#电子信息工程课程设计-频率计

1、物理与机电工程学院课程设计报告 课程名称： 电子线路课程设计 系 部： 物理与机电工程学院 专业班级： 10 级电子信息工程（ 2）班 学生姓名：指导教师： 完成时间： 2010 年 10 月 19 日 报告成绩：数字频率计的设计一评、阅设意计见任：务与要求1） 被测信号的频率范围为 10Hz 10KHz，分成两个频段，即 10Hz 999Hz， 1 10KHz。(2)(3)(4)具有自检功能，即用仪器内部的标准脉冲校准测量精度。(5)用 3 为数码管显示测量数据，测量误差小于 10%。 具有超量程报警功能， 在超出当前量程挡的测量范围时， 发出音响信号。测量误差小于评5阅%。教师日期我把本次

2、设计扩展为测量频率 10Hz100KH，z 分成两段， 即 10Hz9999Hz，10100KHz)二、方案设计与论证方案一、完全采用数字完成用 555 定时器构成的多谐振荡器产生 0.1s 的脉宽，再通过分频器形成产生 1s 的脉宽，然后通过十进制计数器在 0.1s/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 （0.1s 内的计数值应乘以 10，可由小数点的移 位实现 ） ，经计数器的输出端通过八段译码驱动管使数码管显示相应的频率值。由于 555 定时器所构成的多谐振荡器可以由电位器构成， 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

3、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就不是很精确， 在内对频 率的计数值与实际的频率值就有一定的误差。由于只有四只数码管，当从 9999HZ上升到 10KHZ以上时，四只数码管无法 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 示万、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、采用单片机完成1、我们采用定时 /计数器 T0工作于定时方式产生 0.1/1s 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

4、和低 8位分别放入一个寄存器中。2、采用软件译码，用查表指令实现三个数码管的显示 由于此次的设计要求我们加深对数字电路的应用的了解以及进一步熟悉数 字电路系统的设计，故而采用方案一。三、单元电路设计与参数计算1、整形电路 为了得到各种周期波形的信号，必须先将其他波形的周期信号转化为方波， 本次整形电路采用由 555 定时器所构成的施密特触发器， 它能将各种周期信号转 化为方波。其电路如下：2、闸门电路本部分电路是由与门组成的， 该电路有两个输入端和一个输出端， 输入端的 一端，接门控信号，另一端接整形后的被测方波信号。闸门是否开通，受门控信 号的控制，当门控信号为高电平“ 1”时，闸门开启；而

5、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 的输出值正比于被测信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出 来，就可以得到被测信号的频率。其电路如下：3、计数电路本部分的电路时采用 10进制计数器 74ls192 所组成的，当信号源接在 5 脚 的时候，芯片的工作模式为加计数器。1”时，闸本次电路 5 脚应接闸门的输出端，如下图所示，在门控信号为门有信号输出，计数器进行加计数；在门控信号为“0”时，闸门输出为“ 0”，此时计数器不进行计数。3 、2 、6 、7 脚

6、依次为从低位到高位的输出引脚， 接到锁存器的输入端。 14 脚为清 0 端，高电平清 0，在时基或分频电路低电平期间，由逻辑控制电路产生 一段高脉冲进行清 0，为重新计数做准备。4、逻辑控制电路本部分的主要电路由一个单稳态触发器和一个同或门 （由于领不到同或门的 芯片，就由非门及与非门组成） ，单稳态触发器的脉冲要求要低于门控信号为 “0” 的时间（即要小于 0.1s ）。参数计算：单稳态触发器：输出脉冲的时间： t1= （R+R0）*C*ln（Vol-Voh）/（Vol-Vth）其中，R取100K，C取1uF，TTL的输出低电平 Vol 约为0.2V输出为低电平 是的输出电流 Iol=18m

7、A，输出高电平 Voh约为 3.6V ，Vth 约为 2.5V，低电平的 输出电阻 R0=Vol/Iol=200/18=11R （可忽略不计）。带入数据得 t1=39ms100ms。 故而可取。当锁存之后，应该对计数器进行清 0，此次所选用的计数器为高电平清 0。门控电路和单稳态触发器及两个信号经过同或门后的波形理论应如下：1)为门控电路波形( 2)为控制锁存器波形( 3)为控制清 0 波形输入 A输入 B输出 F001100010111F=AB+AB=(AB)(AB), 故而可用如图所示电路。图中的六脚 自锁开关时作为调档所用。5、锁存电路锁存器的作用是将计数器在 0.1s/1s 结束时的计

8、数值进行锁存， 使显示器获 得稳定的测量值。 因为计数器在 0.1s/1s 内要计算成千上万个输入脉冲， 若不加 锁存器，显示器上的数字将随计数器的输出而变化，不便于读数。 1s 的计数结 束时。逻辑控制电路发出的锁存信号， 将计数器此时的值送到译码器， 因此显示 器的数字是稳定的。此次选用 2 片 74ls273 锁存器可以实现上述锁存功能。 74ls273 的真值表如下：RSTCLKDQ0XX011110010X保持如下图所示， CLK接同或门的输出。 Q端接译码器的 A端，D端接计数器的 Q端。6、译码显示电路本次电路译码器选用 4 片 74ls48 ，显示部分是采用 4 个 8 段共阴

9、数码管 如下图所示，7、门控电路门控电路由时基电路和译码电路组成，电路如下图所示时基电路是由 555 定时器所构成的多谐振荡器构成的， 要求振荡器的高电平 时间脉冲为 0.1s ，如图若 R1=R2可产生占空比为 50%，的方波。高电平时间脉冲 的宽度计算： T1=0.7R1*C，低电平时间脉冲的宽度计算： T2=0.7R2*C，为了方便 调节及精准度，故而可选定 C=1uF，R2、R1用 100k 的电阻和 473 的电位器（若 C选用 1uF，R约为 142.8k ）。分频电路由 2 片 74ls192 组成，第一片计数器与一个与非门组成 5 进制的计 数器，再由第二片直接 Q0端输出，这

10、样就可组成一个 10 进制分频器。 由于输出 是 U4的 Q0端，故而要求多谐振荡器的输出方波的占空比为 50%。8、报警电路当计数器计数超过 100k 时，最高位的进位标志位 TCU会产生一个低脉冲，低脉冲触发由 555 定时器所组成的单稳态触发器， 再经过三极管放大便可使蜂鸣 器产生声响。报警间隔时间 t=1.1RC=1.1*68K*1u=0.075s 。也就是每 0.1s 产生声响时间 为 0.075s 。四、仿真过程与仿真结果仿真总电路图如下：5VVsRSTDISTHRN4007TRIN40075CONGNDCfU20A74LS04D1F74S04D4007 621R01kTHRTRI

11、C1 LM555CM0.01F11CU2A74LS08D555_VIRTUAL31312LOAD BOAQABQBCQCDQDLOAD BOCLR COUDPOWNKey = Space74S00DU20CKey = SpaceUADBD DC DD LE IB LT5Q6Q 7Q 8Q1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q21B11C01D9E51F41G 31A12B11C10D9E15F14G5 6912 5116 91CDLOADCLR151109 1114U114511BD_5VADBD DC DD LE IB LTU74511BD_5VU1474LS273DWLRCLKCU

12、9 1BD_5V 4511BD_5V AD BDDC DD LE IBLT7126543 7126 543U1374LS273DW347831141718113762 111950AQA3BQB2CQC67DQD7191150U5AQA3BQB2CQC67DQD7U615AQA1BQB190CQC9DQD1123 511414LOAD BO 1CLRCO 1UPDOWN32 151414LOADBO 13CLRCO 12UPDOWN11 LOAD BO14 CLRCO4 UDPOWN74LS192D1D2D 3D4D 5D6D 7D 8D1D 2D3D 4D5D 6D7D 8DVCC下图分别为

13、仿真的门控电路、 锁存信号、清0 信号的波形。由于芯片会延时， 故而清 0 信号会有尖波，但尖波足够小，不会清 0下图分别为门控信号、整形后型号、闸门输出信号经过仿真，发现该电路可实现设计要求的所有功能五、总原理图及元器件清单1.1整形、门控、控制、闸门电路1.2元件清单元件标号元件型号数量参数C1, C2Cap2103C3, C4Cap2104D1, D2, D3Diode 1N40073P1Header 21P2Header 21P3Header 21P4Header 21P5Header 21P6Header 21P7Header 21R2, R3,Res23100KR5R1Res211

14、0KR4Res211KR6, R7Res Adj12473S1六脚1U1, U2NE5552U3, U4DM74LS192N2U5DM74LS08N1U6DM74LS00N1U7DM74LS04N12.1计数、显示译码、锁存电路2.2元件清单元件标号元件型号数量DS1, DS2, DS3, DS4Dpy Blue-CC4P1, P2, P3, P4, P5, P6Header 26U1, U2, U3, U4DM74LS48M4U5, U6DM74LS273N2U7, U8, U9, U10DM74LS192N43.1报警电路3.2元件清单元件标号元件型号数量参数C1Cap1104C2Cap1

15、103LS1Speaker1P1, P2, P3Header 23Q12N39041R1Res21100KR2Res211KU1 LM555CJ 1六、安装与调试1、电路安装检查印刷电路板有无断路、 短路，若有，首先处理好。 焊接顺序： 跳线、 电阻、二极管、 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！连电路是要分局部连接，每一个功能模块要分开接，这样连接的电路除 了什么错误就比较容易发现并改正。2、电路调试2.1 接上电源后，用示波器测试多谐振荡器的波形， 用电位器调节波形脉宽， 使其占空比为

16、 50%，频率为 5Hz。用示波器测试分频器的输出，测量器脉宽是否为 1s。接上信号，用示波器分别测量当输入为正弦波、方波、三角波是的波形 是否为方波。用示波器测量闸门输出波形是否符合设计要求。测量锁存信号与清 0 信号是否符合设计要求。若上述波形均符合设计要求，则组装好电路进行测试。若是出现问题， 则对相应模块进行改进。七、性能测试与分析1、测试结果频率范围10Hz 9999Hz输入频率10999200050009999正监测频率101000199849979993弦误差01236波相对误差00.1%0.1%0.06%0.06%方波监测频率10999199849979994误差00235相对

17、误差000.1%0.06%0.05%角波监测频率101000199849979994误差01235相对误差00.1%0.1%0.06%0.05%频率范围10KHz 99.99KHz输入频率10K30K50K70K99.99K正弦波监测频率9.99K29.94K49.91K69.89K99.89误差0.01K0.06K0.09K0.11K0.11K相对误差0.1%0.2%0.18%0.16%0.11%方波监测频率9.99K29.94K49.91K69.89K99.89误差0.01K0.06K0.09K0.11K0.11K相对误差0.1%0.2%0.18%0.16%0.11%角波监测频率9.99K

18、29.94K49.91K69.89K99.89误差0.01K0.06K0.09K0.11K0.11K相对误差0.1%0.2%0.18%0.16%0.11%2、结果分析 经过几天的安装与调试，最后终于出结果，实现了以下几个功能： 1）测量频率范围 10Hz99.99KHz 的频率；2） 最大读数 99.99KHZ,闸门信号的采样时间为 0.1s/1s ；. 3）被测信号可以是正弦波、三角波和方波；4）显示方式为 4 位十进制数显示；5）具有超过量程声报警功能，报警声响时间。6）输入信号最大幅值可扩展。7）测量误差第一档小于 +-0.1%，第二档小于 +-0.2%。 存在一定的误差，原因：线路接口太多，为了保持接线的美观，没有很弯曲 的线，所以只能弄折线，接线点就会增加，导致一定的误差。报警功能也实现的 比较好，当实验测量值超过一定的数值时，电路会自动报警。八、结论与心得1、此次课程设计加深我对 数字电子