電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 LED數(shù)字頻率計(jì)

1、河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題：LED數(shù)字頻率計(jì)LED數(shù)字頻率計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計(jì)要求(1)會(huì)運(yùn)用電子技術(shù)課程所學(xué)到的理論知識(shí)，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)課題。(2)學(xué)會(huì)將單元電路組成系統(tǒng)電路的方法。(3)熟悉中規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體顯示器件的使用方法。(4)通過查閱手冊(cè)和文獻(xiàn)資料，培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力。培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)發(fā)展。1.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作4位LED數(shù)字頻率計(jì)，其示意圖如下：圖1.2二、方案設(shè)計(jì)與論證交流電信號(hào)或脈沖信號(hào)的頻率是指單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電振動(dòng)的次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)。用數(shù)學(xué)模型可表示為：f=Error! No bookmark n

2、ame given.式中f頻率。N電振動(dòng)次數(shù)或脈沖數(shù)。t產(chǎn)生N次電振動(dòng)或脈沖所需要的時(shí)間。首先必須把各種被測(cè)信號(hào)通過放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的另一必備環(huán)節(jié)是時(shí)基電路。所謂時(shí)基電路，就是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電路裝置。通常要求精確穩(wěn)定，所以采用1MHz或5MHz石英晶體振蕩器做成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)發(fā)生器。一般計(jì)數(shù)器則采用十位計(jì)數(shù)器，N進(jìn)制的計(jì)數(shù)器也就是N分頻器，其N進(jìn)位信號(hào)也可作為N分頻信號(hào)。如圖3.1.a所示為數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)原理總框圖，被測(cè)量信號(hào)經(jīng)過放大與整形電路傳入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，變成其所要求的信號(hào)，此時(shí)數(shù)字頻率計(jì)與被測(cè)信號(hào)的頻率相同，時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)

3、信號(hào)，此時(shí)利用所獲得的基準(zhǔn)信號(hào)來觸發(fā)控制電路，進(jìn)而得到一定寬度的閘門信號(hào)，當(dāng)1s信號(hào)傳入時(shí)，閘門開通，被測(cè)量的脈沖信號(hào)通過閘門，其計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)1s信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。根據(jù)公式得被測(cè)信號(hào)的頻率f=N*Hz。邏輯控制電路數(shù)碼顯示器譯碼器鎖存器計(jì)數(shù)器閘門電路放大與整形電路時(shí)基電路Fx圖3.1.a 數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)原理方框圖邏輯控制電路的一個(gè)重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時(shí)基信號(hào)輸入，使計(jì)數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時(shí)間，以便觀測(cè)和讀取數(shù)據(jù)。簡而言之，控制電路的任務(wù)就是打開主控門計(jì)數(shù)，關(guān)上主控門顯示，然后清零，這個(gè)過程不斷重復(fù)進(jìn)行?？刂齐娐啡鐖D3.1.b所示：圖3.1.b 邏輯控制電

4、路三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算3.1 時(shí)基電路為了獲得較為穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，以便準(zhǔn)確的控制主控門的開啟時(shí)間，其電路見圖3.2.1所示： VCC 圖3.2.1 時(shí)基電路本設(shè)計(jì)采取用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3.2.1所示。接通電源后，電容被充電，當(dāng)上升到時(shí)，使為低電平，同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過和T放電，下降。當(dāng)下降到時(shí)，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，將通過、向電容C充電，由上升到所需的時(shí)間為當(dāng)上升到時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是在電路的輸出端，就得到一個(gè)周期性的矩形波。其振蕩頻率為3.2 放大整形電路為保證測(cè)量精度，在整形電路的輸入端加

5、一前置放大器。對(duì)幅值較低的被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大后再送入整形器整形。如圖3.2.2為放大整形電路原理圖。此電路采用晶體管3DG100與74LS00等組成，其中3DG100為放大器，可對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行放大再傳入整形器中對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形。 圖3.2.23.3 邏輯控制電路邏輯控制電路的作用主要是控制主控門的開啟和關(guān)閉，同時(shí)也控制整機(jī)邏輯關(guān)系。本設(shè)計(jì)采用74LS123組成邏輯控制電路，先啟動(dòng)脈沖置成1，其余觸發(fā)器置成0，然后時(shí)基電路傳入脈沖，控制電路開始工作。被測(cè)信號(hào)通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)電路，于是計(jì)數(shù)器譯碼器同時(shí)工作，從而記下所測(cè)信號(hào)頻率值。當(dāng)控制電路轉(zhuǎn)為其他狀態(tài)時(shí)，閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止工作，數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測(cè)頻率

6、值。直到有一次循環(huán)，計(jì)數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失，到此為止，頻率計(jì)完成一次測(cè)量。脈沖信號(hào)可由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時(shí)間常數(shù)決定。由74LS123的功能得出，當(dāng)1、觸發(fā)脈沖從1A端輸入時(shí)，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端可獲得一負(fù)脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖3.1.b所示的波形和的要求，手動(dòng)復(fù)位開關(guān)S按下時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。邏輯控制電路如圖3.2.3所示： 邏輯控制電路圖3.2.33.4 計(jì)數(shù)器為了提高計(jì)數(shù)速度，可采用同步計(jì)數(shù)器。其特點(diǎn)是計(jì)數(shù)脈沖作為時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)接于各位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端，在每次時(shí)鐘脈沖沿到來之前，根據(jù)當(dāng)前計(jì)數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準(zhǔn)備好適當(dāng)?shù)?/p>

7、條件。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖沿到來時(shí)，所有應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時(shí)翻轉(zhuǎn)，同時(shí)也使用所有應(yīng)保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。由于頻率計(jì)的測(cè)量范圍09999Hz，因此采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90，它不僅可用于對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，還可用于分頻；此電路則需分頻，N位進(jìn)制計(jì)數(shù)器就是N分頻器。被測(cè)信號(hào)由閘門開通送入計(jì)數(shù)器，記錄所測(cè)信號(hào)頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測(cè)得頻率值；待閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止工作；電路則繼續(xù)工作進(jìn)行下次循環(huán)，計(jì)數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，頻率計(jì)完成一次測(cè)量。數(shù)字頻率計(jì)測(cè)周期基本原理如圖3.2.4所示圖3.2.4 數(shù)字頻率計(jì)測(cè)周期基本原理圖當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)，采用直接測(cè)頻方法由量程誤差一起的測(cè)量誤差太大，

8、為了提高測(cè)低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，應(yīng)先測(cè)周期，然后計(jì)算。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形電路變成方波，加到門控電路產(chǎn)生閘門信號(hào)，如，則閘門打開的時(shí)間也為10ms，在此期間內(nèi)，周期為的標(biāo)準(zhǔn)脈通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。若。則計(jì)數(shù)器記得的脈沖數(shù)=10000個(gè)。若以毫秒為單位，則顯示器上的讀數(shù)為10.000。以上分析可見，頻率計(jì)測(cè)周期的基本原理正好與測(cè)頻相反，即被測(cè)信號(hào)用來控制閘門電路的開通與關(guān)閉，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖。3.5 鎖存器鎖存器是構(gòu)成各種時(shí)序電路的存儲(chǔ)單元電路，其具有0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持，鎖存器是一種脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。在確定的時(shí)

9、間內(nèi)計(jì)數(shù)器的技術(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測(cè)量的數(shù)據(jù)寄存起來，送入譯碼顯示器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器。此電路采用74LS273鎖存器，其作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)鎖記得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。當(dāng)1s計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，通過邏輯電路產(chǎn)生信號(hào)送入鎖存器，將此時(shí)計(jì)數(shù)的值送入譯碼顯示器。選用兩個(gè)8位鎖存器74LS273可以完成上計(jì)數(shù)功能。當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變來到時(shí)，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端正脈沖結(jié)束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)的Q不變。所以在計(jì)數(shù)期間內(nèi)，

10、計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。圖3.2.5 鎖存器芯片四、設(shè)計(jì)方案的原理 4.1 設(shè)計(jì)原理圖根據(jù)系統(tǒng)框圖，方案論證，設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)原理圖如下圖3.3.1所示。在多諧振蕩器中，電路從暫穩(wěn)態(tài)過渡帶另一個(gè)狀態(tài)，其“觸發(fā)”信號(hào)是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外部觸發(fā)脈沖。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間是脈沖電路的主要參數(shù)，它與電路的阻容原件取值有關(guān)。電路中RC電路充、放電過程對(duì)相應(yīng)門輸入電平的影響是分析電路的關(guān)鍵。圖中根據(jù)課題要求，電路采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，為獲得較為穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，用來準(zhǔn)確的控制主控門的開啟時(shí)間。被測(cè)信號(hào)首先通過放大整形電路進(jìn)行整形，使其得到所需的整形信號(hào)，晶體振蕩

11、器的輸出信號(hào)經(jīng)整形和分頻器逐級(jí)分頻后，可獲得各種事件基準(zhǔn)。計(jì)數(shù)器是最常用的時(shí)序電路之一，計(jì)數(shù)器的種類不勝枚舉，按觸發(fā)器動(dòng)作分類，可分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器；按計(jì)數(shù)數(shù)值增減分類，可分為加計(jì)數(shù)器、減計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器；按編碼分類，又可分為二進(jìn)制碼計(jì)數(shù)器、BCD碼技術(shù)區(qū)、循環(huán)碼計(jì)數(shù)器。此設(shè)計(jì)采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過時(shí)基選擇開關(guān)，將所選用的時(shí)基信號(hào)作為控制電路的觸發(fā)信號(hào)（用8位寄存器，實(shí)際上就是觸發(fā)器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，它可以循環(huán)位移一個(gè)1電平，也可以循環(huán)位移一個(gè)0電平）,再將信號(hào)傳入邏輯控制電路中，控制電路輸出接往主控門，該輸出端僅在所選時(shí)間基準(zhǔn)內(nèi)維持高電平，使主控門開啟，被測(cè)信號(hào)在采樣時(shí)間內(nèi)通過

12、主控門，進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器數(shù)值由數(shù)字顯示器在數(shù)字頻率計(jì)面板上顯示出來。此即為所測(cè)信號(hào)之頻率值。譯碼器是組合邏輯電路的一個(gè)重要的器件，其可以分為：變量譯碼和顯示譯碼兩類。它們的工作原理和分析設(shè)計(jì)方法大同小異，其中二進(jìn)制譯碼器、二-十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器是三種最典型，使用十分廣泛的譯碼電路。顯示譯碼器，一般是將一種編碼譯成十進(jìn)制碼或特定的編碼，并通過顯示器件將譯碼器的狀態(tài)顯示出來。本設(shè)計(jì)譯碼顯示器則采用十進(jìn)制74LS48來實(shí)現(xiàn)，其作用是把BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào)，以獲得數(shù)字顯示。4.2 集成電路芯片清單元件型號(hào)數(shù)量備注穩(wěn)壓電路芯片LM7805 1片 雙5

13、55定時(shí)器芯片NE5561片或N E555定時(shí)器芯片 2片四雙與非門芯片74LS001片雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器芯片74LS1231片計(jì)數(shù)器芯片74LS90 4片 鎖存器芯片74LS273 2片顯示/譯碼驅(qū)動(dòng)芯片74LS48 4片 LED顯示器 共陰七段 4只圖3.3.1 數(shù)字率計(jì)原理圖五、安裝與調(diào)試接通電源后，用雙蹤示波器（輸入耦合方式置DC檔）觀察時(shí)基電路的輸出波形，其中t1=1s,t2=0.25s，否則重新調(diào)節(jié)時(shí)基電路中的R1 和R2，使其滿足要求，然后，改變示波器的掃描速率旋鈕，觀察74LS123的腳和腳的波形。74LS123真值表如下表3.4.1所示表3.4.1 74LS123真值表（2）將4

14、片計(jì)數(shù)器74LS90的2引腳全部接低電平，鎖存器74LS123的引腳都接時(shí)鐘脈沖，有各位計(jì)數(shù)器的引腳加入計(jì)數(shù)脈沖，檢查4位鎖存，譯碼，顯示器的工作是否正常。（3）有放大電路輸入端，加入，的正弦信號(hào)，用示波器觀察放大電路和整形電路的輸出波形，應(yīng)為與被測(cè)信號(hào)同頻率的脈沖波，顯示器上的讀數(shù)應(yīng)為1000。六、性能技術(shù)測(cè)試與分析6.1 頻率準(zhǔn)確度一般用相對(duì)誤差來表示，即式中為量化誤差（即±1個(gè)字誤差），是數(shù)字儀器所特有的誤差，當(dāng)閘門時(shí)間T選定后，越低，量化誤差越大；為閘門時(shí)間相對(duì)誤差，主要由時(shí)基電路標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度決定，。（2）頻率測(cè)量范圍及各電路的測(cè)試在輸入電壓符合規(guī)定要求值時(shí)，能正常進(jìn)行測(cè)

15、量的頻率區(qū)間稱為頻率測(cè)量范圍。頻率測(cè)量范圍主要由放大整形電路的頻率響應(yīng)決定。時(shí)基電路測(cè)試：在通直流時(shí)，用示波器測(cè)555電路引腳和輸出波形圖，引腳的波形應(yīng)如圖3.1.b所示波形II，調(diào)節(jié)電位器RP，使t1=1s,t2=0.25s，引腳的輸出波形應(yīng)為電容不斷充放電的過程。邏輯控制電路的測(cè)試：在通直流時(shí)，用示波器測(cè)左邊一片74LS123的引腳輸出波形，可以觀察到不斷有脈沖產(chǎn)生：另外合上控制開關(guān)S?？梢杂^察到數(shù)碼管為置零狀態(tài)。放大與整形電路的測(cè)試：有放大電路的輸入端加正弦小信號(hào)，用示波器觀察輸出端，可以觀察到信號(hào)幅度被放大，經(jīng)整形電路后，在輸出端可以觀察到矩形波信號(hào)。測(cè)試譯碼顯示部分：頻率計(jì)的數(shù)字顯示

16、位數(shù)決定了頻率計(jì)的分辨率。位數(shù)越多，分辨率越高。在74LS48輸入端，加入不同的高低電平組合，觀察數(shù)碼管能否顯示相應(yīng)的數(shù)字，判斷譯碼，顯示部分是否能工作正常。頻率測(cè)試：測(cè)量時(shí)間是頻率計(jì)完成一次測(cè)量所需要的時(shí)間，包括準(zhǔn)備、計(jì)數(shù)、鎖存和復(fù)位時(shí)間。先在放大整形電路輸出端加一大信號(hào)矩形波脈沖，調(diào)節(jié)頻率，觀察數(shù)碼管能否顯示相應(yīng)的數(shù)值，若與實(shí)際成一定比例關(guān)系則說明時(shí)基電路的t1，t2沒有調(diào)到相應(yīng)的大小，應(yīng)小幅度調(diào)節(jié)電位器RP使得顯示正確。若上述測(cè)試正常，說明整形放大電路以上的部分能夠正常工作，最后再加一小信號(hào)在放大電路的輸入端，觀察數(shù)碼管能否顯示相應(yīng)結(jié)果，從而判斷整個(gè)數(shù)字頻率計(jì)電路的工作情況。（3）對(duì)電路進(jìn)行分部分測(cè)試，可以準(zhǔn)確定位出現(xiàn)問題的具體位置，從而保證能夠很快地解決。7、 結(jié)論與心得基本能夠?qū)崿F(xiàn)頻率計(jì)數(shù)功能要虛心