数电课程设计简易频率计的设计仿真与制作.pdf

课程设计任务书学生姓名：王明明 专业班级：电信0906班指导教师：杨媛媛 工作单位：信息工程学院 题 目：简易频率计的设计仿真与制作_初始条件：本设计既可以使用集成脉冲发生器、计数器、译码器、单稳态触发器、锁存器、放大器、整形 电路和必要的门电路等，也可以使用单片机系统设计。用数码管显示频率计数值。要求完成的主要任务：(包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求)1、课程设计工作量：1周内完成对简易频率计的设计、仿真、装配与调试。2、技术要求：设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为OOOOHzo测量频率范围：109999Hz。测量信号类型：止弦波、方波和三角波。测量信号幅值：0.55V。设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S。确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：1)第1-2天，查阅相关资料，学习设计原理。2)第3-4天，方案选择和电路设计仿真。3)第4-5天，电路调试和设计说明书撰写。4)第6天，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。指导教师签名:年 月 口系主任(或责任教师)签名:年月W1武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书目录1.概述.42.数字频率计整体电路的设计原理与框图.52.1 算法设计.52.2 整体方框图及原理.73.数字频率计各单元电路的设计.93.1 放大整形电路.93.2 时基电路.113.3 逻辑控制电路.123.4 计数、锁存、译码显示电路的设计.134.Proteus 仿真.145.遇到问题的解决方法.176.心得体会.187.参考文献.19附录一数字频率计总图.20附录二 元件清单.213武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书1.概述电路课程设计是在我们完成了数字电路和模拟课程学习后，为加深对课程内 容的理解，提高同学们运用基本原理的能力进行的一次综合运用所学知识进行独 立设计并完成设计的大型实验，有助于提高大家的动手能力和分析思考解决问题 的能力。我们选择的简易频率计的设计，经过近一周的论证和实验成功完成了设计 任务，各种指标符合或基本符合要求，通过老师验收。本报告是对这次课程设计 的一个总结，将课程设计所运川原理，设计过程，搭建电路，调试电路及发现解 决问题和课程设计心得体会等以报告的形式写出，为本次课程设计划上一个圆满 的句号，同时也是对写正式设计报告的一次锻炼，为大四毕业设计做一个准备。本次报告内容综合性较强，参考了比较规范的报告模板形式，由本组实验的 两位同学独立完成，由于写正式报告的经验不足，不规范之处在所难免，还请老 师批评指正数字频率计是通过一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测 量其他信号的频率。通常是计算每秒内的脉冲个数，也就是我们所称的闸门时间 为1秒。闸门时间不定，但闸门时间影响频率计的准确度，闸门时间越长，得到 的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越 短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。数字频率计是用数字 显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信 号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的 仪器。本次课程设计中画图与仿真主要用到了 Proteus软件，Proteus是一款 电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC,元件库齐全，有各种虚拟 仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器。具有模拟电路仿真、数字电 路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真，使川和操作起来非常方 便。4武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书2.数字频率计整体电路的设计原理与框图所谓频率，就是周期性信号在单位时间内变化的次数.若在一定时间间隔t 内测得这个周期性信号的重复变化次数为n,则其频率可表示为f-t若在闸门时间1S内计数器计得的脉冲个数为n,则被测信号频率等于nHz。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或 其它周期性变化的信号。它一般由放大整形电路、时基电路、逻辑控制电路、闸 门电路、计数器、锁存器、译码器、显示器等几部分组成。其基本原理是川一个 频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计 算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。计数信号并与锁存 信号和清零复位信号共同控制计数、锁存和清零三个状态，然后通过数码显示器 件进行显示。2.1 算法设计频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所 示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。闸门信号闸门输出信号被测信号 I I I I I 1 I I I 1 I I t图2-1频率测量算法示意图5武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图2-2频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1S的闸门信号。改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1S闸门 脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以 计算被测输入信号的周期数），当1S闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记 录的周期个数为1S内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的 误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1S内被测信号的周期量误差 在10 口量级，则要求闸门信号的精度为10 f量级。例如，当被测信号为1kHz 时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10 f,闸门信号的误差不大于0.ls,固由此造成的计数误差不会超过1,符合5*10三 的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的 情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在5M0 口范围内。但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如，当被测信 号为0.5Hz时其周期是2s,这时闸门脉冲仍未Is显然是不行的，故应加宽闸门 脉冲宽度。假设闸门脉冲宽度加至10s,则闸门导通期间可以计数5次，由于数 值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.6武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书2.2 整体方框图及原理图2-3数字频率计整体框图输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电 路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通 过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号 的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较 大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输 入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号 得以放大。频率测量：测量频率共有3个档位。被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形 波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号有555定时器构 成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸 门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始 7武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。周期测量：测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周 期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准 时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周 期。用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲 计数值；Ts为时基信号周期。时基电路：时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂 态时间分别为Tl=0.7(Ra+Rb)C T2=0.7RbC重复周期为T=T1+T2 o由于被测信号范围为IHz-lMHz,如果只采用一 种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范 围设为几档：lHz999Hz档采用Is闸门脉宽；0.01kHz999kHz档采用0.1s 闸门脉宽；O,lkHz999kHz档采用OQls闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分频 电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1ms、0.1ms 0.01mso闸门时间要 求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用 晶体振荡器作为标准时基信号。在实验中我们采用的就是前一种方案。在电路中 引进电位器来调节振荡器产生的频率。使得能够产生1kHz的信号。这对后面的 测量精度起到决定性的作用。计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上 升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计 数完成后的数字。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工 作波形的示意图如图2-5.8武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书!JirmnruinrL._ruu.m F请零信号 Un rwin_n_ n_n_n_n_n_v 一 -n锁存信号 ni被测信号n闸门信号m清零信号 v镇存信号图2-4控制电路工作波形示意图3.数字频率计各单元电路的设计3.1 放大整形电路放大整形电路由晶体管放大器与74LS00等组成，放大器将输入频率为的周 期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对 放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。以便进行测量。其中由，端 输入未知频率的波，74LS00组成的施密特触发器将从晶体管放大器放大的信号 进行整形变换，得到需要的方波。电路图如图3-1所示。9武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图3-1放大整形电路实验中截图如下:图3-2三角波到方波的整形10武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书n T 2-7 川 4“89 CUm -5 ui*3七*winon faw。DC图3-3正弦波到方波的整形3.2 时基电路时基电路的作川是产生一个标准时间信号，高电平持续时间是1S,由定时 器555构成的多谐震荡器产生，当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体震 荡器分频获得。若震荡器的频率/。二1代+编8压，其中乙=ls，G=0.25s。由公式乙7（&+夫2）。和，2=67&。，可计算出电阻RI、R2及电容C的值。若取电容C=10uF,则R2=Z2/0.7C=35.7kQRi=/0.7。）一次 2=107 kQ所以取为36kC,此为107 k0 时基电路图如图3-2所示。11武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图3-4时基电路3.3 逻辑控制电路在时基信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信号的负跳变又用 来产生清”0信号。脉冲信号可由两个单稳态触发器74LSI23产生，它们的脉冲 宽度由电路的时间常数决定。设锁存信号和清”0信号的脉冲宽度相同，如果要求tw=0.02s,则有 tw=0.45Rx/Cx=0.02s，若取 Rx=10kC,贝U Cx=tw/0.45Rx=4.4uf,取标称值 4.7uf,由74LSI23的功能表可得，当触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作 川下，输出端1Q可获得一正脉冲端，一非Q端可获得一负脉冲，其波形关系正 好满足要求。逻辑控制电路图如图3-3所示。12武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图3-5逻辑控制电路逻辑控制电路中用的芯片是74LS123,74LS123是常用的可重触发单稳态触 发器。3.4 计数、锁存、译码显示电路的设计这部分电路是频率计内作重要的电路部分，由计数器、锁存器、译码器、显 示器和单稳态触发器组成。其中计数器按十进制计数，由2个异步十进制计数器74IS90构成，一次从 个位开始计数，向上位发出进位信号进而使高位开始计数。计数输出如果电路中 不接锁存器，则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化，要使计数 器停止计数时，显示器上的数字显示能稳定，就必须在计数器后接入锁存器。锁 存器的工作是受单稳态触发器控制的。门控信号的下降沿使单稳态触发器1进入 暂稳态，单稳1的上升沿作为锁存器的时钟脉冲。为了使计数器稳定、准确的计 数，在门控信号结束后，锁存器将计数结果锁存。单稳1的暂态脉冲的下降沿使 单稳2进入暂态，利用2的暂态对计数器清零，清零后的计数器又等待下一个门 控信号到来重新计数。锁存器的作川是将计数器在1s结束时所得的数进行锁存，使显示器稳定地 显示此时计数器的值。1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此 时计数器的值送至数码显示器。选用锁存器74LS273可以完成上述功能。当时 钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D,从而将计数器的 13武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态 仍保持原来的状态不变。所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。锁存器在一个有效脉冲到来后将计数器输出信号锁存，并输出到数码管译码 器，4片译码器用74LS48实现。电路图如图3-4所示。图3-6计数、锁存、译码电路4.Proteus 仿真绘制好电路图后，进行仿真运行，首先调节输入波的频率，如图4-1所示。设置为50Hz,点击0K后对电路进行仿真，数码显像管的显示值为50,如图4-2 所示。14武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书Generator Name:口Analogue Types DC SinePulsePwlin FileAudio Exponent SFFMDigital Types Steady State Single Edge Single Pulse ClockPatternCurrent SourceIsolate Before7 Manual Edits?Hide Properties0 K|图4-1频率设置窗口图4-2仿真结果再改变输入波的频率，如图4-3所示，设置为1000H乙进行仿真结果为993H乙 如图4-4所示。误差在允许的范围内。15武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书Generator Name:f?Analogue Types DC Sine Pulse Pwlin File Audio Exponent SFFMDigital Types Steady State Single Edge Single Pulse Clock PatternOffset(Volts):|0 囹Amplitude(Volts):令 Amplitude:p 合Peakc RMS:I 闱 Frequency(Hz):Period(Secs):Cycles/GraphDelay:Time Delay(Secs)j Phase(Degrees):|6Current Source Isolate Before?Manual Edits?Hide PropertiejDamping Factor(1/s)10OK I Cancel图4-3频率设置窗口OAac ao DC.5 DU图4-4仿真结果该仿真结果表明：上述电路符合实验任务要求，且精确度较高,能够准确的 测量。16武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书5.遇到问题的解决方法由于设计的严密性，出现问题主要是由两方面的原因造成的，一是器件本身 的质量问题，这种情况解决办法是更换器件。二是由于不细心造成的电路连接错 误，这种情况比较麻烦，因为连接线较多，解决这种问题的主要方法是仔细检查 电路，连接电路时加强组内的合作与监查，把人为原因造成的错误减小到最少。自己确实检查不出来可请同学检查，因为有时自己的错误确实难以自己发现。试 验中我们主要遇到了以下几个问题：1、数码管不显示数字。解决方法：查看数码管是否损坏，损坏的话更换数码管，试验中更换了两个 数码管，后来得知是由于数码管电压过高，于是在数码管上审上了几个电阻问题 解决。检查电路是否连接正确，连接是否松动，电源是否供上，将电源接好接正 确，各接线处接牢。2、计数器不计数解决方法：这个问题不仅仅是我们组遇到的情况，好多组都有类似情况，这 时可单独连接一个外电路，把74LS90单独测试，结果发现还是不行，后来是因 为方波信号没有设置偏移，设置后计数正常，并发现有一块90损坏，更换后计 数正常。3、放大整形电路输出不是方波解决方法：这个主要是设计出现问题，把输入端搞反了，后来回宿舍仿真后 更换端子，问题解决。试验过程中还有一些比较小而杂的问题都是由主观因素造成，有时是器件功 能的记忆混乱，有时是连接松动，接触不良，有时是操作失误，但老师的话是对 的，有问题自己去发现去解决，器件的问题是很少的，出问题还是从自己身上找 原因，后来原因找到，问题都解决。17武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书6.心得体会本次课程设计给了我们一次锻炼自己，提高自己动手和思考分析以及解决问 题的能力，我们为自己的作品废寝忘食但乐在其中，无怨无悔。从开始的第一大 我们不是在宿舍搞仿真就是在实验室连接调试电路，工作量之大前所未有，以往 的实验都是在老师的指导下非独立完成，可本次实验主要靠的就是自己的能力，查阅资料，访问互联网，跑图书馆，咨询老师和同学，可谓八仙过海各显神通。如此小小实验竟让我们如此疯狂，可以想象那些搞集成电路的工程师是如何的伟 大，实验中若非有那种科学严谨，忘我认真的工作精神，如此的工作量怎么能够 完成，加上我们的条件还不是很好，只有面包板而不是试验箱，示波器和信号源 也不是很好使，如果不认真，不能克服心浮气躁，问题出现便不可能找到原因，不可能解决问题。有条件我们上，没有条件我们创造条件也要上，就像我国的航 大事业，靠的就是一种不怕苦不怕难的精神，靠的就是科学工作者为科学事业而 献身的奉献精神，靠的就是科学严谨，遇事沉着冷静的工作精神，认真负贡的 敬业精神。实验中我们体会到了掌握基础知识的重要性，那样会使我们在工作中用到时 得心应手，而不是知其然而不知其所以然，运用时糊糊涂涂造成麻烦。尤其体会 最深的是我们武工大基础扎实、工作踏实、作风朴实和开拓创新这一“三实一新”的校风，以往不能体会是因为没有遇到这种情况，今后我们必将走向工作，我现 在很肯定地认为这种作风将伴我们走过一生，在我们的工作和生活中发挥巨大的 作用。本次实验培养了我们团结合作的精神，很多问题都是在共同的努力下共同完 成的，这也让我意识到，未来的工作中这种合作精神将更为必要，在大学本科未 来的两年中我们要加强培养这些我们将来作为科技工作者必备的优良素质，把握 各种机会锻炼自己，为自己的未来做好必要的能力和素质储备。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多的确，从选题到定稿，从理论到实 践，在短短的两个星期的日子里，有苦有甜。同时也学到很多很多新的东西，虽 然时间有限但是自己很多方面都有了提升，如动手能力和解决问题的能力。18武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书课程设计刚开始拿到题目时，对于理论知识学习不够扎实的我深深感到了自 己的不足，便重新看了教材，对知识进行了梳理，掌握了基本理论知识。这样对 平时学习的不足和缺陷就有所弥补。遇到过各种各样的问题，没有扎实的理论知 识是无法解决的。只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论，通过实际动手去验证理论，在这二者的配合下，我们不仅可以成功的完成课程设 计，而且还可以掌握和巩固所学知识，充实自己的知识储备。同时也可以使自己 的实际动手能力和独立思考的能力在一定程度上得到提升，使自己能更好的适应 社会的要求。通过本次课程设计，我在发现问题、分析问题和解决问题的能力得到了提升。培养了我的设计思维，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与 设计上有了很大的进步。同时也让我在面对问题的时候不再像以前那样惊慌失 措，而是慢慢分析问题，逐步去解决问题，实现各个击破。培养我们独立思考的能力，和逻辑的分析能力.例如设计前必须胸有轮廓，首先该了解频率计数器的基本原理，各单元组成.进而理解各电路单元的组成结 构，如何运用已知的器件实现某个条件，达到目的.总之，通过本次课程设计，我收获颇丰，一方面使自己各方面能力在一定程 度上得到提升，另一方面是自己切身体会到数字电子技术的实用性和有效性，增 加了自己对数电学习和电子制作的兴趣。同时在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。7.参考文献1谢自美编.电子线路设计.华中科技大学出版社，20032康华光编.电子技术基础数字部分（第五版）.华中科技大学出版社，20063李响初编.数字电路基础与应用.机械工业出版社,20084刘洪涛编.电子制作实用教程.电子科技大学出版社,20015朱清慧编.电子线路设计.清华大学出版社,20086周跃庆编.数字电子技术基础教程.天津大学出版社,20067傅劲松编.电子制作实例集锦.福建科学技术出版社,200619武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书附录一数字频率计总图20武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书附录二元件清单174LS1232片25551片374LS484片474LS904片574LS2732片674LS921片774LS002片8数码显示器4只93DG1001只10电阻电容若干21