數(shù)字頻率計-課程設(shè)計報告(1)

1、電氣與信息工程學(xué)院數(shù)字頻率計設(shè)計報告書前 言摘 要：在電子技術(shù)中，頻率是最根本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)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,其中數(shù)字計數(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，是頻率測量的重要手段之一。其原理為通過測量一定閘門時間內(nèi)信號的脈沖個數(shù)。本文闡述了設(shè)計了一個簡單的數(shù)字頻率計的過程。關(guān)鍵詞：頻率計，閘門，邏輯控制，計數(shù)-鎖存目 錄 設(shè)計目的設(shè)計任務(wù)和設(shè)計要求 2.1 設(shè)計任務(wù)及根本要求 2.2.系統(tǒng)構(gòu)造要求 系統(tǒng)概述 單元電路設(shè)計及分析 4.1 時基電路4.2邏輯控制電路4.3

2、計數(shù)電路4.4鎖存電路4.5顯示譯碼電路4.6 閘門電路安裝與調(diào)試過程 5.1 電路的安裝過程 5.2 電路的調(diào)試過程 5.3 出現(xiàn)的問題及解決方法結(jié)果分析收獲與體會元件清單 第九章 實現(xiàn)結(jié)果實物圖附錄A 參考文獻 第一章設(shè)計目的：了解數(shù)字頻率計測量頻率與測量周期的根本原理；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。本設(shè)計與制作工程可以進一步加深我們對數(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。針對電子線路課程要求，對我們進展實用型電子線路設(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)的理論與實踐嚴(yán)密結(jié)合，獨立地解決實際問題

3、的能力。 第二章設(shè)計任務(wù)及要求：設(shè)計一簡易數(shù)字頻率計，其根本要求是：1)測量頻率范圍09999Hz；2)最大讀數(shù)9999HZ,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)顯示方式為4位十進制數(shù)顯示；5)完成全部設(shè)計后，可使用EWB進展仿真，檢測試驗設(shè)計電路的正確性。2.2.系統(tǒng)構(gòu)造要求數(shù)字頻率計的整體構(gòu)造要求如下圖。圖中被測信號為外部信號，送入測量電路進展處理、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：頻率計的根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，比照測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測

4、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，但閘門時間越長那么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展測試，比方機械振動的頻率，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

5、應(yīng)用很廣泛的儀器數(shù)字集成電路廣泛用于計算機、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)最重要的根底產(chǎn)品之一，已廣泛地深入到各個應(yīng)用領(lǐng)域。 數(shù)字頻率計是直接用十進制的數(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)。假設(shè)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，那么其頻率為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

6、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，假設(shè)其周期為1s，那么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)秒信號進展控制當(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。秒信號完畢時閘門關(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)字頻率計由八局部組成: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

7、間為1S。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)時間信號進展控制，在時基脈沖的上升沿到來時閘門開啟，計數(shù)器開場計數(shù)，在同一脈沖的下降沿到來時，閘門關(guān)閉，計數(shù)停頓計數(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，防止兩次測量結(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

8、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)器每次從零開場計數(shù)；其二，產(chǎn)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2b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 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。它由兩局部組成，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)

9、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)時間為1S的脈沖信號送入閘門。 時基信號電路圖如下；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制計數(shù)器，再把五進制計數(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

10、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：計數(shù)器的功能是對閘門送來的被測信號的頻率進展測量計數(shù)。根據(jù)精度要求，采用個十進制計數(shù)器級聯(lián)，構(gòu)成六次方計數(shù)器。十進制計數(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展脈沖送數(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；鎖存器的作用是將計數(shù)

11、器在1s完畢時的計數(shù)值進展鎖存，使顯示器獲得穩(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，假設(shè)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)完畢時。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。正脈沖完畢后，無論輸入端D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍

12、然保持原來的狀態(tài)。所以在計數(shù)周期內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。鎖存電路如下：本局部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)送入譯碼器進展譯碼，在顯示器上得到穩(wěn)定的計數(shù)顯示。為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進展放大與整形處理，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，它輸出信號進展整形，從而得到方波脈沖。本局部電路由與門組成，該電路有兩個輸入端和一個輸出端，輸入端的一端，接

13、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入計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)時間就是閘門開啟時間。可見，門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。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，進展調(diào)試，首先分模塊進展調(diào)試，在每個模塊調(diào)試正確后，不規(guī)那么進展聯(lián)調(diào)。因為

14、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。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.開場連接電路，電路連接要求導(dǎo)線要橫平豎直并且最好不要穿插，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，插芯片時也要注意，要把所有的管腳都插進去后要均勻平穩(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擬容易發(fā)現(xiàn)并改正。電源的輸出波形和頻率，晶振正常的輸出頻率應(yīng)為0050HZ。0050HZ的信號送入分頻器，

15、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。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)是由于接線點中連續(xù)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，

16、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74LS160芯片的進位狀況時，發(fā)現(xiàn)千位到萬位的進位無法正常進展，經(jīng)過仔細排查，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

17、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)字卻又是正常的。發(fā)生這中不穩(wěn)定的現(xiàn)象時，我們開場初步認(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?？梢?/p>

18、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09999Hz的頻率；2)最大讀數(shù)9999HZ,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)顯示方式為4位十進制數(shù)顯示； 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。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根本的東西而現(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，我確實學(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