数电课程设计

1、武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目：数字频率计初始条件：具备电子电路的基础知识和设计能力；具备查阅资料的基本方法；熟悉常用的电子器件；熟悉电子设计常用软件的使用；要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、设计频率检测电路；2、测量信号与TTL电平兼容，频率范围：0HZ100KHZ；3、数码管显示频率；4、掌握数字电路的设计及调试方法；5、撰写符合学校要求的课程设计说明书。时间安排：时间一周，其中2天原理设计，3天电路调试指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师

2、）签名： 年 月 日目录摘要11. 数字频率计的设计总体方案21.1数字频率计的简介22. 电路模块设计62.1计数电路62.2显示电路72.3计时电路72.4译码电路83. 系统总体电路图9 3.1计数显示部分电路93.2闸门逻辑控制电路104. 软件仿真图115.实物调试125.1实物制作125.2实物显示结果图135.3误差分析145.4元件清单156 心得体会16参考文献171摘要本文介绍了一种测量仅与TTL电平兼容的信号的数字频率计，其频率的测量范围为0HZ到100KHZ，此次设计频率计思路主要是利用计数原理，通过一定的时基控制电路能在1秒钟以内让计数器工作于计数状态，最后在1秒钟内

3、将计数值进行锁存输出显示，即可得到待测信号频率 ，涉及到的集成芯片主要有十进制计数芯片74LS390用于数码管显示的译码器CD45114093构成的施密特触发器以及时基芯片555构成的不可重复单稳态触发器，共同完成了数字频率计的设计。关键词：TTL电平兼容信号，计数，频率计 1. 数字频率计的设计总体方案1.1数字频率计的简介(1) 数字频率计概述数字频率计设计是用来对脉冲信号和正弦信号等各种波形进行频率测量的仪器，它将测量的结果直接用十进制数显示出来。数字频率计测量目标是输入信号的频率，改变输入信号的幅值，波形不会影响对频率的测量。如果是低频信号，将输入信号转换为与输入信号同频率的而且符合控

4、制器幅值要求的信号输入到控制器，控制器将采集到的信号按预先编制的程序转换为控制信号，输出到显示器件上。如果是高频信号，则控制器无法直接采集，可以将输入信号经处理后在分频输入到控制器上，控制器根据采集到的信号计算出原信号的频率，输出控制信号并且由显示电路显示计算结果。信号处理功能由信号调理电路完成。数字频率计主要是采用数字电路制做成的能实现对周期性变化信号频率测量的仪器。频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。通常说的，数字频率计是指电子计数式频率计。 （2） 频率计测量方法频率计的测量方法很多，因其工作原理的不同导致有很多的测

5、量方法。比如有比较法、无源测量法示波器法和计数法 ，最常用的的是计数法，计数器法测量电路简单可靠，而且频率的测量精度还较高，便于直接进行数字化的显示。计数法测量频率又分为直接测频法和间接测频法。（3） 频率计组成结构一般以计数原理来制作的频率计是由时基控制电路，放大整形电路，计数电路以及显示电路等部分组成，频率计的组成框图如下： 图1-1频率计系统1.2电路方案设计方案1： 采用频率计模块(如ICM7216)构成，特点是结构简单，量程可以自动切换。ICM7216内部带有放大整形电路，可以直接输入模拟信号。外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。用转搀开关选

6、择10ms，01s，ls，10s四种闸门时间，同时量程自动切换，直接点亮LED。 方案2： 系统采用可编程逻辑器件(PLD，如ATV2500)作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。该方案利用了PLD的可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但此题使用PLD则不能充分发挥其特点及优势，并且测量精度不够高，导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。 方案3： 系统采用MCS一51系列单片机89C51作为控制核心，性能好，价格便宜。由于单片机的计数频率上限较低(12MHz晶振时约500kHz)，所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理，89C51则完成运算、控制及显示

7、功能。由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进方案4：通过单片机软件实现，利用单片机内部所集成的定时器，在编程基础定时周期1秒，然后设置I/O端口为计数模式，并且设置中断时间为1秒，然后直接用单片机I/O端口驱动数码管进行显示，计数值即为所测频率。具体流程如下：I/O端口设置为计数模式为1秒定时器设置为1秒单片机为主控制器1秒中断后数据锁存输出显示设置1秒钟的定时中断图1-2软件实现流程图方案5：通过直接计数法测频率，利用计数芯片和时基控制电路实现对脉冲进行计数，在1秒内对脉冲进行计数，其1秒内计数值通过锁存器进行锁存后输出，然后通过显示电路显示计数

8、值，其计数值则为测量频率。其方案设计流程图如下所示：输入脉冲 计数电路1秒后完成数据锁存数据显示定时1秒计数计时电路 图1-3数字芯片实现测量频率流程图测频法的基本思想是：对频率为f的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为TG）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N，信号频率为f=N/TG如图1-4 所示。    图1-4 测脉宽法的原理框图测频法的测量误差与信号频率有关：信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。方案比较论证： 方案一主要是依靠软件编程实现，

9、对于设计一个数字频率计还是电路相对简单，成本也较低，也便于容易实现。方案二是依靠数字集成芯片，原理比较清析，但是用到的集成芯片较多，外围线路很多，但是对于熟练掌握数字电路芯片是个很好锻炼机会，另外本次是完成数电的课程设计。综合考虑下，最终还是选择方案5。2. 电路模块设计2.1计数电路计数部分电路用的是二五十进制的计数器74LS390,通过A下降沿触发后开始计数，A与QA构成二进制计数器，B与QBQCQD构成五进制计数器，MR高电平时输出清零，没有置数端，B与Q0相连构成十进制。此次设计中用到3个74LS390进行级联计数，构成6位数的计数是利用QD的下降沿来触发高位计数，即将QD接到下一级芯

10、片的A，则可以完成高位的计数。图2-1基于74LS390计数电路172.2显示电路CD4511是常用的共阴极数码管译码器，其具体连接电路如下： 图2-2数据锁存器输出显示电路2.3计时电路计时逻辑电路主要用555构成不可重复单稳态触发器来完成1秒后数据锁，用独立按键作为触发信号来源。使用独立按键要防抖，所以用不可重复单稳态触发器屏蔽抖动。一秒计时结束后，触发器输出变低，与非门输出保持低电平，计数停止，显示稳定。具体电路如下：图2-3门闸逻辑控制电路按下按键，555在2端电位置出现负脉冲，在输出3端就会产生一个单稳态的脉冲波 ，通过外接电阻电容元件就可以改变输出脉冲宽度，输出脉宽，则设置好合适的

11、电容和电阻调整输出脉宽。2.4译码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。采用七段共阴数码管显示,译码显示器的作用是把计数器产生的十进制数转化成能驱动数码管正常显示的段信号,从而获得数字显示。图2-4数码管显示及其控制电路3. 系统总体电路图3.1计数显示部分电路 图3-1脉冲计数电路原理图计数部分的电路利用的是3个双十进制芯片74LS390，以及后面CD4511译码器和七段显示数码管，构成对输入的脉冲进行计数，最后进行输出和显示在数码管上。3.2闸门逻辑控制电路原理图部分二： 图3-2闸门逻

12、辑控制电路这部分电路由555构成的不可重复触发触发单稳态触发器组成，主要是完成对1秒高电平内的连续信号脉冲进行选择，并传递给74LS390。555单稳态的触发器目的形成1秒的延时。4. 软件仿真图所有单元电路调制所需值,本此设计采用mulstisim12.0仿真运行.测信号送到由555构成的施密特触发器的输入端进行整形，使之成为计数器所要求的脉冲信号。由于放大电路的电源值为5V,所以输入信号比较大时，会出现线性失真，放大后的信号不会太大，超过5V。当时基脉冲处于高电平时，闸门电路打开，计数器对输入的脉冲进行计数。当输入信号频率为988时所测得信号频率值如下图显示997,在误差范围之内,本次实验

13、可行。数字频率计仿真图如下：图4-1频率计仿真图5.实物调试5.1实物制作图5-1实物焊接图5.2实物显示结果图图5-2实物显示结果图一（接上图）说明如下：上图信号输入频率为700HZ，输出结果显示为669HZ，可见存在一定的偏差，偏差为31HZ。图5-3实物展示图二说明如下：上图信号的输入频率为65KHZ，然后显示结果输出为66878HZ，存在一定的误差，但是结果还是说明问题，证明电路原理和设计的正确性。5.3误差分析实验结果分析:从上面实验结果显示值存在着一定的误差，误差主要在于555时基脉冲信号很难精准的定时为1秒，计数器只在1秒钟内才进行计数，当高电平时间超过1秒时，则会使计数值偏大，

14、频率测量值就会偏大，如果高电平时间小于1秒，则计数值偏小，频率的测量值偏小。此外影响频率测量误差还可能存在集成芯片再进行级联时延时值较大存在的微小误差，影响到最终频率值得测量结果。由于没有设置锁存器，在计完频率后，还需自己手动清零，所以，误差会比较大。5.4元件清单表5-4元件清单表原件序号型号主要参数数量备注15551定时器274LS001与非门374LS3903双10进制计数器4CD45116译码器57段共阴数码管6数码管6R1K2电阻9R1M1电阻10C10F1电解电容11C0.01F1陶瓷电容1240931施密特触发器13S2独立按键6 心得体会数电课设我们的题目是数字频率计，在了解原

15、理之后，我们考虑到这个电路是时钟信号的输入比较重要，因为频率计就是要测量一秒钟内一个信号源输出了多少个完整周期信号，所以时钟电路模块我们要精准到1秒，而不能直接给高低电平，因此我们考虑了很多方案，做出了555多谐振荡器和晶体振荡器，由于工艺的问题，555振荡器在我们的后续调试中很稳定，而晶体却不那么稳定，所以我们选用555振荡器。本次实习让我们体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的快乐与甜。设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。在实习的过程中发现了以前学的数字

16、电路的知识掌握的不牢。同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。 制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调准等等。这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度。合理的分配时间。在设计控制电路的时候，我们可以连接译码显示和计数电路，这样就加快了完成的进度。最重要的是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。于是我们的课程设计到此终于完成了基本功能的测试，为了提高精度，我们微调了555振荡电路，使其在01KHz内误差小于1%，在1KHz100 KHz内误差小于5%。这次试验真的是得到了很多东西，学会了芯片的调试，学会了培养自己的耐心，这是一次很有意义的课程设计。 参考文献1刘可文,数字电子电路与逻辑设计. 科学出版社,20