《數(shù)字電子技術基礎》課程設計說明書

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1、 課程設計任務書 學生姓名： 專業(yè)班級： 電信1104 指導教師： 工作單位： 信息工程學院 題 目：數(shù)字頻率計 初始條件： 具備電子電路的基礎知識和設計能力；具備查閱資料的基本方法；熟悉常用的電子器件；熟悉電子設計常用軟件的使用； 要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求） 1、設計頻率檢測電路； 2、測量信號與TTL電平兼容，頻率范圍：0HZ～100KHZ； 3、數(shù)碼管顯示頻率； 4、掌握數(shù)字電路的設計及調(diào)試方法； 5、撰寫符合學校要求的課

2、程設計說明書。 時間安排： 時間一周，其中2天原理設計，3天電路調(diào)試 指導教師簽名： 年 月 日 系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目錄 摘要 1 1. 數(shù)字頻率計的設計總體方案 2 1.1數(shù)字頻率計的簡介 2 1.2電路方案設計 3 2. 電路模塊設計 4 2.1計數(shù)電路 4 2.4時基控制電路 6 3. 系統(tǒng)總體電路圖 7 3.1計數(shù)部分電路 7 3.2閘門邏輯控制電路 8 4. 軟件仿真圖 9 5. 實物調(diào)試 10 5.1實物制作 10 5

3、.3誤差分析 11 5.4元件清單 12 6 心得體會 13 參考文獻 14 摘要 本文介紹了一種測量僅與TTL電平兼容的信號的數(shù)字頻率計，其頻率的測量范圍為0HZ到100KHZ，此次設計頻率計思路主要是利用計數(shù)原理，通過一定的時基控制電路能在1秒鐘以內(nèi)讓計數(shù)器工作于計數(shù)狀態(tài)，最后在1秒鐘內(nèi)將計數(shù)值進行鎖存﹑輸出﹑顯示，即可得到待測信號頻率 ，涉及到的集成芯片主要有十進制計數(shù)芯片74LS90﹑邊沿控制鎖存器74LS273﹑用于數(shù)碼管顯示的譯碼器CD4511﹑以及時基芯片555和雙可重復單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123,共同完成了數(shù)字頻率計

4、的設計。 關鍵詞：TTL電平兼容信號，計數(shù)，頻率計 1. 數(shù)字頻率計的設計總體方案 1.1數(shù)字頻率計的簡介 (1) 數(shù)字頻率計概述 數(shù)字頻率計主要是采用數(shù)字電路制做成的能實現(xiàn)對周期性變化信號頻率測量的儀器。頻率計主要用于測量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號的頻率值。其擴展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。通常說的，數(shù)字頻率計是指電子計數(shù)式頻率計。 （2） 頻率計測量方法 頻率計的測量方法很多，因其工作原理的不同導致有很多的測量方法。比如有比較法、無源測量法﹑示波器法和計數(shù)法 ，最常用的的是

5、計數(shù)法，計數(shù)器法測量電路簡單﹑可靠，而且頻率的測量精度還較高，便于直接進行數(shù)字化的顯示。計數(shù)法測量頻率又分為直接測頻法和間接測頻法。 （3） 頻率計組成結構 一般以計數(shù)原理來制作的頻率計是由時基控制電路，放大整形電路，計數(shù)電路以及顯示電路等部分組成，頻率計的組成框圖如下： 放大整形 閘門電路 待測信號 衰減放大 | 顯示電路 計數(shù)電路 組成時基控制電路 時鐘振蕩電路

6、 圖1-1頻率計系統(tǒng)組成圖 2 1.2電路方案設計 方案一：通過單片機軟件實現(xiàn)，利用單片機內(nèi)部所集成的定時器，在編程基礎定時周期1秒，然后設置I/O端口為計數(shù)模式，并且設置中斷時間為1秒，然后直接用單片機I/O端口驅(qū)動數(shù)碼管進行顯示，計數(shù)值即為所測頻率。具體流程如下： I/O端口設置為計數(shù)模式 為1秒 定時器設置為1秒 單片機為主控制器 1秒中斷后數(shù)據(jù)鎖存﹑輸出﹑顯示 設置1秒鐘的定時中斷 圖1-2軟件實現(xiàn)流程圖 方案二：通過直接計數(shù)法測頻率，利用計數(shù)芯片和時基控制電路實現(xiàn)對脈沖進行計數(shù)，在1

7、秒內(nèi)對脈沖進行計數(shù)，其1秒內(nèi)計數(shù)值通過鎖存器進行鎖存后輸出，然后通過顯示電路顯示計數(shù)值，其計數(shù)值則為測量頻率。其方案設計流程圖如下所示： 輸入脈沖 計數(shù)電路 計數(shù)清零 1秒后完成數(shù)據(jù)鎖存 定時1秒計數(shù) 數(shù)據(jù)顯示 時鐘脈沖電路 圖1-3數(shù)字芯片實現(xiàn)測量頻率流程圖 方案比較論證： 方案一主要是依靠軟件編程實現(xiàn)，對于設計一個數(shù)字頻率計還是電路相對簡單，成本也較低，也便于容易實現(xiàn)。方案二是依靠數(shù)字集成芯片，原理比較清析，但是用到的集成芯片較多，外圍線路很多，但是對于熟練掌握數(shù)字電路芯片是個很好鍛

8、煉機會，另外本次是完成數(shù)電的課程設計。綜合考慮下，最終還是選擇方案二。 2. 電路模塊設計 2.1計數(shù)電路 計數(shù)部分電路用的是二—五十進制的計數(shù)器74LS90,通過CLK0下降沿觸發(fā)后開始計數(shù)，CLK0與Q0構成二進制計數(shù)器，CLK1與Q2﹑Q3﹑Q4構成五進制計數(shù)器，MR1與MR2同時高電平則輸出清零，MS1與MS2同時為高則置9，Q0與CLK1相連構成十進制。此次設計中用到6個74LS90進行級聯(lián)計數(shù)，構成6位數(shù)的計數(shù)是利用Q3的下降沿來觸發(fā)高位計數(shù)，即將Q3接到下一級芯片的CLK0，則可以完成高位的計數(shù)。 圖2-1基于74LS09計數(shù)電

9、路 16 2.2數(shù)據(jù)鎖存輸出以及顯示電路 數(shù)據(jù)的鎖存用到的是上升沿觸發(fā)的74LS273的八位數(shù)據(jù)鎖存器，只有在有上升沿才將數(shù)據(jù)鎖存輸出，CD4511是常用的共陰極數(shù)碼管譯碼器，其具體連接電路如下： 圖2-2數(shù)據(jù)鎖存器輸出顯示電路 2.3門閘電路 門閘邏輯電路主要用雙可重復單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123來完成1秒后數(shù)據(jù)鎖 圖2-3門閘邏輯控制電路 存輸出，緊接著將計數(shù)器清零，避免下次脈沖到來時又再此基礎上重新計數(shù)，導 致頻率測量發(fā)生錯誤。74LS123觸發(fā)器在B端電

10、位置為高電平時，在A端出現(xiàn)下降沿時，在輸出Q端就會產(chǎn)生一個單穩(wěn)態(tài)的脈沖波 ，此次設計的門閘主要利用產(chǎn)生的脈沖波的上升沿來使計數(shù)值鎖存輸出，然后再將計數(shù)器進行清零。通過外接電阻電容元件就可以改變輸出脈沖寬度，輸出脈寬，則設置好合適的電容和電阻調(diào)整輸出脈寬。 2.4時基控制電路 時基電路主要用到555定時器來產(chǎn)生一個方波信號,如下圖由555構成一個多諧振蕩器電路 圖2-4由555構成多諧振蕩器電路圖 通過調(diào)節(jié)電位器R1可以改變輸出的占空比，該方波的整個充放電周期為，高電平所占時間為，此次設計要求輸出方波的高電平時間為1秒，，則可以有理論計算出，用高精

11、度的電位器R1就可以將高電平的脈寬調(diào)到很精準1秒，則數(shù)字頻率計的精度也會提高。 3. 系統(tǒng)總體電路圖 3.1計數(shù)部分電路 原理圖部分一： 圖3-1脈沖計數(shù)電路原理圖 計數(shù)部分的電路利用的是6個十進制芯片74LS90，3個上升沿觸發(fā)八位數(shù)據(jù)74LS123的鎖存器，以及后面CD4511譯碼器和七段顯示數(shù)碼管，構成對輸入的秒沖進行計數(shù)﹑鎖存，最后進行輸出和顯示在數(shù)碼管上。 3.2閘門邏輯控制電路 原理圖部分二： 圖3-2閘門邏輯控制電路 這部分電路由555構

12、成的時基脈沖電路和74LS123可重復觸發(fā)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，主要是完成在1秒的高電平內(nèi)進行計數(shù)，然后再利用邊沿使數(shù)據(jù)進行鎖存，然后再將74LS90的數(shù)據(jù)進行清零。74LS123單穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器目的主要是考慮到芯片的延時，必須是先將1秒計時后的數(shù)據(jù)進行鎖存輸出，然后再利用觸發(fā)信號將74LS90計數(shù)值進行清零。 4. 軟件仿真圖 數(shù)字頻率計仿真圖如下： 圖4-1頻率計仿真圖 仿真圖中輸入信號的頻率為1963HZ，仿真結果輸出值也為1963HZ，可見仿真是成功的，可見原理上可行。 5. 實物調(diào)試 5.1實物制作 圖5-1實物焊接圖 5.2實物顯示結果圖

13、 圖5-2實物顯示結果圖一 （接上圖）說明如下：上圖信號輸入頻率為110HZ，輸出結果顯示為115HZ，可見存在一定的偏差，偏差為5HZ。 圖5-3實物展示圖二 說明如下：上圖信號的輸入頻率為10KHZ，然后顯示結果輸出為10095HZ，存在一定的誤差，但是結果還是說明問題，證明電路原理和設計的正確性。 5.3誤差分析 實驗結果分析:從上面實驗結果顯示值存在著一定的誤差，誤差主要在于555時基脈沖信號很難精準的定時為1秒，計數(shù)器只在1秒鐘內(nèi)才進行計數(shù)，當高電平時間超過1秒時，則會使計數(shù)值偏大，頻率測量值就

14、會偏大，如果高電平時間小于1秒，則計數(shù)值偏小，頻率的測量值偏小。此外影響頻率測量誤差還可能存在集成芯片再進行級聯(lián)時延時值較大存在的微小誤差，影響到最終頻率值得測量結果。 5.4元件清單 表5-4元件清單表 原件序號 型號 主要參數(shù) 數(shù)量 備注 1 555 1 定時器 2 72LS123 1 邏輯控制電路 3 74LS00 1 與非門 4 74LS90 6 10進制計數(shù)器 5 74LS273 3 鎖存器 6 CD4511 6 譯碼器 7 8421數(shù)碼器 6 數(shù)碼管 8 R 47K 2 電阻

15、 9 R 39K 2 電阻 Rext 10K 3 電阻 11 R 3.3K 1 電阻 12 R 1K 1 電阻 13 R 10Ω 1 電阻 14 RP 100K 1 電位器 15 RP 47K 1 電位器 16 C 4.7μF 2 電解電容 17 C 10μF 1 電解電容 18 C 47μF 1 電解電容 19 C 100μF 1 電解電容 20 C 0.01μF 1 瓷片電容 21 LED 1 二極管 22 S 1 按鈕開關 6

16、心得體會 數(shù)電課設我們的題目是數(shù)字頻率計，在了解原理之后，我們考慮到這個電路是時鐘信號的輸入比較重要，因為頻率計就是要測量一秒鐘內(nèi)一個信號源輸出了多少個完整周期信號，所以時鐘電路模塊我們要精準到1秒，而不能直接給高低電平，因此我們考慮了很多方案，做出了555多諧振蕩器和晶體振蕩器，由于工藝的問題，555振蕩器在我們的后續(xù)調(diào)試中很穩(wěn)定，而晶體卻不那么穩(wěn)定，所以我們選用555振蕩器。 其次重要的部分是計數(shù)，鎖存及輸出部分，由于這部分電路較為復雜，有21個芯片，手工焊線的話，我們需要的杜邦線太多，也無法完成調(diào)試，所以我們還是選用做PCB板，而單面線路太多，就考到做雙面PCB，一方面是方便走線，一

17、方面是嘗試雙面PCB板的手工制作，給自己挑戰(zhàn)。不過過程就沒這么簡單，雙面板的對齊很難，我們做了三塊板子，完成了兩塊，之后在過孔和焊錫上花了很多時間，但是花時間更多的是檢查線路，由于我們鍍錫做的不是很好，很多焊點都有虛焊，我們在檢查了二三十處錯誤之后，終于完成了板子的焊接。 在調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管一直計零，完全沒有計數(shù)，在多次檢查通斷之后，問題還是沒有解決，最后我們在原理上找到了問題，因為90芯片的清零比273的鎖存要快，所在鎖存器鎖存之前，計數(shù)就已經(jīng)被清零了，為了解決這個問題，我們選用了74LS123組成的延時電路來解決這個問題，由于延時電路有兩個部分，讓快的部分接入鎖存器，慢的部分接

18、入計數(shù)器清零端，就可以避免這個問題。 于是我們的課程設計到此終于完成了基本功能的測試，為了提高精度，我們微調(diào)了555振蕩電路，使其在0—1KHz內(nèi)誤差小于1%，在1KHz—100 KHz內(nèi)誤差小于5%。這次試驗真的是得到了很多東西，學會了雙面PCB板的焊接，學會了數(shù)電芯片的調(diào)試，學會了培養(yǎng)自己的耐心，這是一次很有意義的課程設計。 參考文獻 [1]伍時和,數(shù)字電子技術基礎第一版. 清華大學出版社,2009 [2]梁宗善,新型集成電路的應用--電子技術基礎課程設計.華中科技大學出版社,2004 [3]孫梅生,電子技術基礎課程設計.高等教育出版社,2005 [4]康華光,

19、數(shù)字電子技術基礎第五版.高等教育出版社，2006 [5]陳大欽,電子技術基礎實驗－電子電路實驗、設計、仿真.高等教育出版社，2004 本科生課程設計成績評定表 姓名 劉瀟 性別 男 指導老師 曾剛 專業(yè)、班級 電信1104班 課程設計題目：數(shù)字頻率計 課程設計答辯或質(zhì)疑記錄： 成績評定依據(jù)： 最終評定成績（以優(yōu)、良、及格、不及格評定） 指導教師簽字: 年 月 日