长安大学简易数字频率计设计

1、电工与电子技术基础电工与电子技术基础课程设计报告课程设计报告 题 目 简易数字频率计 学院（部） 汽车学院 专 业 车辆工程 班 级 学生姓名 学 号 6 月 23 日至 6 月 28 日 共 1 周长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日1目录目录前言.2第一章 技术指标.31.1、主要技术指标和要求： .31.2、系统结构要求.31.3、所用元件.4第二章 整体方案设计思路 .52.1、设计思路.52.2、方案讨论.5第三章 各部分电路的设计 .73.1、放大整形电路.73.2、闸门电路.93.3、计数电路.103.4、时基电路与分频电路 .103.5

2、、控制电路.113.6、显示电路.133.7 报警电路.14第四章 电路汇总.154.1、整体电路图.15第五章 课程设计总结与体会 .16【附录】.17长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日2前言前言【摘要】本学期我们学习了电工学电子技术这本书的内容，经过课堂和实验两部分的学习，对基本的模电和数电电路知识有了基本的了解掌握。正是运用所学知识加上小组合作研究，我们在基于课本内容、考虑实际能力水平、查找资料借鉴其他设计者的成功之处，设计了“简易数字频率计” 。本设计主要综合运用运用了信号的放大整形、门电路和时序逻辑电路等多方面的知识，是对所学知识的一种实践

3、也是一种考验。【关键字】 数字频率计 计数器 信号处理与控制长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日3第一章第一章 技术指标技术指标1.1、主要技术指标和要求：、主要技术指标和要求：（1） 被测信号的频率范围 100Hz10kHz；（2） 输入信号为正弦信号或方波信号；（3） 用四位数码管显示所测频率值，并用红、绿色发光二极管表示单位；（4） 具有超量程报警功能。1.2、系统结构要求、系统结构要求数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。被测

4、信号被测信号测量电路测量电路 显示电路显示电路单位转换单位转换图图 1-1 数字频率计整体方数字频率计整体方案结构方框图案结构方框图长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日41.3、所用元件、所用元件序号元器件名称型号参数数量译码器74LS247N4锁存器74LS175N4十进制计数器74LS160N4或非门74LS02N1与非门74LS03N1非门174L 系列与门74LS08N2LED（红色）LED3LED（绿色）LED1二极管共阳七段数码显示管4510210 K14.3K14.7K23.3K24701电阻100110F310nF6470F11mF15

5、 K2电容2 K1定时器5554开关双刀四掷开关1长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日5第二章第二章 整体方案设计思路整体方案设计思路 2.1、设计思路、设计思路利用电工学电子技术所学模电和数电两部分所学知识设计思路如图 2.2、方案讨论、方案讨论（1）测频法（M 法） 对频率为 f 的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期进行计数，当计数结果为 N 时，起频率为：f1=N1/TG，TG 为标准闸门宽度，N1 是计数器计出的脉冲个数。 设在 TG 期间，计数器的精准计数值为 N，根据计数器的技术特性可知，N1 的绝对误差是N

6、1=N1，N1 的相对误差为&N1=（N1-N）/N=1-N/N/N，由 N1 的相对误差可知，N（或 N1）的数值越大，相对误差越小，成反比例关系。因此在 f 已知的条件下，为减少 N1 的相对误差可通过增大 TG 的方法来降低测量误差。但是，放大电路放大电路整形电路整形电路计数电路计数电路被测信号被测信号闸门闸门时基电路时基电路控制电路控制电路译码显示译码显示图图 2-12-1 设计思路图设计思路图报警报警超量程超量程长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日6增大 TG 会使频率测量的响应时间长，当 TG 为确定值时（通常取TG=1） ，则有

7、f=N，固有 f1 的相对误差：&f1=（f1-f）/f=（f1-f）/f=1/f 由上式可知，f1 的相对误差与 f 成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，M法适用于高频信号的测量，频率越高的，测量精度也越高。（2）侧周法（T 法） 首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电频时间都是一个信号周期 T 的方波信号；然后用一个已知的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期 T 的时间内对此高频信号进行计数，若在 T 时间内的计数值为 N2，则 T2=N2*Tosc f2=1/T2=fosc/N2.N2 的绝对误差为N=1，N2 的相对误差为

8、&N2=（N2-N）/N=（N1-N）/1/N。从 T2 的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频的标准计数信号的频率成反比，当fosc 为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度越高。由于所学知识的限制，考虑到课程设计的目的，我们利用第一种测频法，利用计数器的知识对频率计数，参考 555 定时器产生时基电路，在单位时间内记录被测信号上升沿或下降沿的数目即为所测信号频率。并且，对测量频率的最低值 100Hz 来说，相对误差为1%，可以满足要求，随着测量频率的增大，相对误差逐渐减小。长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日7第

9、三章第三章 各部分电路的设计各部分电路的设计3.1、放大整形电路、放大整形电路考虑到被测信号可以是正弦波或方波，而后面的闸门或计数电路要求被测信号为方波信号，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转化成方波。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，将被测信号放大。从而得到适当大小的信号。参考资料后我们比较各种放大整形的方案，施密特触发器整形电路的原理和方法全面可靠，所以采用此法进行被测信号的放大或衰减以及整形处理。待测的信号波先被送入到放大电路的输

10、入端，输入的信号若是正弦波，在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况，所以首先需要通过放大衰减处理，我们可以利用一级放大电路实现：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，使得被测信号得以放大。然后把经过放大衰减后电压幅度合适的信号输入到下一级的射极输出器。射极输出器具有高输入电阻和低输出电阻的特点。因为输入电阻高，它常被用作多级放大电路的输入级，这对高内阻的信长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日8号源更为有意义。如果信号源的内阻较高，而它接一个

11、低输入电阻的共发射极放大电路，那么，信号电压主要降落在信号源本身的内阻上，分到放大电路输入端的电压就很小；另外，如果放大电路的输入电阻较低，则当负载接入后或当负载增大时，输入电压的下降就较小，或者说它带负载的能力较强。所以射极输出器也常用于多级放大电路的输入级。为了增强本设计中施密特触发器部分的带负载能力，我们在此应用射极输出器。施密特触发器常利用触发器状态转换过程中的正反馈作用，将边沿变化缓慢的周期信号变为边沿很陡峭的矩形脉冲信号。由于在数字系统中矩形脉冲经传输后往往也会发生畸变。如：当传输线上电容较大时，波形的上升沿和下降沿将明显变坏；当传输线较长，且接收的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波

12、形的上升沿和下降沿将产生震荡现象；当其他的脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号将出现噪声。无论出现上述的哪一种情况，都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。鉴于施密特触发器整形电路的诸多优点，本电路将起采用，且利用 555 定时器搭建，简单方便。最后我们把经过放大衰减处理后的信号送入由 555 构成的施密特触发器把信号整形成为矩形波。长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日9A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIQ12N6672Q22N6672VCC5VC110nFC34

13、70uFR1470R23.3kR3510R4100R54.7kR64.7kR7200C41mFC510nFC610nFD11N4148D21N414816789VCCR83.3k10110024被测信号图图 3-13-1 放大整形流电放大整形流电路路3.2、闸门电路、闸门电路闸门实际上就是一个简单的与门。将整形电路的输入信号与门控信号做与运算，以便输出矩形脉冲作为计数脉冲。当门控信号为高电平 1 时，闸门开启，而门控信号为低电平 0 时，闸门关闭。显然，只有在闸门开启的时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门开启时间。可见门控信号的宽度一定时闸门的输出正比于被测信号的频率

14、，通过计数显示系统把闸门的输出长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日10结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。3.3、计数电路、计数电路74LS160 十进制同步计数器是与我们课程中介绍的 74LS161 原理相似的计数器，我们用了 4 个 74LS160，通过前一级 74LS160 的进位位当作下一位的 cp 脉冲，实现 1 到 9999 的计数。 （如图 3-4）3.4、时基电路与分频电路、时基电路与分频电路时基电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号到3-4 计数电路原理图计数电路原理图长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2

15、014 年 6 月 27日11来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器计数，当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入;分频电路是对由时基电路产生的信号频率进行调节。我们的设计时基电路部分采用由 555 定时器构成的多谐振荡器组成，通过设置时间参数使其构成所需时间的高电平，由于要求测量频率为 100Hz-10KHz，故此处设计分两档，时基电路产生 0.1s 高电平，此档直接用于测量千赫兹的频率，此时显示单位为千赫兹（绿灯亮） ；通过分频器放大后产生 1s 的高电平，此档用于测量普通频率。如此实现单位的变换。此处电路参数R1=10K，R2=4.3，C=10uF，通过计算可得 tp1=0.1s

16、,tp2=0.03s。分频电路由 74LS160 构成，对时基电路产生的信号进行调节，使其频率缩小十倍，周期增大十倍，此时 tp1=1s。此时显示单位为Hz,(红灯亮)。时基电路及分频电路电路图如下图：长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日12A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI813476255VGNDR110kR24.3kC110uFC210nFU174LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2CLR1LOAD956tp1=0.1stp1=1s图图 3-53-

17、5 时基电路及分频电路时基电路及分频电路电路图电路图VCC3.5、控制电路、控制电路控制电路主要用来控制电路的锁存与清零。在时基信号低电平到来之时，通过控制电路产生锁存信号，锁存信号将数据锁存通过显示电路信使出来。而清零信号则是用锁存信号的负脉冲产生，用于一次计数后将计数器清零。其理论波形应如下图：图图 3-63-6 控制电路波形示意图控制电路波形示意图清零信号清零信号长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日13我们采用 4 个 74LS175N 分别控制 74LS160 输入的四个二进制数。锁存器在 cp 的下降沿将输入的信号上传，在其他 cp 信号状态

18、下，锁存器不接受从下面来的信号输入，从而保证显示屏的输出能稳定一段时间，便于读数。四个锁存器的 CP 脉冲由控制电路同时控制。555 构成的两个单稳态触发器可用于定时控制，输出矩形脉冲，其宽度（暂稳状态持续时间通过设置电路参数，令 R=909，C=10uF，使得锁存信号与清零信号宽度均为 t=0.01s，控制电路设计图如下：tln31.1pRCRC长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日14A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5V38476251R1909GNDC210uFC310nF12A2555_VIRTUA

19、LGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5V38476251R2909GNDC110uFC410nF4357锁存信号锁存信号清零信号清零信号U23NOT68图图 3-73-7 控制电路控制电路图图3.6、显示电路、显示电路我们采用四个 74LS247 型译码器和共阳极数码管作为我们显示部分的元件。前已述，根据被测信号的频率范围 100Hz10kHz；我们将测量的频率分为两档：推荐测量频率分别为 100Hz999Hz 和1kHz10kHz，分别用红色发光二极管表示单位 Hz，绿色表示单位kHz，显示 kHz 单位时，第三个显示数码管的小数点亮。因为能力和时间有限，我们没能完成自动

20、超量程换挡，所以我们借助超量程报警装置提醒手动换挡。我们通过一个双刀四掷开关，同时控制档位和小数点信号。一档时，我们默认采用 Hz 单位，给小数点的是低电位信号时，小数点灭，信号经过与非门传给 LED3，红灯亮。二档时长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日15我们默认采用 kHz 单位，此时通过或非门给小数点一个高电位信号，小数点亮。同时，给小数点的信号传达给 LED4 灯，绿灯亮。3.7 报警电路报警电路第四个 74ls160 的进位位接一个 LED1 灯作为一档的超量程报警器，LED2 由给小数点的信号与第三个 74ls160 的进位位同时控制，作为

21、二档的超量程报警器。J1Key = SpaceJ2Key = SpaceLED2U20A74LS08NU21A74LS02N=1LED4LED3U19A74LS03N&0532104图图 3-93-9 报警电路、档位部分报警电路、档位部分第三个第三个 160 的进位位信号的进位位信号控制小数点控制小数点图图 3-83-8 译码原理译码原理长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日16 第四章第四章 电路汇总电路汇总4.1、整体电路图、整体电路图图图 4-14-1 整体电路图整体电路图VCC5VVCC5VGNDGNDA1555_VIRTUALGNDDI

22、SOUTRSTVCCTHRCONTRI38476251R1909C210uFC310nFA2555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI38476251R2909C110uFC410nF37GND36VCC35GND34VCCA4555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIQ12N6672Q22N6672VCC5VC710nFC8470uFR5470R63.3kR7510R8100R94.7kR104.7kR11200C91mFC1010nFC1110nFD11N4148D21N4148R123.3k1817001615VCC14131211

23、10A3555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI81347625VCC5VGNDR310kR44.3kC510uFC610nFU174LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2CLR1LOAD9J1Key = Space22VCCGND192120U274LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2CLR1LOAD9U374LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2CLR1LOAD9U474LS160NQA

24、14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2CLR1LOAD9U574LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2CLR1LOAD9U674LS175N1D4CLK91Q22D53D124D131Q32Q63Q103Q112Q74Q154Q14CLR1U774LS175N1D4CLK91Q22D53D124D131Q32Q63Q103Q112Q74Q154Q14CLR1U874LS175N1D4CLK91Q22D53D124D131Q32Q63Q103Q112Q74Q154Q14CLR1U974LS175N

25、1D4CLK91Q22D53D124D131Q32Q63Q103Q112Q74Q154Q14CLR1U1374LS247NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U14A B C D E F GCKHU15A B C D E F GCKHU16A B C D E F GCKHU17A B C D E F GCKHU1074LS247NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U1174LS247NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5B

26、I/RBO4U1274LS247NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4VCC5VLED1R13510VCC64101100097969594939291908988878685848382818079787776757473727170696867666563626160595857565554535251504948474645444330292827262524U18A74LS08N23J2Key = SpaceLED299U23NOT8U20A74LS08N31198U21A74LS02N=10LED474LED3U19A74

27、LS03N&560图图 4-14-1 整体电路图整体电路图长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日17第五章第五章 课程设计总结与体会课程设计总结与体会本次实习让我们体味到掌握电工学课本知识和能利用所学知识解决实际问题这一要求还是有一定差距的。通过这次设计经历，我发现经过一年的学习，我们对电工学的实际把我还很不到位。在设计中我们有很多问题要一遍一遍去翻书去查看，同时很多原理的还没有完全掌握，虽然在电工实验中已经有了一些理解和体会，但当自己需要设计电路、选择方案时，我们的压力和遇到的困难非常大。一方面是知识掌握不牢，不能做到驾轻就熟，另一方面，面对所

28、要解决的电路问题，遇到了一些以前没有见到过的元件，需要不断查找资料时繁琐的过程是我们几近崩溃。但设计是我们将来必需的技能，不通过实践永远不知道自己对知识的时机掌握情况，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。在实践中，我们理论联系实际,提高和培养了创新能力。最重要的是，通过这次课程设计，使我们对课本有了更深的学习，让我们对基础知识有了更深刻的领悟和掌握。这样，我们不仅可以在期末考试中游刃有余，还会对我们毕业后的工作有很大的帮助。总之，这次课程设计是很有必要的！日子虽然艰辛，但让我们收获很多，

29、当然感悟也很多。最后感谢老师和同学们的帮助，让我们顺利完成这次课程设计。长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日18【附录附录】1 1、所用元件功能表、所用元件功能表74LS02 TTL 2 输入端四或非门74LS03 TTL集电极开路 2 输入端四与非门74LS08 TTL2 输入端四与门74LS160 TTL可预置 BCD 异步清除计数器74LS175 TTL带公共时钟和复位四 D 触发器74LS247 TTLBCD7 段 15V 输出译码/驱动器NE555计数器2、主要元件功能表、主要元件功能表1） 、74LS160 计数器功能表长安大学电工学课程设计报告书 简易数字频率计设计 2014 年 6 月 27日19由表可知，该计数器的主要功