数字频率计毕业设计11

1、毕业设计 系 别：物理与电子系 专 业：自动化 班 级：13级7班 姓 名：王镭学 学 号指导老师：马世榜 设计时间：2013年12月27号目录一、前言1二、设计任务书1三、数字频率计基本原理2四、设计步骤及实现方法3五、总体电路图及工作原理9六、元器件的检测与电路的调试10七、心得体会13八、参考文献14一、前言数字频率计是一种基础测量仪器，在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。 本设计项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计与调试的方法和步骤。 二、设计任

2、务书 1、设计题目：数字频率计2、设计出一个数字频率计，其技术指标如下： （ 1 ）频率测量范围： 10 9999Hz 。 （ 2 ）输入电压幅度 >300mV 。 （ 3 ）输入信号波形：任意周期信号。 （ 4 ）显示方式：4位十进制数显示。（ 5 ）电源： 220V 、 50Hz 。3、给定仪器设备及元器件 示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪、直流稳压电源。 4、设计内容1）电路个部分的组成及工作原理2）元器件的选取及其电路图和功能3）电路各部分的调试方法4）在整机设计电路的设计、调试过程中，遇到什么问题，其原因及解决方法。三、数字频率计基本原理1）数字频率计

3、的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。 2 ）系统框图 从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图 1 所示的电路框图。 图 1 数字频率计框图 四、设计步骤及实现方法（ 1 ）电源与整流稳压电路 框图中的电源采用 50Hz 的交流市电。市电被降压、整流

4、、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。具体电路原理图如图2： 图2（ 2 ）全波整流与波形整形电路 本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过 0.5Hz ，即在 1 的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对 50Hz 交流市电进行全波整流，得到如图 3 （ a ）所示 100Hz 的全波整流波形。波形整形电路对 100Hz 信号进行整形，使之成为如图3(b) 所示 100Hz 的矩形波。  (c) 图3全波整流与波形整形电路的输出波形及电路原理图 波

5、形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。 我们要实现这个功能，可设计出具体的电路来实现，电路原图如图3（c）（ 3 ）分频器分频器的作用是为了获得 1S 的标准时间。电路首先对图4 所示的 100Hz 信号进行 100 分频得到如图 4 （ a ）所示周期为 1S 的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图 4 （ b ）所示占空比为 50 脉冲宽度为 1S 的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在 1S 时间内通过控制门的被测脉冲的数目。 74HC4024 （c）图 4 分频器的输出波形及电路原理图 分频器可以由计数

6、器通过计数获得。二分频可以采用 触发器来实现。这部分我们可以有集成电路74HC4024来实现。如图4（c）（ 4 ）信号放大、波形整形电路 为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。这部分单元电路的作用还在于保证测量的精度和灵敏度。信号经放大后送入整形电路整形。具体电路如图5。图5（ 5 ）控制门 图6控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现

7、。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。如图6所示。 （ 6 ）计数器 计数器是数字系统中用得较多的基本逻辑器件。它不仅能记录输入时钟脉冲的个数，还可以实现分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等。这里计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为 9999Hz ，应采用 4 位十进制计数器。可以选用现成的 10 进制集成计数器74HC4518。如图7 图7 74HC4518（ 7 ）锁存器 在确定的时间（ 1S ）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁

8、存器可以采用一般的 8 位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。为了实现这个功能我们可以采用现成的集成块74HC374。 （ 8 ）显示译码器与数码管 显示译码器的作用是把用 BCD 码表示的 10 进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。 选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。显示译码器采用与共阴数码管匹配的CMOS电路的74HC4511。如图8所示。 图8五、总体电路图及工作原理根据系统框图及各部分的设计要求和基本原理，设计出的电路如后图 所示。图中，稳压电源采用 7805 来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求 对 100Hz

9、 全波整流输出信号的分频采用 7 位二进制计数器 74HC4024 组成 100 进制计数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在 74HC4024 的 Q7 、 Q6 、 Q3 端通过与门加入反馈清零信号，当计数器输出为二进制数 1100100 （十进制数为 100 ）时，计数器异步清零。实现 100 进制计数。为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时保持一段时间（ 10mS ）为高电平。 电路中采用双 JK 触发器 74HC109 中的一个触发器组成 触发器，它将分频输出脉冲整形为脉宽为 1S 、周期为 2S 的方波。从触发器 Q 端输出的信号加

10、至控制门，确保计数器只在 1S 的时间内计数。从触发器 端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。 被测信号通过 741 组成的运算放大器放大 20 倍后送施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出，通过由 74HC11 组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。 频率计数器由两块双十进制计数器 74HC4511 组成，最大计数值为 9999Hz 。由于计数器受控制门控制，每次计数只在 JK 触发器 Q 端为高电平时进行。当 JK 触发器 Q 端跳变至低电平时， 端的由低电平向高电平跳变，此时， 8D 锁存器 74HC374 （上升

11、沿有效）将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可对计数器清零。由于 74HC4518 为异步高电平清零，所以将 JK 触发器的 同 100Hz 脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（ 10mS ）以后再进行。 显示译码器采用与共阴数码管匹配的 CMOS 电路 74HC4511 ,4 个数码管采用共阴方式，以显示 4 位频率数字，满足测量最高频率为 9999Hz 的要求。 六、元器件的检测与电路调试1) 器件检测 用数字集成电路检测仪对所要用的 IC 进行检测，以确定每个器件完好。 2) 电源测试 将与变压器连接的电源插头

12、插入 220V 电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为 5V 。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图 3(a) 所示波形。 3) 基准时间检测 关闭电源后，插上全部 IC 。依次用示波器检测由 U1(74HC4024) 与 U3A 组成的基准时间计数器与由 U2A 组成的 触发器的输出波形，并与图 4所示波形对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对 U1 、 U3,U2 各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。 4) 输入检测信号 从被测信号输入端输入幅值在 1V 左右

13、频率为 1KHz 左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。 5）输入放大与整形电路检测 用示波器观测整形电路 U1A(74HC14) 的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为 5V 左右的矩形波。如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不对，则应检测这一部分电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。 6) 控制门检测 检测控制门 U3C(74HC11) 输出信号波形，正常时，每间隔 1S 时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，

14、则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常 , 并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。 7) 计数器电路的检测 依次检测 4 个计数器 74HC4518 时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差 10 倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。 8) 锁存电路的检测 依次检测 74HC374 锁存器各引脚的电平与波形。正常情况

15、各电平值应与电路中给出的状态一致。其中，第 11 脚的电平每隔 1S 钟跳变一次。如不正常，则应检查电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。 9) 显示译码电路与数码管显示电路的检测检测显示译码器 74HC4511 各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析找出故障。七、心得体会完成这个毕业设计，我更深刻的认识到理论与实践的辨证关系，虽然我对课本上的基础知识掌握了，可到用的时候却不能随心所欲，课程设计缩减了理论与实践的距离，让我的逻辑思维得到了更大的提高，使我认识到处理任何事情都必须仔细分析，严格推理，即逻辑思维一定要强。此外，在画电路图时候，我用到了protel99，它是一种国际通用的做电路图的方法，应用非常广泛，是我们自动化生必须掌握的一门课程，本次毕业设计使我对它的应用有了更熟练的掌握和运用。本次毕业设计在老师和同学的大力帮助下，我才得以完成大学里第一次的毕业设计。在次，向老师和同学表示感谢。在毕业设计中，难免有错误，希望老师和同学帮助改正，使我的运用知识的能力有更大的提高。 八、参考文献1) 电子