南昌航空大学数字频率计设计VIP

1、 课程设计说明书课程设计名称： 数字电路课程设计 课程设计题目： 数字频率计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业：电子信息工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 20 11 年 10 月 5 日 数字电路 课程设计任务书20 11 20 12 学年 第 1 学期第 1 周 2 周 题目数字频率计内容及要求基本要求： 采用基本数字集成电路设计制作简易数字频率计，要求测量频率范围为09999Hz，测量分辨率为10Hz，并使用LED数码管显示。提高要求：1、讨论测量误差的形成原因并提出改进方案2、提高测频范围的方案3、输入保护4、输入信号为正弦波、三角波、方波的情况进度安排 1. 布置任务、

2、查阅资料、选择方案，领仪器设备：第一周 2天； 2. 领元器件、焊接、制作：第一周 3天 3调试：第二周 2天 4. 验收：第二周 0.5天 5.写报告：本学期37周学生姓名：指导时间2011.8.29-2011.9.10指导地点： E 楼 311室任务下达2011年 8 月 29 日任务完成2011 年 9 月 日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师王忠华系（部）主任摘要 在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案，测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显的更为重要。测量频率的方法有很多种，其中数字频率计具有精度高，使用方便，测量迅速，以及便

3、于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段。数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一，同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器。数字频率计是在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来，换算成频率并以数字形式显示出来。数字频率计用于测量信号（方波，正弦波或其他周期信号）的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量速度快，读数直观，使用方便等优点。 关键字：整形电路、逻辑控制电路、译码显示电路目 录 前 言 5第一章 设计要求 6第二章 设计方案 7第三章 系统组成及工作原理 9第四章 单元电路设计与计算 104.1整形电路 104.2时基电路 104.3阀门电路 114.4逻辑控置电路

4、 114.5计数电路 124.6译码显示电路 13第五章 实验、调试及结果分析 14第六章 心得体会15参考文献 16附录一 17附录二 18附录三 19 前言 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。 频率计的基本原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置，应用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

5、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。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没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。它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。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电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性

6、和速度。 集成电路的类型很多，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2大类。数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一，已广泛地深入到各个应用领域第一章 设计要求基本要求： 采用基本数字集成电路设计制作简易数字频率计，要求测量频率范围为09999Hz，测量分辨率为10Hz，并使用LED数码管显示。提高要求：1、 讨论测量误差的形成原因并提出改进方案2、 提高测频范围的方案3、 输入保护4、 输入信号为正弦波、三角波、方

7、波的情况5、 与集成信号发生器的合成主要参考元器件： 74LS390、74LS247、CD4060、74LS00、74LS74第二章 设计方案 2.1 测频法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，对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其信号频率为f=N/TG如图2.1所示：被测信号f闸门信号计数值NTG图2.1 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。2.2 测周法首先把被测信号进行二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号

8、周期的方波信号，然后用一个已知周期Ts的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期的时间内对fs信号进行计数，如图2.2所示被测信号f信号二分频T高频信号fs-NTs 若在T时间内的计数值为N，则有 T=N.Ts即 f=1/T=1/N.Ts=fs/N 侧周法测量的误差与信号频率成正比，而与高频率标准计数信号的频率成反比。当fs为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。2.3方案比较：测频法能比较直观的测出待测信号的频率，而测周法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而二进制数据的求倒数运算中小规模数字集成电路却较难实现，因此，测周法不适合本设计要求。2.4原理框图

9、：译码显示电路计数锁存电路阀门电路时基电路逻辑控制电路图2.3原理框图第三章 系统组成及工作原理3.1、整形电路 整形电路主要由一个SR锁存器构成，当输入正弦波、三角波和方波信号时输出都为方波信号，而且输入与输出信号波形的周期没有改变。3.2、时基电路时基电路由555芯片构成一个多谐振荡器，其作用是产生一个秒信号，用来计算一秒内的脉冲个数，即待测信号的频率。3.3、阀门电路 阀门电路由74LS00与非门组成，只有在秒信号到来时阀门才会开启，此时便会对待测信号进行计数，其他时候阀门关闭，计数停止。3.4、计数锁存电路此电路由四个74LS160十进制计数器构成，四个160芯片接成10000进制计数

10、器，用来对09999Hz的频率进行计数；74LS160芯片自身有计数和保持功能，只要通过逻辑电路输入相应的控制信号，就能实现计数和锁存功能。3.5、译码显示电路该电路由4片CD4511芯片构成，对74LS160计数器的信号进行译码，然后对译码管进行驱动，这样译码管就能显示出待测信号的频率值。3.6、逻辑控制电路 逻辑控制电路的主要器件是CD4017芯片，该芯片在输入周期脉冲信号时，其输出端Q0-Q9会依次出现高电平，因而可构成十进制顺序脉冲发生器；这样便可产生计数和锁存信号，而芯片本身具有清零功能，因而可实现计数、锁存和清零的循环。第四章 单元电路设计与计算4.1、整形电路 整形电路图如下：图

11、4.1整形电路图向输入端输入周期信号，在信号的正半周时，由SR锁存器的特性表可知输出端为高电平；在输入信号的负半周，锁存器的输出为低电平；这样就把一个周期信号转变成了方波信号。4.2、时基电路 时基电路图如右图所示： 时基电路由555芯片接成多谐振荡器，该振荡器可产生秒信号。 当直流电源接通后，电源通过R1.R2对电容C1充电。当电容C1充电到电源电压的2/3 VCC时，电容开始经R2、管脚7对地放电。当电容C1放电到电源电压的1/3 VCC时，7脚内部断开，电源又开始对电容充电。如此重复上述过程，在3脚可输出矩形波。其周期为: 图4.2 时基电路图 T=0.69(R1+2R2)C=0.69*

12、（120K+20K）*10uF=0.966s 4.3、阀门电路阀门电路图如下：图4.3阀门电路阀门电路由与非门构成，只有在秒信号内阀门才开启，这时待测信号的每一个周期都会使阀门电路输出一个高电平，送入计数电路进行计数。4.4、逻辑控制电路 控制电路图如右图所示： 控制电路的主体是CD4017芯片，当输入端CP0输入连续的周期信号时其输出端Q0-Q9依次输出高电平。当第一个秒信号到来时，Q0端为高电平，其他端都为低电平，这时Q0端的信号输入到阀门电路，阀门开启，进行计数；当第二个秒信号到来时，Q1端为高电平，Q0端就为低电平，所以阀门关闭计数停止，上一秒所计的脉冲个 图4.4 逻辑控制电路数得到

13、锁存；当第三个秒信号到来的瞬间，Q2端出现瞬间的高电平，Q2端端接CD4017芯片的清零端，使CD4017清零，然后又进行计数，这样便实现了 计数、锁存和清零的循环。同时清零信号还会接到74LS160计数器的清零端使计数器清零。它们有3个输入端：复位端R，时钟端CP和CPE（也叫EN）。有十个译码输出端：Q0Q9。在复位状态时，只有Q0表现为高电平“1”状态，其它端均为低电平“0”状态。另外还有进位输入端CO，可作为级联时使用。CD4017的管脚排列及真值表分别如图4.5和表4-1所示：CPCPER输出QN0*0N*10N100N+1110N+11*0N*10N*1Q0 图4.5 表4-14.

14、5、计数电路 计数电路如下图所示: 图4.6计数电路计数电路由4片74LS160芯片以置零法接成10000进制计数器，用来对0-9999进行计数，脉冲信号到来时计数器开始计数，然后输出到译码器，当清零信号来时，计数器会进行清零。4.6、译码显示电路 译码显示电路图如下： 图4.7译码显示电路 该电路由4片CD4511驱动4个共阴译码管构成，CD4511接受计数器的信号，然后驱动译码管进行显示。（在实际制作时，数码管要加限流电阻，不然会烧坏数码管） CD4511是BCD锁存/7段译码器/驱动器。 图4.8引脚图CD4511引脚功能： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态

15、是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。第五章 实验、调试及测试结果分析本次设计所用芯片均加5V直流电压，待测信号由函数信号发生器提供；在上电和加待测信号后数码管上有数字显示，但就是不会清零。

16、这说明了计数器在正常工作，译码管也在正常工作，但是并没有清零信号输入，所以没有进行清零，那么问题就出在555芯片上或者是CD4017控制电路部分；如果555没有进行振荡，那么便不会有清零信号产生，或者，如果CD4017芯片没有正常工作的话，逻辑控制电路也不会正常产生清零信号。用示波器检测各部分的输出信号，555芯片可以产生方波信号，说明其在进行振荡，那么问题应该是出现在了控制电路上面。用示波器去测CD4017，确实没有信号输出，这可能是芯片坏了，或者是出现了虚焊使得芯片没有工作，换了一片新的CD4017芯片，然后将该芯片的各个管脚用烙铁烫了一遍，这样便将问题解决了；频率计可以正常工作，但是存在

17、一定的测量误差。误差的来源主要是555芯片产生的秒信号不准，秒信号有误差，那么一秒内所测的脉冲个数肯定会有偏差。而555多谐振荡的周期与其所选的电阻和电容的值有着直接的联系，改变电阻或电容的值就可改变周期的大小，而电容的值不好改变，所以串联一个小阻值的电位器，调节电位器便能降低秒信号的误差，也就可以提高测量的准确度。测试时，用函数信号发生器输入方波信号时准确度高些，而三角波等则误差要偏大，这应该是整形电路部分产生的误差，输入信号的周期与输出信号的周期并不是一样的，这里也存有误差；SR锁存器构成的整形电路，其结构较简单，整形的效果也并不是特别理想。测试时还有一个明显的问题，由于CD4511译码器

18、并没有接上拉电阻，因而通过该芯片的电流较大，使得CD4511芯片发热很明显，而且通过数码管的电流也很大，电路工作时间一长，LED数码管很容易烧坏掉，所以为了保险起见，接上拉电阻是很有必要的。第六章 心得体会 在上完脉冲数字电路之后，做一次课程设计是很有必要的，这样可以将书本上的知识用于实际的应用中去。这是一个综合性的设计，并不是单靠某一章节的内容就能完成的，这需要将个部分的知识连贯起来应用才能完成设计，理论与实践的结合，这对于工科学生是很有帮助的。首先在仿真部分就遇到了不少麻烦。整体的电路图较以往所接触的电路来说要复杂一些，因为测频范围09999Hz，所以本次设计所用到的芯片较多，这使得焊接会比较复杂；电路的计数、译码、驱动部分都比较