自动换挡型1Hz-9.99KHz频率计(数电课设报告)

1、精选优质文档-倾情为你奉上数字电子技术课程设计题目：自动换挡型1Hz-9.99KHz数字频率计班级：XXXX 姓名：XXXX 学号： XXXX 成绩： XXXXX 完成日期：2010年7月9日自动换挡型1Hz-9.99KHz频率计一、设计目的 熟练掌握数字电路基本器件的使用方法，训练、提高读图能力； 掌握数字频率计的设计、组装、调试方法。二、设计内容及要求 1设计一个能测量1Hz9.99KHz、TTL电平的频率计，具有自动换挡功能。 要求用三位数字显示，1999Hz显示单位为Hz、1KHz9.99KHz显示单位为0.01KHz。画出完整的电路图，说明电路的工作原理。 2根据所给参考电路分析其工

2、作原理并解答思考题。 3 根据上述原理电路图，在印刷电路图中标出元器件的位置及代号，并完成跳线，使连接完整。 4 组装、调试频率计；写出实验、调试报告。选作内容： 1频率计输入接口，可以测量5mV10V的正弦波、三角波方波信号。 2让频率计具有以下精度：1 99Hz精度为0.2Hz100999Hz精度为0.5Hz1KHz9.99KHZ精度为1Hz三、设计方案选择方案一：（完全采用数字电路芯片去完成）1、 用555定时器产生1s的脉宽，然后通过十进制计数器在1s内对被测信号源实现计数功能，1s内的计数值即为对应的频率值，经计数器的输出端通过七段译码驱动管使数码管显示相应的频率值。 由于555定时

3、器的微分电路可以由可调电阻构成，可以实现闸门时间的控制与调节，这样在测量更高频率范围时电路的改进就会很方便，但是由于微分电路的充放电时间不是很稳定，这样得到的闸门时间1s就不是很精确， 在1s内对频率的计数值与实际的频率值就有一定的误差。2、 由于只有三只数码管，当从999HZ上升到1KHZ以上时，三只数码管无法显示全部数值，因此要用相应的控制电路控制换挡，对被测信号源十分频，只显示千、百、十三位的数值而丢掉了个位的数值，同时将第三只数码管的小数点点亮，按KHZ读取数据。方案二：（也是完全采用数字电路芯片去完成）1、 为了得到1s的精确的闸门时间，我们可以采用石英晶体多谐振荡器，这样测量的频率

4、值就比较接近实际值，但有一个缺憾就是如果要更换测量范围，就必须更换石英晶体多谐振荡电路，改进起来就会很麻烦。 2、 译码器我们也可以采用74LS48，但由于74LS48内部有限流电阻而没有内部锁存器，结果显示时就不是那么稳定，产生1s闸门时间的555定时电路就要做相应的改进，闸门时间过后的低电平的时间就要延长，保证结果能稳定显示。方案三：（采用单片机方案）1、我们采用定时/计数器T0工作于定时方式产生1s的精确的闸门时间，而采用定时/计数器T1工作于计数方式对外部被测频率信号实现计数。将每次的计数结果分为高8位和低8位分别放入一个寄存器中。2、对于自动换挡，我们需要一个比较转移指令 CJNE

5、Rn，#date，NEXT将每次的计数结果与999比较大小，分<999、=999、>999三种情况分别转向三个子程序执行相应的处理操作。3、采用软件译码，用查表指令实现三个数码管的显示最终给定的方案为方案一，下面我们将对方案一的原理作详细的说明四、整体构思及系统框图（1）基本原理我们举一个很简单的例子：若f =1Hz，则它的周期即为T=1s，那么在1s内就有1个脉冲若f =2Hz，则它的周期即为T=1/2s，那么在1s内就有2个脉冲若f =nHz，则它的周期即为T=1/ns，那么在1s内就有n个脉冲,若对这n个脉冲进行计数，计数值就是被测频率信号源的频率nHZ。我们采用555定时器

6、产生1s的脉宽，在这1s的脉宽内我们通过计数器对被测频率信号源计数。由于要求只能用三位数字显示，当频率小于999HZ时，只需三个十进制的计数器就可以得到正确的计数结果；当频率大于999HZ时，就需要四个十进制的计数器才能够得到正确的计数结果。于是我们采用相应的控制电路，使被测频率经过四个计数器计数，只取高三位的数值，同时将第三位数码管的小数点点亮。每次开始计数的时候，我们就用相应的控制电路让所有计数器的输出端全部清零，保证每一个闸门时间内计数器都是从0开始计数的。被测信号门控电路 自动换挡型频率计原理框图 分频器计数、译码、驱动、显示高位计数溢出检测电路分频、显示控制电路（2）系统框图五、设计

7、中可能用到的芯片的使用说明定时我们采用NE555定时器，计数我们采用十进制/二进制计数器DM74LS90，译码我们采用BCD7段锁存译码器/驱动器CD4511，分频显示控制电路我们用到4与非门74LS00和双JK触发器74LS112。（1）NE555定时器NE555定时器芯片将555的THR和TRI端两个输入端连在一起作为信号输入端即可得到施密特触发器。 施密特的输出端经电阻接到输入端，输入端经电容接地就可以得到多谐振荡器。同样的道理，也可将555定时器接成如上右图所示的多谐振荡器。振荡周期仅由C3和R2、R3所组成的充放电电路的充放电时间决定： T=T1+T2=（R3+R2）Cln2+R2C

8、ln2=（R3+2R2）Cln2 （说明：这里C=C3） f =1/T=1/（R3+2R2）Cln2（2）DM74LS90 74LS90芯片引脚图 74LS90的逻辑功能表复位输入输出R01R02R91R92QDQCQBQA110x000011x00000xx111001x0x0计数0x0x计数0xx0计数x00x计数由功能表可知：当R01和R02都为1时，才具有清零功能，而当R01和R02中有一个为0时，清零都无效。R91和R92的置9功能也是当R91和R92同时为1时置9才有效，而当R91和R92中只要有一个为0时置9都无效。当置9和清零都无效时。将输出端QA与B输入端相接，CLK从A输入

9、端输入就实现十进制加计数功能。（3）CD4511 4511芯片引脚图 4511的逻辑功能表 输 入输 出LEBILTDCBAabcdefg显 示XX0xxxx1111111 8X01xxxx0000000消 隐011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013 011010001100114011010110110115011011000111116011011111100007011100011111118 01110011110011901110100000000消 隐01110110000000消 隐0111

10、1000000000消 隐01111010000000消 隐01111100000000消 隐01111110000000消 隐111XXXX锁 存锁 存由功能表可知：L T灯测试输入端，L T=“0”时，译码输出全为“1”，灯显示数字“8“BI消隐输入端，BI=“0”时，译码输出全为“0”，灯不显示任何数字。LE锁定端，LE=“1”时，译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在LE=“0”时的数值，LE=0时为正常译码。A、B、C、DBCD码输入端a、b、c、d、e、f、g译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。（4）双JK触发器74LS112 JK触发器的逻辑功能表 输 入

11、输 出SDRDCPJKQn+1Qn+101XXX1010XXX0100XXX1100QnQn1110101101011111QnQn11XXQnQn由功能表可知：CLK端为下降沿触发SD、 RD 端异步置数和异步清零端，当其中一个有效时，即为低电平0时，不管CLK脉冲是否到来，都执行相应的置数或清零操作。J、K端在SD、 RD端均无效的情况下，CLK的下降沿到来时，若J=1、K=0则置1；若J=0、K=1则清零；若J=0、 K=0则保持；若J=1、 K=1则翻转。六、各部分定性说明以及定量计算：（1）555定时电路01（用于产生被测频率信号源）当TR和TR端为低电平输入时，3脚Vo输出为高电平

12、，Vo经R2、R1给电容C1充电。 T1=（R2 +R1）C.·ln2 （说明：这里C=C1=0.01uF）当达到正向阈值电压时，Vo立刻跳变为低电平。C1又经R2、R1给Vo放电。T2= （R2 +R1）C.·ln2于是T=T1+T2=2（R2 +R1）C.·ln2 f=1/T=1/2（R2 +R1）C.·ln2由于R1已知，R2为可调电阻，调节R2即可以改变Vo输出的频率。（2）555定时电路02（用于产生1S的闸门时间）此电路是将DIS经R3/D1之后接到TR和TR端，DIS的电平特性与3脚Vo完全相同。TR和TR端为低电平输入时，3脚Vo和7脚D

13、IS均输出为高电平，DIS经R3、D1给电容C1充电。T1=（R3/RD1正+R2+R1）C.·ln2当达到正向阈值电压时，DIS立刻跳变为低电平。C1又经R3、D1给DIS放电，流经D1的为反向电流，D1可以视为开路。T2= （R3）C.·ln2由于（R3/RD1正+R2 +R1）>>（R3），故T1>> T2，即输出端Vo高电平持续时间1s远大于低电平持续的时间。（3）微分电路 当与非门输入端有一个为0时，输出端为1，电容C1两端电压为0，而当输入端全为1时，输出端为0，由于电容C1两端的电压不能突变，故电容C1的右端与电阻相接的一端输出为0，但

14、是这个低电平是不能长久的，电源Vcc经680欧的电阻R1给电容C1充电，一段时间之后，电容C1的右端又恢复高电平。（4）计数电路 当1s的闸门时间开始的时候，输入的高电平经C2使计数器的清零端清零。每次1s的闸门时间开始的时候都是这样实现清零。由于1N4148的钳位作用，很快置零端又下降为低电平，置零信号很快就消失，允许计数器计数。将QA接到CLKB的输入端，使74LS90构成十进制计数器。当低位记到9时Q3=1，下一个计数脉冲到来的时候，计数器记满溢出，Q3由10，产生的下降沿正好可以作为高一位的CLK输入。（5）自动换挡电路（分频切换和小数点控制） 起始的时刻，闸门时间内的高电平信号经3个

15、与非门U7B、U6B、U2B后转化为低电平将JK触发器U4A置1，但很快5V电源又经680欧的电阻给电容C2充电，置一端很快又回到高电平，所以置一信号很快消失。而在计数的过程中，若f>100Hz,则最高位的Q0可能会为1，当Q0=1时经与非门U3B后为低电平，将JK触发器U4A清零，同理清零信号也很快消失。即使Q0又变回0，JK触发器U4A的输出端Q也仍然为0，Q=0将与非门U5B封锁，使JK触发器U1A的清零端无效，同时也使译码器4511的消隐端无效，最高位的数码管正常显示。 （6）对整体电路的说明本电路能测量1Hz9.99KHz的方波信号，三位数字显示，1999Hz显示单位为Hz、1

16、KHz9.99KHz显示单位为0.01KHz。由U2及外围电路组成的门控电路，产生脉宽1秒的方波信号，控制U1A，让U12及外围电路组成的摸拟被测信号通过，单位时间的计数值即为被测信号频率。由C2、R3组成的微分电路，在一个新的计数周期开始瞬间对上次计数结果清零由U11B、U10C、U10D及两微分电路构成计数器高位“1”检测，即在一个计数周期，高位至少计一个数；否则分频器U3没有必要接入。每个计数周期开始后，U10C及微分电路首先通过U11B的SD端使U11BQ置“1”此时由于U10B的5脚为低电平，U11A的CD端不起作用。在计数周期只要U6Q0端有一个“1”，U11BQ端就会清为“0”，

17、U11A的CD端在计数周期都不起作用。若在整个计数周期U6Q0端始终为零，U11BQ端保持为“1”，当计数周期结束时，U10B4、5脚均为高电平，U11A的CD端起作用，U11AQ端为“0”，U3输出“1”，即分频器U3不起作用（整个计数周期U6Q0端始终为零，说明分频器U3没有必要加入）；同时U10B使得U9的消隐端起作用，高位无效“0”不显示。U11B本质是一个RS触发器。为检测计数器高位是否溢出，将U6Q3作为U11A的时钟，当U6Q3由“1”“0”时，U11AQ端的状态取决于当时J端状态，J=0，QN+1保持原状态，J=1，QN+1=1。而J端的波形与U2Q相比延迟数微秒，其原因是：每

18、个计数周期开始时，都要对上一次计数清零，如果上一次计数周期高位计数值是8或者9（波形图上画出四个计数周期U6Q3可能的情况），就会产生虚假的溢出信号，J的波形保证清零时J=0，使清零时产生的假溢出信号得到抑制。当U11AQ为“1”时U3作为十分频器接入电路，同时将高位数码管的小数点点亮。列表说明如下：情况说明JK触发器U11B 与非门U10BJK触发器U11A备注Q4脚5脚6脚QQf<=999HZ时闸门时间到来期间即555定时器U2输出端Q=1若f<100HZ,则Q=110101与非门U1B打开，计数器U3被置9。若f>=100HZ,则Q=000101与非门U1B打开，计数器

19、U3被置9。闸门时间过去期间即555定时器U2输出端Q=0若f<100HZ,则Q=111001最高位数码管消隐。与非门U1B打开，计数器U3被置9。若f>=100HZ,则Q=001101与非门U1B打开，计数器U3被置9。f>999HZ时闸门时间到来期间即555定时器U2输出端Q=1当计数超过999HZ时，Q=0001当计数超过999HZ时被置10与非门U1B被封锁，计数器U3开始计数。闸门时间过去即555定时器U2输出端Q=0当计数超过999HZ时，Q=001110与非门U1B被封锁。七、组装调试中应该注意的问题1 检查印刷电路板有无断路、短路，若有，首先处理好。2 焊接顺

20、序：电阻、二极管、跳线、IC插座、电容器，逐一焊接。先焊平面的，后焊立体的，原则是有利于焊接。要求卧装水平、竖装垂直、相同元件等高。要特别注意元器件的安装方向！3 焊接要点：将元件整形后插入对应位置，电路板平放在台面上，一手握烙铁对焊盘和引脚同时接触预热，另一手持焊锡丝与焊盘处烙铁接触，使锡丝熔化，当锡丝熔化一定量时（多了不好少了不行），立即将锡丝离去，烙铁继续保持少许时间，让焊锡围绕焊盘自由流动，形成一个完全覆盖焊盘的钟形（忌讳球形）焊点。切勿将焊锡先溶化在烙铁上再去焊接，这样锡丝里的助焊剂在未焊接前先挥发了，不利于焊接，而且焊点没有光泽。4 剪脚：元件焊好后，将多余引脚剪掉，剪脚后的焊点应

21、露出引脚0.5-1mm。本课设要求引脚露出2mm，以利于元件重复使用。5 检查元件及IC插座有无错焊、漏焊，方向是否正确无误，将集成电路插入相应插座。6 将5V直流电源接入电路（TTL电路对电源要求很高，电压值和方向都不能接错！）。若发现元器件发热或者有异味，应立即切断电源检查。7 正常时数码管会显示所测信号频率，若不能则按以下步骤用示波器检查：被测信号输出是否正常；闸门控制电路是否正常；清零、锁存信号是否存在；计数器、译码器工作是否正常；当不能自动换挡时，应该重点检查计数溢出检测电路；调整闸门时间，使频率计正确测频。八、设计心得体会1、在焊电路板的时候一定要小心，因为PCB板内部有很多细小的

22、连线，不小心的话就容易焊到一起去，最终就无法实现电路的功能。2、对于CMOS电路，引脚不能悬空，原因有二:其一，悬空输入端内部电流很大，容易使芯片发烫，容易烧坏芯片。其二，悬空的引脚容易受到外界的干扰，本来该引脚可能是低电平执行灯测试操作，但悬空后可能该引脚就为低电平，数码管始终显示8而不随输入频率的变化而变。3、对于f>1KHZ的信号，我们通过对电路的理解发现，在一个闸门时间内无法得出正确的结果，只有在下一个1s闸门时间结束的时候，才能得到正确的显示结果。还有一种情况就是上次测量的f>1KHZ，而这次测量的f<1KHZ的时候，也要经过两个闸门时间，在第二个闸门时间结束的时候

23、，才能得到正确的显示结果。但这些过程相对于我们的肉眼来说都很快，所以我们能够看到正确的结果。九、参考文献 1 张伟，张瑾，张明峰，李素双编，新编实用集成电路选型手册，人民邮电出版社出版 2阎石主编，数字电子技术基础（第五版），高等教育出版社出版3数字电子技术实验指导书 武汉纺织大学电信学院编附录1对设计中可能会遇到的一些问题的思考1、电路中有几处用到了微分电路D2的作用是什么？不用可不可以，画出C2两端的波形图。电路中共有7处用到微分电路，这些微分电路的功能分为2种。第1种：用于555定时电路，产生矩形波。第2种：用于产生瞬间的有用信号。如下图所示： 2、分频器U3起作用的条件及被测信号流程（

24、至U4）。当f>999HZ时且U11B的Q为0时，分频器起作用。被测信号流程如下:f -U1A-U3的CLK0-U3的Q3-U1C-U4的CLK03 、U2、U12同为震荡器，在一个震荡周期中，调WR1、WR2改变了什么，周期T的表达式？调WR1改变的是闸门时间和波形的占空比。而调WR2改变的是信号源的频率，其占空比始终为50%。U2的周期表达式为：T=T1+T2=（R2/RD1正+WR1+R1）C.·ln2+（R2）C.·ln2U12的周期表达式为：T=T1+T2=2（WR2 +R8）C.·ln24、U10A及R4、C3的作用是什么？画出U1D的输入及U1

25、0A的输出波形.对U2所给信号的第二次反向。5、若二极管D1接反，U2Q波形如何？若D1接反，则电容的充电时间变长而放电时间变短，即U2Q输出的高电平时间变长，而低电平的时间变短。T=T1+T2=（R2 +WR1+R1）C.·ln2+（R2/RD1正）C.·ln26、当频率过KHZ后，小数点点亮，随后频率KHZ以下，但小数点不灭，问故障可能所在？JK触发器U11A没有被清零。7、译码驱动电路7448和4511管脚布置完全相同，分析两种芯片在本电路的应用，比较各自特点。74LS48内部有限流电阻而没有内部锁存器，接数码管时不需外接限流电阻，但它的数码管数字显示不稳定，要相应延

26、长闸门时间结束后的低电平的时间才能显示正确的结果。它是TTL电路，引脚悬空相当于高电平。 4511内部有内部锁存器而没有限流电阻，接数码管时需外接限流电阻。一般不存在数码管数字显示不稳定的问题，但有一点要注意，4511是CMOS电路，引脚不能悬空，未有接入电路的引脚要接使该引脚无效的电源或地。8、电位器3296右旋时，脚脚靠拢，要求电位器右旋时，门控制电路的输出正占空比、信号频率，Rw1、Rw2的、脚与电路如何连接？根据前面的周期公式和频率公式即可得出正确解法。9、 U11A的功能(CD端为“1”)及作用是什么?试画出U11AQ端波形（U11AQ端起始为“0”），若J端接U2Q，画出U11AQ端波形，并分析会产生什么不良后果？U11A的主要功能就是在f>=1KHZ时Q=1而Q=0。Q=1将小数点点亮，Q=0封锁与非门U1B，计数器U3的置9端MS1、MS2无效，使信号经过计数器U3计数。f<1KHZ时Q=0而Q=1, Q=1打开与非门U1B，计数器U3的置9端MS1、MS2有效计数器输出Q3Q2Q1Q0=1001，打开与非门U1C，允许被测频率信号经过后面的3个计数器计数，而不经过计数器U3。10、 电路中R3、4、5、6的阻值均较小，选取依据是什么？最大可取什么值？依据T