数字周期测量计

1、数字周期测量计1 设计任务描述1.1 设计题目：数字周期测量计1.2 设计要求（1）要求被测信号为方波，峰值为3V到5V（和TTL兼容），被测信号周期范围：10us到1s；（2）设计石英晶体振荡器及分频系统，闸门时间：1us,10us,100us,1ms； （3）可控制的计数、锁存、译码显示系统。1.2.1 设计目的（1）掌握数字周期测量计的构成、原理与设计方法；（2）熟悉集成电路的使用方法。1.2.2 基本要求（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选2个方向；（2）符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路图、实际接线图各一份；（3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档

2、需全班统一存盘上交。1.2.3 发挥部分（1）被测信号为三角波信号；(2) 溢出报警装置。2 设计思路 我的设计思路是首先让被测信号进入施密特触发器进行波形整流，将输入波形整形为方波，然后进入JK触发器，实现二分频后进入主控门。与此同时，石英晶体振荡器发出频率为1MHz即周期为1us的信号，以此为基准信号，经过三个分频器分别进行十分频后，接为1us,10us,100us,1ms四个分档闸门，与输入信号一起进入与门。经过与门以后，所得到的信号就是与被测信号高电平周期相等的若干基准信号，然后将这个信号送给计数器电路，我的计数器选用的是74LS290，将74LS290接成十进制，然后通过计数器后进入

3、锁存器和溢出报警装置，我的溢出报警装置是将计数器输出端的最高位和最低位接到一个八输入与门上，当四个计数器输出都是1001时，与门打开，发光二极管发光报警。锁存器我用的是74LS75，它的使能端与JK触发器输出端相连，即锁存由控制电路给出的信号控制，接着信号进入译码器，最后将信号送给七段显示器显示，测量结束。需要注意的是显示屏显示的数字并不是实际的周期，需要一个换算的过程：被测波周期=显示数字×闸门单位。以上为周期测量计的大体思路，详细的讲解和参数计算分析在下文继续介绍。3 设计方框图波形整形电路时基电路被测信号二分频电路控制门电路十进制计数器锁存器七段显示译码器共阴极 显示器石英晶体

4、振荡电路4 各部分电路设计及参数计算 我设计的电路主要分为5大部分，分别是整形电路部分，时基电路部分，溢出报警装置部分，计数、译码、锁存电路部分和显示电路部分，以下为具体功能及参数计算。4.1整形电路整形电路主要由一个二极管，一个555定时器和一个JK触发器组成，被测信号首先进入二极管进行整流，然后进入555定时器，将555定时器的8脚4脚接电源，1脚接地，2脚和6脚相连作为输入端，3脚作为输出端，这样就构成了一个施密特触发器，这样输入信号就被整形成了方波，然后进入JK触发器，实现二分频功能。施密特触发器具有滞回特性，即输出电压由高电平跳变为低电平时所对应的输入电压Ui和由低电平跳变为高电平所

5、对应的输入电压Ui是不同的。 4.1.1 555定时器部分 当Ui由0上升至Ucc*1/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平置位，Q=U0=1。 当Ui上升，在Ucc*1/3至Ucc*2/3之间，Uc1=1,Uc2=1，触发器保持，Q=U0=1。 当UiUcc*2/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平复位，Q=U0=0。 当Ui由Ucc*下降至Ucc*1/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平置位，Q=U0=1。若输入电压的波形是个三角波，则对应的输出波形如图所示。若输入电压为正弦波同理。 4.1.2 JK触发器将JK两脚接为逻辑高电平1，信号从使能端输入，是低电平有效，所以每

6、到下降沿时翻转，实现二分频功能。4.2时基电路时基电路由石英晶体振荡电路和三个十进制计数器74LS290组成。 4.2.1 石英晶体振荡器石英晶体在外加电压的作用下，它会产生一个压电效应，石英晶体产生机械振动，当外加电压的频率与晶体固有振荡频率相同时，晶体的机械振幅最大，产生的交变电场也就最大，形成压电谐振。从石英晶体的电抗频率特性可知，它有两个相当接近的谐振额率，一个串联谐振频率，一个并联谐振频率，当石英晶体处于串联谐振时电抗最小，当处于并联谐振时电抗最大，当处于这两个频率范围之间时，石英晶体呈电感性，当游离这两个频率之外时，石英晶体呈容性。石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、

7、频率易调整，用它产生标准频率信号，再由分频器分成秒时间脉冲。电路图如下： 4.2.2 分频电路分频电路是将石英晶体振荡电路产生的信号再次处理，将周期扩大10倍，100倍，1000倍，这样就将石英晶体振荡器的发出的周期为1us的信号分别变为1s，10s，100s和1ms的信号，再通过相应的闸门传输。4.3 溢出报警装置 溢出报警装置是由一个八输入与门，一个发光二极管和一个电阻构成。将计数器输出端的最高位和最低位接到一个八输入与门上，当四个计数器输出都是1001时，与门打开，发光二极管发光报警。4.4计数、锁存、译码电路 4.4.1 计数器部分计数器部分是由4个74LS290构成,74LS290是

8、异步十进制计数器。如图所示，它由1个1位二进制计数器和1个异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由CPA端引入,输出由QA端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲由CPB端输入，输出由QBQD引出，即得五进制计数器；如果将QA与CPB相连，计数脉冲由CPA输入，输出由QAQD引出，即得8421码十进制计数器。因此，又称此电路为二五十进制计数器。集成计数器在一些简单小型数字系统中被广泛应用，因为它们具有体积小、功耗低、功能灵活等优点。当复位输出R0(1)=R0(2)=1，且置位输入R9(1)R9(2)0时，74LS290的输出被直接置零；只要置位输入R0(1)=R0(2)1,则74LS290的输出被直

9、接置9,即QDQCQBQA1001；只有同时满足R0(1)=R0(2)0和R9(1)R9(2)0时，才能在计数脉冲(下降沿)作用下实现二五十进制加计数。根据需要将74LS290的CPb端和Qa端相连，构成十进制计数器，当信号进入计数器CPa后，电路状态按二进制自然序列依次递增，Q3、Q2、Q1、Q0输出为0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001，当输出为1010也就是10时，由于74LS290是异步清零，所以这是一个暂态。Q3、Q1输出都为1，经过一个与门后送入清零端ROA和ROB计数器清零，当暂态结束时Q3由1跳变为0，则有一个下降沿

10、进位脉冲送入下一个十位计数器的脉冲触发端。4个十进制组和成为0到9999的计数装置。 4.4.2锁存器部分锁存器部分是由四个74LS75构成，控制端1C，2C，3C，4C与JK触发器输出端相连，即锁存由控制电路给出的信号控制。其主要是在CP脉冲上升沿作用下，1D4D端的数据被并行的存入寄存器。输出数据可以并行从1Q4Q端引出，也可以并行从1Q4Q端引出反码输出。它的作用的发挥主要是它前面的计数器的信号，当计数器的信号传来的时候，它进行锁存功能。 4.4.3译码器部分译码器部分是由四个7448七段显示译码器构成，输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。由于用的显示管是共阴极的显示管，所以对应的使用

11、7448来进行驱动和译码。7448只要把LT、BI、RBI置1就能正常工作了。由于计数器是9999进制的,所以要用4个。4.5 显示电路显示电路设计中我采用了四个共阴极7段式LED显示器，七段显示器实际上是把7个离散的发光二极管集成在一起.排列成8字形式变成8个LED组合在一起。如下图所示： 5 工作过程分析第一步，首先需要一个周期贴近需要的波，本设计用的是石英晶体振荡器产生4MHz的波，也就是波长为1/4s的波。然后将它的波长先扩大4倍，得到1s波长的波，我们以它为基准波，扩大4倍的原因是便于计算。然后将被测波与基准波依次进行与运算，从而得到了被测波的的一个高电平相当于几个基准波的高电平，我

12、们把得到的数记为N。由于课题要求测量范围是1ms到10s，所以，得到被测波的高电平的范围是0.5s到5s，所以可以得出N的范围是5到0.5*106。但是显示器的数位有限，所以我们要设计一个闸门，对基准波进行扩大，而使N的值变小以达到四位显示器能显示的范围。因此，我根据计算，把基准波分别扩大10倍，100倍和1000倍得到10s，100s和1000s的基准波，这就解决了数位太多的问题。第二步，将上一步得到的脉冲为N的波输送给计数器进行计数，由于需要有四位显示，所以设计了四个计数器，每个计数器满10则向下一位进1，分别对应个位，十位，百位，千位。由于实际工作用被测波是未知波，大小并不知道，也就无法

13、正确选择闸门，如果闸门选择大了，则数字显示屏幕上只会出显零；如果闸门选大了，则计数器会有溢出，就是计数器最高位，也就是千位满十进一，但进位无法显示。所以在这加了一个溢出报警系统，当最高位千位满10进位的时候，把进位信号引给了一个发光二级管组成的电路，这个电路当有信号过来时，二级管就会发光，以此来告诉使用者，闸门选择有错误，需要更正。这个报警系统也是本设计发挥部分的一块。第三步，也就是译码显示部分，将上一部计数器记录的数传给译码器，再通过译码器传给七段管显示器实现数字显示，但是，信号是短暂的，如果不加处理，无法在短时间内读取显示的数字，所以在这我用了一个具有锁存功能的译码器，而锁存信号又一个控制

14、电路发出，这就使数字能在显示器上停留，以便数据的读取。需要注意的是显示屏显示的数字并不是实际的周期，需要一个换算的过程：被测波周期=显示数字N×闸门单位以上为周期测量计的大体思路，详细的讲解和参数计算分析下文有介绍。 6 元器件清单元件名称规格及用途数量备注74LS290集成二进制异步计数器计数器47490集成二进制同步计数器计数器3555定时器整型3七段显示器显示周期值4共阴极74LS75集成二进制锁存器锁存器4石英晶体震荡器产生稳定频率1产生频率为4MHz7448七段显示译码器7408八输入与门译码器与门 4 5 7 主要元器件介绍7.1 555定时器555定时器是一种多用途的单

15、片集成电路，利用它可以方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。 7.1.1 555定时器的的结构图7.1 555定时器结构图555定时器由三部分组成：第一部分，电阻分压器和电压比较器电阻分压器是由三个等值的电阻R(5K)串联构成，为电压比较器C1和C2提供参考电压。电压比较器是一个开环工作的运算放大器，其电压增益趋于无穷大，所以，其输入端的一个非常小的电压，输出端就可以产生一个接近电源电压的高电平信号或者是接近于0电压的低电平信号。图中，当TM电压稍大于UCC*2/3，uc1即输出低电平，当TM电压稍小于UCC*2/3，uc1即输出高电平，TR端亦具有同样的情况。第二部分，基本RS

16、触发器基本RS触发器由两个与非门组成，比较器C1和2的输出是RS触发器的两个输入。第三部分，放电三极管放电三极管形成放电开关，当其基极电位为逻辑时，该管截止；基极电位为逻辑时，该管导通。 7.1.2 555定时器功能简介555集成定时器有八个引脚，其功能分别为：1Ucc(8)：电源端，接正电源；2Uss(1)：接地端；3TH(6) ：阈值端，它是C1的输入端。4 (2)：触发端，它是C2的输入端。5Rd(4) ：异步复位端。6Td(7) ：放电端。7CO(5) ：控制电压端。当接外加电压时，可改变“阈值”和“触发”端的比较电平。8OUT(3)：输出端。Vcc DISC TH VCGND TR

17、OUT R 表7.1 555功能表 7.1.3用555定时器构成施密特触发器1电路结构：将TH(6脚)和TR(2脚)相连作为信号输入端即可构成施密特触发器，图7.4。2工作原理 当Ui由0上升至Ucc*1/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平置位，Q=U0=1。 当Ui上升，在Ucc*1/3至Ucc*2/3之间，Uc1=1,Uc2=1，触发器保持，Q=U0=1。 当UiUcc*2/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平复位，Q=U0=0。 当Ui由Ucc*下降至Ucc*1/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平置位，Q=U0=1。图7.4 555构成的施密特触发器若输入电压的波形

18、是个三角波，则对应的输出波形如图7.5所示，它是反相输出的施密特触发器。图7.5三角波整形为方波3电路特点: 施密特触发器具有滞回特性，即输出电压由高电平跳变为低电平时所对应的输入电压Ui和由低电平跳变为高电平所对应的输入电压Ui是不同的。图7.6 施密特触发器的电压跳变7.2石英晶体振荡器石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。石英晶体振荡器的主要参数有：1标称频率 标称频率是指石英晶体振荡器的振荡频率，它与负载电容的容量值有关。2负载电容 负载电容是指与

19、石英晶体振荡器各引脚相关联的总有效电容（包括应用电路内部与外围各电容）之和。负载电容常用的标准值有16PF、20PF、30PF、50PF、100PF。3激励电平 激励电平是指石英晶体振荡器工作时所消耗的有效功率。该值决定电路工作频率的确良稳定程度。激励电平常用的标准值有0.1 mW、0.5 mW、1 mW、2 mW、4 mW。4工作温度范围 工作温度范围是指石英晶体振荡器正常工作时所允许的最低温度至最高温度（环境温度）。5温度频差 温度频差是指石英晶体振荡器在工作温度范围内的工作频率相对于基准温度下工作频率的最大偏离值，它用来反映石英晶体振荡器的频率温度特性。石英晶体振荡器的种类有：1按精度分

20、类 石英晶体振荡器按精度（或频率稳定度）可分为普通石英晶体振荡器，精密石英晶体振荡器、中精密石英晶体振荡器和高精密石英晶体振荡器。2按封装结构及外形分类 石英晶体振荡器按封装结构及外形可分为金属外壳晶体振荡器、玻璃外壳晶体振荡器、胶木壳晶体振荡器和塑料外壳晶体振荡器。金属外壳封装的石英晶体振荡器又有锡焊、冷压焊和电阻焊三种。3按引出电极数目分类 石英晶体振荡器按引出电极数目可分为双电极（二端）型晶体振荡器、三电极（三端）型晶体振荡器和四电极（四端）型晶体振荡器。4按用途分类 石英晶体振荡器按用途可分为彩色电视机用晶体振荡器、影碟机用晶体振荡器、无线通信用晶体振荡器、电子钟表用晶体振荡器等多种类

21、型。5按基本谐振电路分类 石英晶体振荡器按基本谐振电路可分为并联晶体振荡器和串联晶体振荡器两种类型。石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶

22、体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）等。本设计中使用的4MHZ石英晶体型号为49SM-4M。该产品规格：频率: 4MHz49SM (2pin) , SMD / 插PIN 两用 振动模式 : Fundamental,third and fifth 绝缘电阻 : 5Meg.Ohms 外观尺寸 : 约长11 x 宽4.5 x 高 3.1mm7.3 二五十进制集成74LS290芯片该芯片具有：（1）清零功能 当ROA=ROB=1时，则计数器清零，与CP无关，这说明清零是异步的。 （2）置”9”功能 当ROA=ROB=0、S9A=S9B=1

23、时，计数器置9，即被置成1001状态。这种置数也是通过触发器异步输入端进行的，与CP无关。（3）计数功能 有四种基本情况： （1）若把输入计数脉冲CP加在CP0端，且把CP1与Q0从外部连接起来，则电路将对CP按照8421 BCD码进行异步加法计数。 （2）如果仅将CP接在CP0端，而CP1与Q0不连接起来，那么计数器的二进制触发器工作，构成1位二进制计数器。也称为二分频，因Q0变化的频率是CP频率的二分之一。 （3）要是只把CP接在CP1端，显然二进制触发器不会工作，而五进制触发器工作，且构成五进制异步计数器，也称为模5计数器或5分频电路。 （4）倘若按CP0与Q3从外部连接起来连线，虽然电

24、路仍然是十进制异步计数器，但计数规律就不再是8421 BCD码了。构成模2计数器，构成模5计数器，两部分在逻辑上无联系，外部连接不同，具体功能也随之变化。7.4七段译码器七段译码器也称为BCD七段显示译码器，顾名思义，它是将输入的BCD码翻译成LED显示该BCD的七段信息输出。七段译码器有输出低电平有效和高电平有效的多种型号。当选用的LED是共阳极接法时，应使用低电平输出有效的七段译码器，如7446和7447等；当选用的LED是共阴极接法时，应使用高电平输出有效的七段译码器，如7448和7449（OC输出）等。本设计使用的是5011型号的共阴极显示LED，配合7448七段译码器。7448七段显

25、示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。 7448的功能表如表5.3.4所示，它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：表7.2 7448逻辑功能表1. 灭灯输入BI/RBO    BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0，所以字形熄灭。 2. 试灯输入LT     当LT0时，BI/RBO是输出端，且RBO1，此时无论其它输入端是什么状态

26、，所有各段输出ag均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。3.动态灭零输入RBI     当LT1，RBI0且输入代码DCBA0000时，各段输出ag均为低电平，与BCD码相应的字形熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。 4. 动态灭零输出RBO     BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT1且RBI0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT1且RBI1，则RBO=1。

27、该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。     从功能表还可看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT1，这时候，译码器各段ag输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。LED也有多种型号，如BS211、BS212、BS213为共阳型；BS201、 BS202、 BS203为共阴型。一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点。小型数码管(0.5寸和0.36寸)每段发光二极管的正向压降，随显示光(通常为红、绿、黄、橙色)的颜色不同略有差别，通常约为22.5V，每个发光极

28、管的点亮电流在510mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，七段译码器之间一般还要接限流电阻或其它匹配电路，或者驱动译码器是OC输出，需要接上拉电阻。驱动共阳极LED的译码器（输出低电平对应段亮）驱动电流一般较大（灌电流），如果该电流与LED器件的正常工作电流近似，那么可以直接驱动LED，如果驱动电流大于LED正常电流许多，那么两者之间要加限流电阻，根据LED的参数估算限流电阻的大小；如果七段译码器驱动能力不够大，特别是驱动共阴极LED时，可以在两者之间加适当的上拉电阻。小 结在这一周的设计的过程中，我感觉对我来说是一种全新的体验，也是一种挑战。在仅仅一周的

29、时间里时间设计和完善数字周期测量计这个课题真的是很有成就感，而且学到了很多实际的东西.在设计过程中，我学到的东西有很多，不仅加强了对以前学过的芯片更加深了印象，也认识了很多新的芯片和器件，为以后的学习和设计打了一个很好的基础，而且让我对各种电子器件产生了兴趣，让我换了一种角度去学习数字电子。我认为对我们这样工科的学生来说，能力的提高是必要的在设计的过程中，设计的理念给我的能力起到了开发和推动的作用得到设计题目后我马上调查有关资料，然后进入草案阶段，其间与指导老师进行过几次方案的讨论、修改，再讨论、再修改，最后定案，进行正式图规划阶段。设计方案确定后，又在老师指导下进行扩初详细设计. 在这次设计过程中所得到的体会，在过去是没有过的，在书本是也是无法找到的。所以，我十分珍惜这次的课程设计所学到的东西，在此次的数字周期测量计设计过程中，我进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。，数字周期测量计主要设计了数字周期测量计的时基电路部分和时序逻辑控制部分,其他部分参考了很多现有的资料和书籍.在此设计中，发现了很多日后要注