《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書

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1、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 電信1104 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：數(shù)字頻率計(jì) 初始條件： 具備電子電路的基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)常用軟件的使用； 要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求） 1、設(shè)計(jì)頻率檢測(cè)電路； 2、測(cè)量信號(hào)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(shè)計(jì)及調(diào)試方法； 5、撰寫符合學(xué)校要求的課

2、程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 時(shí)間安排： 時(shí)間一周，其中2天原理設(shè)計(jì)，3天電路調(diào)試 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目錄 摘要 1 1. 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)總體方案 2 1.1數(shù)字頻率計(jì)的簡(jiǎn)介 2 1.2電路方案設(shè)計(jì) 3 2. 電路模塊設(shè)計(jì) 4 2.1計(jì)數(shù)電路 4 2.4時(shí)基控制電路 6 3. 系統(tǒng)總體電路圖 7 3.1計(jì)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(shí)物調(diào)試 10 5.1實(shí)物制作 10 5

3、.3誤差分析 11 5.4元件清單 12 6 心得體會(huì) 13 參考文獻(xiàn) 14 摘要 本文介紹了一種測(cè)量?jī)H與TTL電平兼容的信號(hào)的數(shù)字頻率計(jì)，其頻率的測(cè)量范圍為0HZ到100KHZ，此次設(shè)計(jì)頻率計(jì)思路主要是利用計(jì)數(shù)原理，通過(guò)一定的時(shí)基控制電路能在1秒鐘以內(nèi)讓計(jì)數(shù)器工作于計(jì)數(shù)狀態(tài)，最后在1秒鐘內(nèi)將計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存﹑輸出﹑顯示，即可得到待測(cè)信號(hào)頻率 ，涉及到的集成芯片主要有十進(jìn)制計(jì)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(shí)基芯片555和雙可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123,共同完成了數(shù)字頻率計(jì)

4、的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：TTL電平兼容信號(hào)，計(jì)數(shù)，頻率計(jì) 1. 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)總體方案 1.1數(shù)字頻率計(jì)的簡(jiǎn)介 (1) 數(shù)字頻率計(jì)概述 數(shù)字頻率計(jì)主要是采用數(shù)字電路制做成的能實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性變化信號(hào)頻率測(cè)量的儀器。頻率計(jì)主要用于測(cè)量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號(hào)的頻率值。其擴(kuò)展功能可以測(cè)量信號(hào)的周期和脈沖寬度。通常說(shuō)的，數(shù)字頻率計(jì)是指電子計(jì)數(shù)式頻率計(jì)。 （2） 頻率計(jì)測(cè)量方法 頻率計(jì)的測(cè)量方法很多，因其工作原理的不同導(dǎo)致有很多的測(cè)量方法。比如有比較法、無(wú)源測(cè)量法﹑示波器法和計(jì)數(shù)法 ，最常用的的是

5、計(jì)數(shù)法，計(jì)數(shù)器法測(cè)量電路簡(jiǎn)單﹑可靠，而且頻率的測(cè)量精度還較高，便于直接進(jìn)行數(shù)字化的顯示。計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率又分為直接測(cè)頻法和間接測(cè)頻法。 （3） 頻率計(jì)組成結(jié)構(gòu) 一般以計(jì)數(shù)原理來(lái)制作的頻率計(jì)是由時(shí)基控制電路，放大整形電路，計(jì)數(shù)電路以及顯示電路等部分組成，頻率計(jì)的組成框圖如下： 放大整形 閘門電路 待測(cè)信號(hào) 衰減放大 | 顯示電路 計(jì)數(shù)電路 組成時(shí)基控制電路 時(shí)鐘振蕩電路

6、 圖1-1頻率計(jì)系統(tǒng)組成圖 2 1.2電路方案設(shè)計(jì) 方案一：通過(guò)單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)內(nèi)部所集成的定時(shí)器，在編程基礎(chǔ)定時(shí)周期1秒，然后設(shè)置I/O端口為計(jì)數(shù)模式，并且設(shè)置中斷時(shí)間為1秒，然后直接用單片機(jī)I/O端口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行顯示，計(jì)數(shù)值即為所測(cè)頻率。具體流程如下： I/O端口設(shè)置為計(jì)數(shù)模式 為1秒 定時(shí)器設(shè)置為1秒 單片機(jī)為主控制器 1秒中斷后數(shù)據(jù)鎖存﹑輸出﹑顯示 設(shè)置1秒鐘的定時(shí)中斷 圖1-2軟件實(shí)現(xiàn)流程圖 方案二：通過(guò)直接計(jì)數(shù)法測(cè)頻率，利用計(jì)數(shù)芯片和時(shí)基控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在1

7、秒內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其1秒內(nèi)計(jì)數(shù)值通過(guò)鎖存器進(jìn)行鎖存后輸出，然后通過(guò)顯示電路顯示計(jì)數(shù)值，其計(jì)數(shù)值則為測(cè)量頻率。其方案設(shè)計(jì)流程圖如下所示： 輸入脈沖 計(jì)數(shù)電路 計(jì)數(shù)清零 1秒后完成數(shù)據(jù)鎖存 定時(shí)1秒計(jì)數(shù) 數(shù)據(jù)顯示 時(shí)鐘脈沖電路 圖1-3數(shù)字芯片實(shí)現(xiàn)測(cè)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(shí)現(xiàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)還是電路相對(duì)簡(jiǎn)單，成本也較低，也便于容易實(shí)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(duì)于熟練掌握數(shù)字電路芯片是個(gè)很好鍛

8、煉機(jī)會(huì)，另外本次是完成數(shù)電的課程設(shè)計(jì)。綜合考慮下，最終還是選擇方案二。 2. 電路模塊設(shè)計(jì) 2.1計(jì)數(shù)電路 計(jì)數(shù)部分電路用的是二—五十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器74LS90,通過(guò)CLK0下降沿觸發(fā)后開(kāi)始計(jì)數(shù)，CLK0與Q0構(gòu)成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，CLK1與Q2﹑Q3﹑Q4構(gòu)成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，MR1與MR2同時(shí)高電平則輸出清零，MS1與MS2同時(shí)為高則置9，Q0與CLK1相連構(gòu)成十進(jìn)制。此次設(shè)計(jì)中用到6個(gè)74LS90進(jìn)行級(jí)聯(lián)計(jì)數(shù)，構(gòu)成6位數(shù)的計(jì)數(shù)是利用Q3的下降沿來(lái)觸發(fā)高位計(jì)數(shù)，即將Q3接到下一級(jí)芯片的CLK0，則可以完成高位的計(jì)數(shù)。 圖2-1基于74LS09計(jì)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(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123來(lái)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(jì)數(shù)器清零，避免下次脈沖到來(lái)時(shí)又再此基礎(chǔ)上重新計(jì)數(shù)，導(dǎo) 致頻率測(cè)量發(fā)生錯(cuò)誤。74LS123觸發(fā)器在B端電

10、位置為高電平時(shí)，在A端出現(xiàn)下降沿時(shí)，在輸出Q端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單穩(wěn)態(tài)的脈沖波 ，此次設(shè)計(jì)的門閘主要利用產(chǎn)生的脈沖波的上升沿來(lái)使計(jì)數(shù)值鎖存輸出，然后再將計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。通過(guò)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(shè)置好合適的電容和電阻調(diào)整輸出脈寬。 2.4時(shí)基控制電路 時(shí)基電路主要用到555定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào),如下圖由555構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器電路 圖2-4由555構(gòu)成多諧振蕩器電路圖 通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R1可以改變輸出的占空比，該方波的整個(gè)充放電周期為，高電平所占時(shí)間為，此次設(shè)計(jì)要求輸出方波的高電平時(shí)間為1秒，，則可以有理論計(jì)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(zhǔn)1秒，則數(shù)字頻率計(jì)的精度也會(huì)提高。 3. 系統(tǒng)總體電路圖 3.1計(jì)數(shù)部分電路 原理圖部分一： 圖3-1脈沖計(jì)數(shù)電路原理圖 計(jì)數(shù)部分的電路利用的是6個(gè)十進(jìn)制芯片74LS90，3個(gè)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(gòu)成對(duì)輸入的秒沖進(jìn)行計(jì)數(shù)﹑鎖存，最后進(jìn)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(gòu)

12、成的時(shí)基脈沖電路和74LS123可重復(fù)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(jìn)行計(jì)數(shù)，然后再利用邊沿使數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，然后再將74LS90的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)，必須是先將1秒計(jì)時(shí)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存輸出，然后再利用觸發(fā)信號(hào)將74LS90計(jì)數(shù)值進(jìn)行清零。 4. 軟件仿真圖 數(shù)字頻率計(jì)仿真圖如下： 圖4-1頻率計(jì)仿真圖 仿真圖中輸入信號(hào)的頻率為1963HZ，仿真結(jié)果輸出值也為1963HZ，可見(jiàn)仿真是成功的，可見(jiàn)原理上可行。 5. 實(shí)物調(diào)試 5.1實(shí)物制作 圖5-1實(shí)物焊接圖 5.2實(shí)物顯示結(jié)果圖

13、 圖5-2實(shí)物顯示結(jié)果圖一 （接上圖）說(shuō)明如下：上圖信號(hào)輸入頻率為110HZ，輸出結(jié)果顯示為115HZ，可見(jiàn)存在一定的偏差，偏差為5HZ。 圖5-3實(shí)物展示圖二 說(shuō)明如下：上圖信號(hào)的輸入頻率為10KHZ，然后顯示結(jié)果輸出為10095HZ，存在一定的誤差，但是結(jié)果還是說(shuō)明問(wèn)題，證明電路原理和設(shè)計(jì)的正確性。 5.3誤差分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:從上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示值存在著一定的誤差，誤差主要在于555時(shí)基脈沖信號(hào)很難精準(zhǔn)的定時(shí)為1秒，計(jì)數(shù)器只在1秒鐘內(nèi)才進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)高電平時(shí)間超過(guò)1秒時(shí)，則會(huì)使計(jì)數(shù)值偏大，頻率測(cè)量值就

14、會(huì)偏大，如果高電平時(shí)間小于1秒，則計(jì)數(shù)值偏小，頻率的測(cè)量值偏小。此外影響頻率測(cè)量誤差還可能存在集成芯片再進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)延時(shí)值較大存在的微小誤差，影響到最終頻率值得測(cè)量結(jié)果。 5.4元件清單 表5-4元件清單表 原件序號(hào) 型號(hào) 主要參數(shù) 數(shù)量 備注 1 555 1 定時(shí)器 2 72LS123 1 邏輯控制電路 3 74LS00 1 與非門 4 74LS90 6 10進(jìn)制計(jì)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(kāi)關(guān) 6

16、心得體會(huì) 數(shù)電課設(shè)我們的題目是數(shù)字頻率計(jì)，在了解原理之后，我們考慮到這個(gè)電路是時(shí)鐘信號(hào)的輸入比較重要，因?yàn)轭l率計(jì)就是要測(cè)量一秒鐘內(nèi)一個(gè)信號(hào)源輸出了多少個(gè)完整周期信號(hào)，所以時(shí)鐘電路模塊我們要精準(zhǔn)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(wèn)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(jì)數(shù)，鎖存及輸出部分，由于這部分電路較為復(fù)雜，有21個(gè)芯片，手工焊線的話，我們需要的杜邦線太多，也無(wú)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(guò)過(guò)程就沒(méi)這么簡(jiǎn)單，雙面板的對(duì)齊很難，我們做了三塊板子，完成了兩塊，之后在過(guò)孔和焊錫上花了很多時(shí)間，但是花時(shí)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(diǎn)都有虛焊，我們?cè)跈z查了二三十處錯(cuò)誤之后，終于完成了板子的焊接。 在調(diào)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管一直計(jì)零，完全沒(méi)有計(jì)數(shù)，在多次檢查通斷之后，問(wèn)題還是沒(méi)有解決，最后我們?cè)谠砩险业搅藛?wèn)題，因?yàn)?0芯片的清零比273的鎖存要快，所在鎖存器鎖存之前，計(jì)數(shù)就已經(jīng)被清零了，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們選用了74LS123組成的延時(shí)電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，由于延時(shí)電路有兩個(gè)部分，讓快的部分接入鎖存器，慢的部分接

18、入計(jì)數(shù)器清零端，就可以避免這個(gè)問(wèn)題。 于是我們的課程設(shè)計(jì)到此終于完成了基本功能的測(cè)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(yàn)真的是得到了很多東西，學(xué)會(huì)了雙面PCB板的焊接，學(xué)會(huì)了數(shù)電芯片的調(diào)試，學(xué)會(huì)了培養(yǎng)自己的耐心，這是一次很有意義的課程設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) [1]伍時(shí)和,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第一版. 清華大學(xué)出版社,2009 [2]梁宗善,新型集成電路的應(yīng)用--電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì).華中科技大學(xué)出版社,2004 [3]孫梅生,電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì).高等教育出版社,2005 [4]康華光,

19、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第五版.高等教育出版社，2006 [5]陳大欽,電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)－電子電路實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、仿真.高等教育出版社，2004 本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 姓名 劉瀟 性別 男 指導(dǎo)老師 曾剛 專業(yè)、班級(jí) 電信1104班 課程設(shè)計(jì)題目：數(shù)字頻率計(jì) 課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄： 成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)： 最終評(píng)定成績(jī)（以優(yōu)、良、及格、不及格評(píng)定） 指導(dǎo)教師簽字: 年 月 日