數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告—數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、. 課題：數(shù)字頻率計(jì)摘要本文介紹了一種基于TTL系列芯片的簡易數(shù)字頻率計(jì)。數(shù)字頻率計(jì)應(yīng)用所學(xué)的數(shù)字電路知識進(jìn)展設(shè)計(jì)。電路由放大整形電路、時(shí)基電路、邏輯控制電路、計(jì)數(shù)鎖存電路及譯碼顯示電路組成。能夠較精準(zhǔn)的測量幅值在0.2V5V的正弦波、三角波、方波的頻率。測量圍能夠到達(dá)1Hz9999Hz。關(guān)鍵詞：頻率計(jì)，TTL芯片，數(shù)字電路AbstractIn this paper,a design of simple digital cymometer based on the TTL serises chips was described.This design is based on the knowl

2、edge about the digital circuit we learned.It consists of amplifier and shaping circuit , time-base circuit, control circuit, latch circuit and decoding count show circuit.It can be used to accurately detect the frequency of sine wave, triangle wave and square wave accurately that the amplitude is be

3、tween 0.2V and 5V. Detecting range can be achieved 1Hz 9.99kHz.Key words: cymometer, the TTL series chips,digital circuit目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc234898046摘要 PAGEREF _Toc234898046 h IHYPERLINK l _Toc234898047關(guān)鍵詞 PAGEREF _Toc234898047 h IHYPERLINK l _Toc234898048Abstract PAGEREF _Toc234898048

4、h IIHYPERLINK l _Toc234898049引言 PAGEREF _Toc234898049 h 1HYPERLINK l _Toc2348980501總體方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc234898050 h 2HYPERLINK l _Toc2348980512單元電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc234898051 h 3HYPERLINK l _Toc2348980522.1放大整形電路 PAGEREF _Toc234898052 h 3HYPERLINK l _Toc234898053方案一 PAGEREF _Toc234898053 h 3HYPERLINK l _

5、Toc234898054方案二 PAGEREF _Toc234898054 h 4HYPERLINK l _Toc234898055方案比照 PAGEREF _Toc234898055 h 4HYPERLINK l _Toc2348980562.2時(shí)基電路 PAGEREF _Toc234898056 h 5HYPERLINK l _Toc234898057方案一 PAGEREF _Toc234898057 h 5HYPERLINK l _Toc234898058方案二 PAGEREF _Toc234898058 h 5HYPERLINK l _Toc234898059方案比照 PAGEREF

6、_Toc234898059 h 6HYPERLINK l _Toc2348980602.3邏輯控制電路 PAGEREF _Toc234898060 h 6HYPERLINK l _Toc2348980612.4計(jì)數(shù)器 PAGEREF _Toc234898061 h 7HYPERLINK l _Toc2348980622.5鎖存器 PAGEREF _Toc234898062 h 8HYPERLINK l _Toc2348980633主要參數(shù)計(jì)算 PAGEREF _Toc234898063 h 9HYPERLINK l _Toc2348980643.1時(shí)基電路參數(shù) PAGEREF _Toc2348

7、98064 h 9HYPERLINK l _Toc2348980653.2邏輯控制電路 PAGEREF _Toc234898065 h 9HYPERLINK l _Toc2348980664總體電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc234898066 h 10HYPERLINK l _Toc2348980675仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc234898067 h 12HYPERLINK l _Toc2348980686實(shí)物測試結(jié)果分析 PAGEREF _Toc234898068 h 14HYPERLINK l _Toc2348980697體會與心得 PAGEREF _Toc234898069

8、h 15HYPERLINK l _Toc2348980708參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc234898070 h 16HYPERLINK l _Toc234898071附錄一電路實(shí)物圖 PAGEREF _Toc234898071 h 17HYPERLINK l _Toc234898072附錄二元件清單 PAGEREF _Toc234898072 h 18. 引言在電子技術(shù)中，頻率是一個(gè)重要參量。應(yīng)用計(jì)數(shù)法原理制成的數(shù)字式頻率測量儀器具有準(zhǔn)確度高，測頻圍寬，便于實(shí)現(xiàn)測量過程自動化等一系列突出特點(diǎn)，所以數(shù)字式頻率測量計(jì)(簡稱數(shù)字式頻率計(jì))已成為目前測量頻率的主要儀器?？傮w方案設(shè)計(jì)圖1 組成框圖

9、25放大整形電路鎖存器邏輯控制電路閘門電路譯碼顯示器計(jì)數(shù)器時(shí)基電路12326被測信號經(jīng)過放大整形整形之后變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號1。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號2由時(shí)基電路提供其高電平持續(xù)時(shí)間為1s，計(jì)數(shù)器對1s時(shí)間中的脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)1s信號完畢時(shí)，時(shí)基電路產(chǎn)生信號2，閘門電路關(guān)閉，邏輯控制電路產(chǎn)生鎖存信號6是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定，清零信號5是計(jì)數(shù)器從0開場計(jì)數(shù)。假設(shè)在閘門時(shí)間1s計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則被測信號頻率為N(Hz)。各信號的時(shí)序圖如圖二所示。圖2 波形關(guān)系單元電路設(shè)計(jì)放大整形電路對信號的放大功能由三極管構(gòu)成放大電路來實(shí)現(xiàn)，對信號整形的功能由施密特觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。施密特觸發(fā)器電路是一種特殊的數(shù)

10、字器件，一般的數(shù)字電路器件當(dāng)輸入起過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當(dāng)輸入小于這個(gè)閾值時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)，而施密特觸發(fā)器不是單一的閾值，而是兩個(gè)閾值，一個(gè)是高電平的閾值，輸入從低電平向高電平變化時(shí)，僅當(dāng)大于這個(gè)閾值時(shí)才為高電平，而從高電平向低電平變化時(shí)即使小于這個(gè)閾值，其仍看成為高電平，輸出狀態(tài)不這；低電平閾值具有一樣的特點(diǎn)。方案一放大整形電路由三極管與與非門組成。三極管構(gòu)成的放大器將輸入頻率為f* 的周期信號如正弦波、三角波、等進(jìn)展放大。將電源電壓設(shè)為5V,當(dāng)輸入信號幅值比擬大時(shí)，會出現(xiàn)線性失真，將放大后的波形幅度控制在5V以。與非門構(gòu)成施密特觸發(fā)器對放大器的輸出信號進(jìn)展整形，使之成為矩形脈沖

11、。電路圖如圖3所示。圖3 放大整形電路方案二放大局部同方案一，整形局部是由555構(gòu)成的施密特整形電路。電路圖如圖4所示。方案比照用與非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器因?yàn)殚撝惦妷阂资苁軠囟?、電源電壓及干擾的影響，穩(wěn)定性較差。而555定時(shí)器的比擬器靈敏度高，輸出驅(qū)動電路大，并且且555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器構(gòu)造簡單，而且抗干擾能力比用與非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器要強(qiáng)，因此選用方案二。圖4 555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器圖5 時(shí)基電路時(shí)基電路方案一時(shí)基電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號高電平持續(xù)時(shí)間為1s可用定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器作為時(shí)基電路。多諧振蕩器又稱矩形波發(fā)生器，電路不具有穩(wěn)定狀態(tài)，但是具有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，當(dāng)

12、電路由一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)是，其觸發(fā)信號是由電路部電容充放電提供的，因此無需外部觸發(fā)脈沖，電路工作就是在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換。在此方案中時(shí)基信號2由引腳3輸出。脈寬由電阻R1、R2及電容C4決定。電路圖如圖5所示。555定時(shí)器部的比擬器靈敏度高，而且采用差分電路形式，用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。方案二時(shí)基電路可用晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成。晶振頻率取32768Hz，晶振產(chǎn)生脈沖經(jīng)分頻器14級二分頻后輸出2Hz脈沖高、低電平各持續(xù)1s。方案比照方案一中晶振分頻產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間精度要高于方案二中的555多諧振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。但是555定時(shí)器電路元件

13、較少，構(gòu)造簡單使用較方便。而且由于設(shè)計(jì)要求精度不是很高，所以采用方案二。邏輯控制電路根據(jù)圖2所示波形，在時(shí)基信號2完畢時(shí)產(chǎn)生的下跳沿來產(chǎn)生鎖存信號6,鎖存信號6的下跳沿又用來產(chǎn)生清零信號5.脈沖信號6和5可由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度有電路的時(shí)間常數(shù)決定。電路如圖6所示。圖6 控制電路74LS123的功能表如下：由74LS123的功能表可得當(dāng)MR=B=1、觸發(fā)脈沖從A端輸入時(shí)，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端Q可獲得一個(gè)正脈沖，端可獲得一負(fù)脈沖。74LS123的12、13引腳的輸出的波形關(guān)系正好滿足圖2所示波形5和6要求。手動復(fù)位開關(guān)S按下時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。輸入MR011

14、A100B011輸出Q000正脈沖正脈沖正脈沖111負(fù)脈沖負(fù)脈沖負(fù)脈沖表1 74LS123的功能表計(jì)數(shù)器該局部常用的二五十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器74LS90。將Q0與 CPB相連，脈沖從CPA輸入，構(gòu)成8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其功能表如表2所示R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)Q3Q2Q1Q01100000110000011100100計(jì)數(shù)000000表2 74LS90功能表當(dāng)R9(1)R9(2)=0，且R0(1)R0(2)=0時(shí)，計(jì)數(shù)器工作。計(jì)數(shù)器電路如圖7所示，R9(1)=0，R0(1)=SIGNAL5(SINGAL5為邏輯控制電路產(chǎn)生的清零信號)。CPA輸入要計(jì)數(shù)的脈沖。計(jì)數(shù)電路如圖

15、7所示。圖7 計(jì)數(shù)鎖存譯碼顯示電路鎖存器在1s的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號高電平完畢時(shí)，鎖存器將計(jì)數(shù)器此時(shí)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)展鎖存，使顯示器上能夠穩(wěn)定地顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。如圖2所示1s計(jì)數(shù)時(shí)間完畢時(shí)，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號6，將此時(shí)計(jì)數(shù)器的值送譯碼顯示器?？蛇x用8D鎖存器74LS273可以完成上述功能。當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變到來時(shí)，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖完畢后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)人保持原來的狀態(tài)不變。所以在計(jì)數(shù)期間，計(jì)數(shù)器的輸出不會送到譯碼器顯示器，即顯示器的示數(shù)不會變。計(jì)數(shù)鎖存譯碼顯示電路如圖7。主要參數(shù)計(jì)算時(shí)基電路參數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)基信號高

16、脈沖持續(xù)時(shí)間為，令低脈沖信號持續(xù)時(shí)間為,則振蕩器的頻率為由公式：可計(jì)算出電阻、及電容C的值。假設(shè)取電容，則取R2 39K；，取邏輯控制電路鎖存信號6和清零信號5脈沖的總的寬度要小于時(shí)基信號負(fù)脈沖的寬度。令鎖存信號和清零信號的脈沖寬度均為，則由公式，取電阻，則，取標(biāo)稱值總體電路設(shè)計(jì)被測信號經(jīng)由晶體管3DG100組成的放大器放大后，送到由555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的輸入端進(jìn)展整形，使之成為計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號。由于放大電路的電源值為5V,所以輸入信號比擬大時(shí)，會出現(xiàn)線性失真，放大后的信號不會太大，超過5V。當(dāng)時(shí)基脈沖處于高電平時(shí)，閘門電路翻開，計(jì)數(shù)器對輸入的脈沖進(jìn)展計(jì)數(shù)?？傠娐穲D如圖8所示。圖8

17、頻率計(jì)總電路圖時(shí)基脈沖高電平持續(xù)時(shí)間是1s。當(dāng)1s計(jì)數(shù)完畢時(shí)，閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)停頓；74LS123的13引腳產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，脈沖送到鎖存器的時(shí)鐘脈沖輸入端，鎖存器將計(jì)數(shù)器此時(shí)的結(jié)果鎖存并顯示。此時(shí)顯示的數(shù)字就是被測信號的頻率。74LS123的13引腳產(chǎn)生的正脈沖下調(diào)時(shí)，74LS123的12引腳產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，對計(jì)數(shù)器進(jìn)展清零。鎖存和清零的全過程必須在時(shí)基信號處于低電平時(shí)完成，即在時(shí)基信號下一個(gè)高電平到來之前，74LS123的12引腳產(chǎn)生的負(fù)脈沖完畢，恢復(fù)到高電平。如果在時(shí)基信號下一個(gè)高電平到來以后74LS123的12引腳產(chǎn)生的負(fù)脈沖才完畢，則計(jì)數(shù)器計(jì)的計(jì)算的將是少于1s的時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)，最后顯示

18、將小于實(shí)際值。仿真結(jié)果在軟件Protus中畫好電路圖進(jìn)展仿真。開場的仿真結(jié)果并不正確，顯示的頻率和設(shè)定的輸入信號頻率差距很大，例如輸入信號頻率設(shè)為100Hz,顯示數(shù)值為46。經(jīng)過觀察各個(gè)功能模塊的輸出，通過分析發(fā)現(xiàn)問題出在控制電路產(chǎn)生的鎖存信號和清零信號的脈沖寬度上，經(jīng)過閘門電路后的信號、時(shí)基信號、鎖存信號和清零信號的波形圖如圖9所示圖9 信號時(shí)序圖波形從上到下依次為經(jīng)過閘門電路后的信號、時(shí)基信號、鎖存信號和清零信號。當(dāng)時(shí)基信號的1s高電平完畢時(shí)，鎖存信號上跳，計(jì)數(shù)結(jié)果顯示在數(shù)碼管上，當(dāng)鎖存信號下跳，清零信號上跳，計(jì)數(shù)器清零端置1，直到清零信號脈沖完畢，計(jì)數(shù)重新開場。從圖9中可以看出，清零信號

19、脈沖完畢之前，時(shí)基信號早已處于高電平，所以計(jì)數(shù)不是從時(shí)基信號上跳時(shí)開場計(jì)數(shù)的，當(dāng)1s的時(shí)基信號高脈沖還沒完畢時(shí)，清零信號又處于高電平狀態(tài)。顯示結(jié)果當(dāng)然不正確。檢查邏輯控制局部電路，線路并沒有連接錯誤，將元件參數(shù)改小一些后，結(jié)果還是沒有錯誤。最后決定將時(shí)基信號低電平時(shí)間延長，設(shè)為2s。由于555定時(shí)器組成的多諧振蕩器輸出信號低電平持續(xù)時(shí)間是小于高電平持續(xù)時(shí)間的，所以在振蕩器的輸出加了一個(gè)反相器，以到達(dá)目的。修改電路后仿真的結(jié)果如下：波形正弦波三角波幅值0.550.2頻率110001909010999顯示數(shù)字19991908210波形三角波方波幅值5V0.25頻率10050001900019998

20、顯示數(shù)字10049991899319990當(dāng)誤差最大時(shí)，準(zhǔn)確度為0.008因?yàn)?4LS計(jì)數(shù)器是異步計(jì)數(shù)器，所以頻率越高計(jì)數(shù)速度越慢。實(shí)物測試結(jié)果分析對所做實(shí)物進(jìn)展測試時(shí)采用了先整體后局部的測試方法。整體測試：對電路進(jìn)展整體測試時(shí)，數(shù)碼管顯示亂碼，沒有實(shí)現(xiàn)對頻率進(jìn)展測量的功能。故對電路進(jìn)展分級測試，查看各局部功能是否實(shí)現(xiàn)。局部測試：由555定時(shí)器構(gòu)成的時(shí)基電路實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的矩形波發(fā)生器這一功能，高電平持續(xù)時(shí)間為1s，低電平持續(xù)時(shí)間為2s；由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了對波形進(jìn)展整形的功能；基于74LS273的鎖存電路局部能夠?qū)崿F(xiàn)對計(jì)數(shù)信號的鎖存；基于74LS48的譯碼顯示電路局部能夠?qū)?/p>

21、現(xiàn)對鎖存信號的譯碼顯示功能。此外，由3DG130構(gòu)成的放大電路，基于74LS90的計(jì)數(shù)電路和基于74LS00的清零電路都因?yàn)榇嬖诩?xì)節(jié)問題而暫時(shí)實(shí)現(xiàn)不了各自的功能，有待進(jìn)一步檢查修改。體會與心得在這次數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中，雖然應(yīng)用的都是在書本上學(xué)過的知識，但是只有應(yīng)用到實(shí)際中才算真正的學(xué)懂了這些知識。本次數(shù)字頻率計(jì)的涉及到了三極管放大電路、555應(yīng)用，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時(shí)應(yīng)用，時(shí)序電路的計(jì)數(shù)、鎖存，組合電路的譯碼顯示等。涉及了數(shù)電所學(xué)的大局部容。通過這次課程設(shè)計(jì)實(shí)踐穩(wěn)固了學(xué)過的知識并能夠較好的利用。這對自己是一次很好的實(shí)踐鍛煉時(shí)機(jī)。課程設(shè)計(jì)實(shí)踐不單是將所學(xué)的知識應(yīng)用于實(shí)際，在設(shè)計(jì)的過程中，只擁有理論知識是不夠的。邏輯思維、電路設(shè)計(jì)的步驟和方法、考慮問題的思路和角度等也是很重要，需要我們著重注意鍛煉的能力。在這次設(shè)計(jì)中還發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)際常常常