)co 輸出負(fù)脈沖。在多片級(jí)聯(lián)時(shí)，只需要將co 和bo分別接至下級(jí)40110 的cpu 和cpd 端，就可組成多位計(jì)數(shù)器。引出端符號(hào)： bo 借位輸出端， co 進(jìn)位輸出端， cpd 減計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端，cpu 加計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端，cr 清除端，/ct 計(jì)數(shù)允許端，/le 鎖存器預(yù)置端， vdd 正電源 ，vss 地，ya6g 鎖存譯碼輸出端。如圖3.2.5在當(dāng)?shù)谌齻€(gè)脈沖到來之前，q2輸出端保持高電平時(shí)間為2秒，即為數(shù)字保持時(shí)間，可在2秒讀取被測(cè)信號(hào)的頻率顯示值。第三個(gè)脈沖到來之后，當(dāng)4017的q3端輸出瞬間高電平時(shí)，通過二極管加到了cd 40110（1），

12、（2）的清零端，使得計(jì)數(shù)器及數(shù)顯清零，以便下次重新計(jì)數(shù)。所以cd40110在電路中起到了計(jì)數(shù)，鎖存，譯碼的多重功能作用。圖3.2.5 cd40110芯片圖4 電路圖及設(shè)計(jì)文件4.1時(shí)基電路部分原理圖圖4.1時(shí)基電路部分4.2分頻電路功能部分原理圖圖4.2分頻電路部分4.3計(jì)數(shù)功能部分原理圖圖4. 3計(jì)數(shù)功能部分原理圖4.4譯碼鎖存顯示原理圖圖 4. 4譯碼鎖存顯示原理圖4.5 總設(shè)計(jì)電路原理圖圖4.5簡易數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器總設(shè)計(jì)原理圖5.電路的安裝與調(diào)試將所焊接作品的電源(實(shí)際電源大約57v即可)以及地線都接好，2位數(shù)碼管將無規(guī)律的跳變，但具有停留在某一數(shù)字1-2秒的功能，即具有鎖存的功能，當(dāng)通過

13、調(diào)節(jié)秒脈沖發(fā)生器，即555時(shí)基電路，可以調(diào)節(jié)cp脈沖的頻率使得函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的方波頻率與2位共陰的數(shù)碼管顯示的頻率相同，然后改變函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率在099hz變化，這時(shí)數(shù)碼管顯示的頻率也將會(huì)隨著改變，并顯示的頻率與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器顯示的頻率相同。允許有細(xì)小范圍內(nèi)的誤差存在，若函數(shù)信號(hào)發(fā)生器顯示方波頻率為24hz，則數(shù)碼管顯示頻率也大致為24hz.則表明該電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字頻率計(jì)的功能。6. 元件清單7. 設(shè)計(jì)心得及體會(huì)通過這次數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)的制作，整個(gè)設(shè)計(jì)過程，我查找了許多的資料，同時(shí)也像參加了電子競賽的同學(xué)請(qǐng)教了一番，得到一個(gè)思想：每一個(gè)設(shè)計(jì)都應(yīng)想著怎樣用最少的材料和資源來實(shí)現(xiàn)每一

14、個(gè)設(shè)計(jì)功能！如果用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)課程設(shè)計(jì)或許會(huì)更精簡，但剛開始的時(shí)候我的單片機(jī)課程學(xué)習(xí)并不是十分扎實(shí)，感到相當(dāng)可惜。于是，比較了幾種方案，最終決定選擇用集鎖存，加減計(jì)數(shù)，譯碼等功能于一體的cd40110芯片，從而使得設(shè)計(jì)簡化了很多，并且可以代替計(jì)數(shù)和譯碼等芯片。通過這個(gè)設(shè)計(jì)過程，不僅加深了我對(duì)數(shù)字電路基礎(chǔ)這門課程的理解，強(qiáng)化了我對(duì)相關(guān)知識(shí)的記憶，而且提高了我對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力以及愛好，激發(fā)了我對(duì)這門課程的熱愛。另外，在設(shè)計(jì)的過程中，通過使用各種學(xué)習(xí)、應(yīng)用軟件，例如：word、protel99se等，我發(fā)現(xiàn)自己對(duì)這些軟件工具的使用也越來越熟練。通過這次設(shè)計(jì)，我知道了獨(dú)立思考問題的重要性，從中

15、發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)勢(shì)和不足，但是我也勉勵(lì)自己要不斷進(jìn)步，并對(duì)未來充滿信心和希望。另外，在學(xué)習(xí)的過程中，又一次驗(yàn)證了一歌道理，我們應(yīng)當(dāng)懷著謙虛的態(tài)度不斷地去向他人學(xué)習(xí)和請(qǐng)教，只有這樣才可以更加地完善自己！還有就是我們應(yīng)該嚴(yán)肅謹(jǐn)慎地對(duì)待每一個(gè)細(xì)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的過程中，線路的連接要仔細(xì)，只要一不小心，連錯(cuò)了線就容易致使芯片爆炸或者元件受損，特別是在線路較多的時(shí)候，犯下這種錯(cuò)誤，則會(huì)引發(fā)不必要的麻煩。綜上，本次課程設(shè)計(jì)，不僅使我對(duì)數(shù)字電路有了更進(jìn)一步的熟悉與理解，同時(shí)也加強(qiáng)了我的思維能力和動(dòng)手設(shè)計(jì)的能力。8 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：1閻石.數(shù)字電子技術(shù)m 高等教育出版社,2006:219-223,489-4942謝自美.電子線路實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、測(cè)試m .武漢：華中科技大學(xué)出版社，20063彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)m .湖南：高等教育出版社，1997:189-1904贛南師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)m：18-235王港元.電工電子實(shí)踐