簡易數(shù)字頻率計電路CAD課設(shè)

1、 電路CAD課程設(shè)計報告設(shè)計題目： 簡易數(shù)字頻率計 專業(yè)班級： 電子信息 0701 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 同組學(xué)生： 簡易數(shù)字頻率計 摘 要在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分緊密的聯(lián)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種，其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是測量頻率的重要手段之一。電子計數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法；二是間接測頻法，如周期測頻法。本文闡述了基于通用集成電路設(shè)計了一個簡單的數(shù)字頻率計的過程。AbstractBe one of the most fundamn

2、etal parameter in electron technology medium frequency, parameter measurement scheme,measurement result all have very close something to do with a lot of electricity and,the frequency measurement looks like being more important therefore right away.The method measuring frequency has various,among th

3、em the electronic counter measures frequency having accuracy height,usage is conveient, measurement is prompt,easy to realize measurement process automation waits for merit and,is one of the important means that frequency measures.The electronic counter frequency having two kinds way:Measure frequen

4、cy law first directly;Two is indirect measure frequency law,if the period measure frequency law. 目 錄一、設(shè)計任務(wù)與要求3二、方案設(shè)計與論證3三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算41. 我所設(shè)計的電路單元42.各部分單元電路原理圖 53. 計頻電路部分64. 計頻電路部分電路原理圖 75. 單元電路總結(jié)8四、總原理圖及元器件清單91總原理9 2說明 10 3元器件清單 10五、結(jié)論與心得10六、設(shè)計后思考10參考文獻11一、設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計一個簡易數(shù)字頻率，該頻率計測量頻率小于10kHz。要求如下1. 要

5、求測量數(shù)據(jù)顯示3秒以上；2. 被測信號為幅值小于10V的脈沖或幅值小于10V的正弦交流電壓；3. 該系統(tǒng)框圖如圖1所示。電源電路計數(shù)器鎖存電路譯碼顯示電路輸入電路圖1 簡易數(shù)字頻率計原理框圖二、方案設(shè)計與論證由于本次設(shè)計內(nèi)容要求將正弦波或三角波轉(zhuǎn)化為方波來進行計頻，所以在本次電路中加入了整形電路部分，時基電路部分采用脈沖信號發(fā)生器來實現(xiàn)，閘門電路部分與鎖存部分電路整合到了計時部分電路中，并將計頻電路部分單獨列為一框圖。邏輯控制電路由若干與非門及與門來實現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如下：計數(shù)器整形電路時基電路閘門電路被測信號鎖存器譯碼顯示器邏輯控制電路圖2 數(shù)字頻率計原理框圖圖2中，各單元電路的工作原理下：（1

6、）整形電路：將輸入頻率為周期的信號（如正弦波、三角波等）進行整形，使之成為矩形脈沖。（2）時基電路：作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)時間信號 (高電平持續(xù)時間為1s)。（3）閘門電路：閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數(shù)器開始計數(shù)，直到1s信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，停止計數(shù)。若在閘門時間1S內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N，則被測信號頻率fx=NHz。邏輯控制電路：作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖信號，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生“0”脈沖（清零信號），使計數(shù)器每次測量從零開始計數(shù)（4）計數(shù)器：對脈沖信號進行記錄。（5）鎖存器：在邏輯控制電路控制下鎖存信號。（6）譯碼器：譯碼器的主要任務(wù)是將計數(shù)器的輸出工作狀態(tài)，翻譯成數(shù)

7、字并顯示出來。（7）邏輯控制電路：對計數(shù)器進行清零，并控制鎖存器。三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算1. 我所設(shè)計的電路單元（1）計數(shù)電路部分 經(jīng)過分析決定將電路設(shè)計為三部分，這是計時電路部分。頻率計測量的是被測信號1s內(nèi)的周期數(shù)，因此需通過此計數(shù)器來實現(xiàn)對一秒鐘的控制，當(dāng)一秒鐘到時需控制計頻電路停止計數(shù)，鎖存數(shù)據(jù)，并且該計數(shù)器也要顯示出計頻完成。此部分是通過一個100Hz的交流電源來實現(xiàn)的，需要74160芯片。當(dāng)計數(shù)到100時最高位數(shù)碼管顯示1，其余顯示0。通過與門的控制使計數(shù)一直停留在100。當(dāng)100到達時，最高位數(shù)碼管的4腳是高電平，與電源電壓通過與非門，變成低電平輸入16腳，使最低位芯片斷電，

8、停止計數(shù)，這樣整個計數(shù)器就保持在了100。同時通過與非門的控制輸入計頻部分的7腳、10腳，控制計頻電路。此時正好為1s。經(jīng)過查找資料，決定選用74160芯片。此芯片為同步加法計數(shù)器，引腳排列如圖3所示。CT74LS160的邏輯功能如下：CLR=0時異步清零。RCO=0CLR =1、LOAD=0時同步并行置數(shù)。RCCLR=LOAD=1且ENT=ENP=1時，按照BCD碼進行同步十進制計數(shù)。RCO=QD.QACLR= LOAD =1且ENT=ENP=0時，計數(shù)器狀態(tài)保持不變。圖3 74160芯片74160芯片價格便宜，容易買到。而且功能強大，抗干擾能力強。后來想到，其實不用用3個74160芯片，1

9、個2個都行，只需要將交流電源的頻率改成對應(yīng)的就行，1個芯片就設(shè)置成1Hz，2個芯片就設(shè)置成10Hz，只要能實現(xiàn)計時一秒就行。同時，不需要那么多與門電路，可以跟計頻器一樣，通過15腳的控制來實現(xiàn)芯片信號的鎖存。以上兩種情況還可以減小延時造成的影響。（2）整流電路部分 此部分是將正弦波、三角波等各種波形轉(zhuǎn)換成矩形波，形成矩形脈沖，輸入計頻電路。主要應(yīng)用了555定時器，用信號發(fā)生儀發(fā)出脈沖信號，作為輸入信號。2. 各部分單元電路原理圖（1）計數(shù)電路部分原理圖如圖5圖5 計數(shù)電路部分原理圖上圖顯示的結(jié)果為計數(shù)停止時的結(jié)果（2）整流電路部分原理圖如圖6圖6 整流電路部分原理圖在電路中加入示波器方便觀察波

10、形，便于仿真，驗證實驗結(jié)果。仿真結(jié)果見圖7、8。圖7 正弦波轉(zhuǎn)化為矩形波圖8 三角波轉(zhuǎn)化為矩形波從仿真結(jié)果可以看出實驗成功3. 計頻電路部分（3）計頻電路單元本單元采用四片7610芯片，來實現(xiàn)從09999Hz的頻率記錄。本單元可以進行擴展，如果進行更高頻率的測量，只需添加芯片即可。如，測量范圍到99999Hz，只需添加一片芯片即可。另外需要4個數(shù)碼管來實現(xiàn)數(shù)值的顯示。Vcc提供電源，輸入各芯片的16腳。根據(jù)芯片的邏輯功能，當(dāng)1腳、9腳為高電平，且7腳、10腳為高電平時進行計數(shù)。第一個芯片的7腳、10腳通過計數(shù)部分來控制。當(dāng)輸入的為低電平時，停止計數(shù)，并且鎖存數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的鎖存。右邊的芯片

11、，即高位靠低位芯片15腳的輸出來控制是計數(shù)還是鎖存數(shù)據(jù)。通過與門電路送入高位芯片的7、10腳。通過邏輯功能分析可以很好的理解芯片的工作原理。用EWB5.0中的邏輯分析儀來測試74160的邏輯功能，A、B、C、D、E分別對應(yīng)1、2、7、10、15腳。其結(jié)果見圖4。圖4 74160的真值表該單元的計時時間通過計時電路部分來控制，而需測量的脈沖信號由整形電路部分輸送，通過時鐘信號端2腳送入該單元。這個單元是通過查找資料得來的，該原理圖簡單直觀，易于理解。但原來的原理圖上有很多問題。比如最低位上的數(shù)據(jù)不能鎖存。原來是計數(shù)部分發(fā)來的脈沖送入16腳，這樣的話相當(dāng)于計時時間到了以后最低位芯片斷電，致使最低位

12、數(shù)據(jù)不能鎖存?，F(xiàn)在將16腳直接接高電平，而將7、10腳接在計時電路送來的脈沖上，這樣，就可以實現(xiàn)最低位的鎖存。另外，通過自己的類推以及仔細思索，將電路擴展，得到了10kHz的頻率計。4. 計頻電路部分電路原理圖（3）計頻電路部分原理圖如圖9圖9 計頻部分電路分析：圖9為頻率8000Hz時的示數(shù)。將各輸出端分別接到邏輯分析儀上，通過邏輯分析儀來測試各芯片的邏輯關(guān)系，如圖10。圖10 用邏輯分析儀分析電路由于邏輯分析儀的計時只能到98.3ms，所以只截取了一部分。圖11 用邏輯分析儀分析電路仿真結(jié)果通過驗證，原理圖正確。5. 單元電路總結(jié)本設(shè)計由三部分組成，分別是計時電路部分、計頻電路部分和整形電

13、路部分。三部分緊密相連。本次設(shè)計的原理很簡單，通俗易懂。計時電路計時到1s時停止計時，同時控制計頻電路停止計頻。被測信號通過整形電路進入測頻電路。四、總原理圖及元器件清單1總原理圖圖12 總原理圖圖13 PCB電路版圖2說明計時電路部分、計頻電路部分和整形電路部分三部分組成整個原理圖。計時電路利用交流電源作為脈沖信號，該交流電源頻率為100Hz，計時到1s時停止計時，同時通過與非門控制計頻電路停止計頻。被測信號通過整形電路進入測頻電路時鐘端2腳。完成測頻。3元器件清單表1 頻率計電路原理圖中的元件清單元件序號主要參數(shù)封裝數(shù)量備注C110nFRAD0.21IC67408DIP141IC17416

14、0DIP161IC274160DIP161SSGD37_seg_hexSIP41IC47408DIP141SSGD17_seg_hexSIP41IC374160DIP161IC77408DIP141IC87400DIP141SSGD27_seg_hexSIP41IC97408DIP141IC5555DIP81CLK1100SIP21五、設(shè)計心得通過本次對簡易數(shù)字頻率計的設(shè)計，不僅對電路CAD課程有了更加深刻的學(xué)習(xí)，還有對先修課程數(shù)字電路邏輯和模擬電子計數(shù)的鞏固。通過本次設(shè)計可以更加熟練地運用EWB軟件，以及如何將EWB電路生成適用于Protel99se的網(wǎng)絡(luò)表.NET文件，最后實現(xiàn)PCB圖，熟知了EWB各器件及其使用方法，熟悉了各仿真器件的操作過程。此次設(shè)計的原理圖式經(jīng)網(wǎng)絡(luò)資源找到的，一開始不是很熟悉其功能機構(gòu)，在EWB上仿真時，發(fā)現(xiàn)其計頻電路并不能很好的實現(xiàn)，最后經(jīng)過與同學(xué)的探討與學(xué)習(xí)，將其修改后得到所預(yù)期的實驗現(xiàn)象。頻率計計頻=1/100*計數(shù)數(shù)*計頻數(shù)。六、設(shè)計后思考：為什么計數(shù)電路中用到三個74160？計數(shù)電路中若是用一個74160的話，計數(shù)只能從0到1的現(xiàn)實，不能實現(xiàn)計數(shù)的功能，若不能實