基于數(shù)字電路的頻率計設(shè)計(課程設(shè)計)

1、<p>　　螁蚅芀節(jié)蒁袁膆芁薃蚄肂芀螅衿肈艿蒅螂羄羋薇羇芃芇蠆螀腿芆螂羆肅芆蒁蝿羈蒞薄羄袇莄蚆螇膆莃莆羂膂莂薈裊肈莁蝕肁羄莀螃袃節(jié)莀蒂蚆膈荿薅袂肄蒈蚇蚅羀蕆莇袀袆蒆蕿蚃芅蒅蟻羈膁蒅螃螁肇蒄蒃羇羃蒃薅蝿芁薂蚈羅膇薁螀螈肅薀蒀羃罿膇螞螆羅膆螄肂芄膅蒄襖膀膄薆肀肆膃蠆袃羂膂螁蚅芀節(jié)蒁袁膆芁薃蚄肂芀螅衿肈艿蒅螂羄羋薇羇芃芇蠆螀腿芆螂羆肅芆蒁蝿羈蒞薄羄袇莄蚆螇膆莃莆羂膂莂薈裊肈莁蝕肁羄莀螃袃節(jié)莀蒂蚆膈荿薅袂肄蒈蚇蚅羀蕆莇袀袆蒆蕿蚃芅蒅蟻

2、羈膁蒅螃螁肇蒄蒃羇羃蒃薅蝿芁薂蚈羅膇薁螀螈肅薀蒀羃罿膇螞螆羅膆螄肂芄膅蒄襖膀膄薆肀肆膃蠆袃羂膂螁蚅芀節(jié)蒁袁膆芁薃蚄肂芀螅衿肈艿蒅螂羄羋薇羇芃芇蠆螀腿芆螂羆肅芆蒁蝿羈蒞薄羄袇莄蚆螇膆莃莆羂膂莂薈裊肈莁蝕肁羄莀螃袃節(jié)莀蒂蚆膈荿薅袂肄蒈蚇蚅羀蕆莇袀袆蒆蕿蚃芅蒅蟻羈膁蒅螃螁肇蒄蒃羇羃蒃薅蝿芁薂蚈羅膇薁螀螈肅薀蒀羃罿膇螞螆羅膆螄肂芄膅蒄襖膀膄薆肀肆膃蠆袃羂膂螁蚅芀節(jié)蒁袁膆芁薃蚄肂芀螅衿肈艿蒅螂羄羋薇羇芃芇蠆螀腿芆螂羆肅芆蒁蝿羈蒞薄羄袇莄蚆螇膆莃莆

3、羂膂莂薈裊肈莁蝕肁羄莀螃袃節(jié)莀蒂蚆膈荿薅袂肄蒈蚇蚅羀蕆莇袀袆蒆蕿蚃芅蒅蟻羈膁蒅螃螁肇蒄蒃羇羃蒃薅蝿芁薂蚈羅膇薁螀螈肅薀蒀羃罿膇螞螆羅膆螄肂芄膅</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文介紹了一種基于TTL系列芯片的簡易數(shù)字頻率計。數(shù)字頻率計應(yīng)用所學的數(shù)字電路知識進行設(shè)計。電路由放大整形電路、時基電路、邏輯控制電路、計數(shù)鎖存電路及譯碼顯示電路組

4、成。能夠較精準的測量正弦波、三角波、方波的頻率。測量范圍能夠達到1Hz~100KHz。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 頻率計；閘門時間；脈沖個數(shù)；數(shù)字電路</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 方案選擇-----------------------------------------------4</p>

5、<p>　　2數(shù)字頻率計測頻率的基本原理----------------------------4</p><p>　　3數(shù)字頻率計的硬件設(shè)計-----------------------------------6</p><p>　　3.1原理圖設(shè)計--------------------------------------------6</p><p&

6、gt;　　3.1.1原理圖-----------------------------------------6</p><p>　　3.2 模塊分析---------------------------------------------6</p><p>　　3.2.1 放大整形電路----------------------------------------6</p>

7、<p>　　3.2.2 時鐘電路--------------------------------------------7</p><p>　　3.2.3分頻電路---------------------------------------------8</p><p>　　3.2.4 計數(shù)電路------------------------------------------

8、--9</p><p>　　3.2.5 邏輯控制電路---------------------------------------10</p><p>　　3.2.6 顯示電路-------------------------------------------11</p><p>　　3.3 芯片功能介紹------------------------------

9、-----------12</p><p>　　3.3.1 74LS00---------------------------------------------12</p><p>　　3.3.2 74LS08---------------------------------------------13</p><p>　　3.3.3 74LS14--------

10、-------------------------------------13</p><p>　　3.3.4 74LS48----------------------------------------------14</p><p>　　3.3.5 74LS74----------------------------------------------15</p><

11、;p>　　3.3.6 74LS90----------------------------------------------16</p><p>　　3.3.7 74LS123---------------------------------------------17</p><p>　　3.3.8 74LS273---------------------------------

12、------------18</p><p>　　4 總結(jié)---------------------------------------------------20</p><p>　　5 參考文獻-----------------------------------------------20</p><p>　　附錄1 整機原理圖----------------

13、-------------------------22</p><p>　　附錄2 元器件清單-----------------------------------------23</p><p><b>　　1．方案選擇</b></p><p>　　1.1用單片機實現(xiàn)。</p><p>　　利用單片機內(nèi)部Timer/C

14、ounter對被測信號計數(shù)，經(jīng)過運算后送到數(shù)碼管進行動態(tài)顯示測量結(jié)果。此方案精度高，應(yīng)用器件少，性能穩(wěn)定，成本很小。由于去年曾有設(shè)計者使用單片機完成課程設(shè)計，但未能通過審核，故不予采用。</p><p>　　1.2用專用測頻大規(guī)模集成芯片ICM7216D實現(xiàn)[1]。</p><p>　　通過綜合分析此方案性能很高，可以測量的頻率很高，但芯片成本比較高，設(shè)計者不需要對其內(nèi)部構(gòu)造及原理了解太多

15、，只要按照此芯片功能引腳連接少許外圍電路就可以設(shè)計出頻率計，但失去了本次課程設(shè)計的意義。</p><p>　　1.3利用大量的數(shù)字芯片，通過各種邏輯關(guān)系構(gòu)成。</p><p>　　本方案要求設(shè)計者具有較高的硬件知識，能夠在很大程度上提高設(shè)計者對數(shù)字電子及模擬電子技術(shù)的掌握，對于設(shè)計者來說具有重要意義。因此本次設(shè)計采用此方案。</p><p>　　2．數(shù)字頻率計測頻率

16、的基本原理[2]</p><p>　　所謂頻率，就是周期性信號在單位時間(1s)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為 </p><p><b>　　f=N/T</b></p><p>　　據(jù)此，設(shè)計方案框圖如圖2.1。</p><p><b>　　圖2.1&l

17、t;/b></p><p>　　被測信號Vx經(jīng)整形電路變成計數(shù)器所要求的矩形脈沖信號，其頻率與被測信號的頻率Fx相同。時鐘電路提供標準時間基準信號，基準時鐘經(jīng)分頻器后輸出頻率分別有1Hz，0.1Hz，0.01Hz，0.001Hz的閘門信號，計數(shù)器在一個閥門信號周期內(nèi)對被測信號計數(shù)，直到1周期閘門信號結(jié)束時，停止計數(shù)，同時產(chǎn)生鎖存信號，啟動延時信號。鎖存信號使計數(shù)器的值在數(shù)碼管上顯示。當延時結(jié)束后清除計時器和

18、分頻器開始下一次測量。其原理如圖2.2。</p><p><b>　　圖2.2</b></p><p>　　3．數(shù)字頻率計的硬件設(shè)計</p><p><b>　　3.1原理圖設(shè)計</b></p><p><b>　　見附錄1</b></p><p>&l

19、t;b>　　3.2 模塊分析</b></p><p>　　3.2.1 放大整形電路 </p><p>　　放大整形電路由運算放到器LM358與施密特觸發(fā)器74LS14等組成。其中LM358組成放大器，當輸入信號很小時將其進行放大。開關(guān)可以用來選擇是否放大。施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖[3]。電路如圖3.2.1。</p><

20、;p><b>　　圖3.2.1</b></p><p>　　3.2.2 時鐘電路 </p><p>　　時鐘電路的作用是產(chǎn)生一個標準時間信號，電路應(yīng)用非門CD4016與晶振產(chǎn)生1MHz的時鐘信號，其輸出頻率穩(wěn)定性很高。電路如圖3.2.2</p><p><b>　　圖3.2.2</b></p><

21、p><b>　　3.2.3分頻電路</b></p><p>　　應(yīng)用2個CD4017和74LS74個對1M的時鐘信號進行分頻[4]得到5KHz時鐘。再用4個CD4017分別對5KHz時鐘進行10，100，1000，10000分頻得到500Hz，50Hz，5Hz，0.5Hz的時鐘信號。電路如圖3.2.3。</p><p><b>　　圖3.2.3<

22、/b></p><p>　　當達到被測信號頻率達到最大值時，閘門脈沖高電平為1ms，即計數(shù)器需在1ms內(nèi)完成100次計數(shù)，但是計數(shù)器以及其級聯(lián)的TTL芯片的傳輸延時均在納秒級[5]，如表3.2.3。</p><p><b>　　表3.2.3</b></p><p><b>　　3.2.4計數(shù)電路</b></p&

23、gt;<p>　　計數(shù)器的作用是對輸入脈沖計數(shù)。根據(jù)設(shè)計要求，最高測量頻率為 100KHz ，應(yīng)采用 4 位十進制計數(shù)器，可以選用現(xiàn)成的10進制集成計數(shù)器。而本設(shè)計采用74LS90二、五、十進制計數(shù)器的。其原理圖如圖3.2.4所示。</p><p><b>　　圖3.2.4</b></p><p>　　3.2.5 邏輯控制電路 [6]</p>

24、<p>　　根據(jù)圖2.2所示波形，在時基信號結(jié)束時產(chǎn)生的下跳沿來產(chǎn)生鎖存信號,鎖存信號的下跳沿又用來產(chǎn)生清零信號。鎖存信號和清零信號可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度有電路的時間常數(shù)決定。由74LS123的功能表可得當CLR=B=1、觸發(fā)脈沖從A端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出端Q可獲得一個正脈沖，端可獲得一負脈沖。74LS123輸出的波形關(guān)系正好滿足圖2.2所示波形要求。手動復(fù)位開關(guān)S1按下時

25、，計數(shù)器清零。其原理圖如圖3.2.5所示。</p><p><b>　　圖3.2.5</b></p><p><b>　　3.2.6顯示電路</b></p><p>　　電路通過7段數(shù)碼管顯示被測信號的頻率，當74LS273鎖存后，把數(shù)據(jù)送到74LS48進行譯碼。74LS48譯碼后輸出對應(yīng)的高低電平使數(shù)碼管顯示不同的值[7

26、]。電路如圖3.2.6。</p><p><b>　　圖3.2.6</b></p><p>　　3.3芯片功能介紹[8]</p><p>　　3.3.1 74LS00邏輯引腳圖及功能表如圖3.3.1、表3.3.1。</p><p><b>　　圖3.3.1</b></p><p&

27、gt;<b>　　表3.3.1</b></p><p>　　3.3.2 74LS08邏輯引腳圖及功能表如圖3.3.2、表3.3.2。</p><p><b>　　圖3.3.2</b></p><p><b>　　表3.3.2</b></p><p>　　3.3.3 74LS14

28、邏輯引腳圖及功能表如圖3.3.3、表3.3.3。</p><p><b>　　圖3.3.3</b></p><p><b>　　表3.3.3</b></p><p>　　3.3.4 74LS48邏輯引腳圖及功能表如圖3.3.4、表3.3.4。</p><p><b>　　圖3.3.4<

29、;/b></p><p><b>　　表3.3.4</b></p><p>　　3.3.5 74LS74邏輯引腳圖及功能表如圖3.3.5、表3.3.5。</p><p><b>　　圖3.3.5</b></p><p><b>　　表3.3.5</b></p>

30、<p>　　3.3.6 74LS90邏輯引腳圖及功能表如圖3.3.6、表3.3.6(a)、表3.3.6（b）。</p><p><b>　　圖3.3.6</b></p><p><b>　　表3.3.6(a)</b></p><p>　　表3.3.69(b)</p><p>　　3.3

31、.7 74LS123邏輯引腳圖及功能表如圖3.3.7、表3.3.7。</p><p><b>　　圖3.3.7</b></p><p><b>　　表3.3.7</b></p><p>　　3.3.8 74LS273邏輯引腳圖及功能表如圖3.3.8、表3.3.8。</p><p><b>

32、　　圖3.3.8</b></p><p><b>　　表3.3.8</b></p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　本系統(tǒng)是采用純硬件電路組成的。比較用單片機及測頻大規(guī)模集成芯片ICM7216D來實現(xiàn)數(shù)字頻率計的顯示來說，這個系統(tǒng)相對難度有點大了。因為元件數(shù)目多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜點。但是，此

33、電路各單元電路的設(shè)計思路是很清晰的，整個系統(tǒng)的設(shè)計邏輯思維較好。其測量頻率范圍也能達到1—10KHz。與其他用純硬件電路設(shè)計的頻率相比較，本系統(tǒng)還是有其可取之處的。</p><p><b>　　4.總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計讓我們體會到分析電路、設(shè)計電路、繪制電路過程中的苦與甜。電路設(shè)計與制作是我們將來必須的專業(yè)技能，這次課程設(shè)計為我們提供了一個應(yīng)

34、用自己所學知識運用到實踐的機會。從圖書館、網(wǎng)上查找資料對電路設(shè)計，都對我們所學專業(yè)知識進行了檢驗。在設(shè)計制作的過程中，發(fā)現(xiàn)了以前所學的模電數(shù)電的知識掌握地不夠扎實。同時，在設(shè)計的過程中，遇到了一些以前沒有用過的元件，但是通過查找資料來學習這些元件的功能和使用，能力進一步得到了提升。此次過程是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，馬虎，本次課程設(shè)計告訴我們，我們先要熟練地掌握課本中所學的知識，然后，通過課余時間的實踐，我們可以將所學的知

35、識設(shè)計出一個作品來，這樣才能加深對知識的理解及遇到問題自主分析解決能力。</p><p><b>　　5．參考文獻</b></p><p>　　[1] 毛永毅.單片頻率計ICM7216D及應(yīng)用.國外電子測量技術(shù)，2002，(3)：4-7.</p><p>　　[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）.北京：高等教育出版社，2003</p&g

36、t;<p>　　[3] 李銀華.電子線路設(shè)計指導(dǎo). 北京:北京航天航空大學出版社，2005年6月</p><p>　　[4] 臧春華.電子線路設(shè)計與應(yīng)用. 北京:高等教育出版社，2004年9月</p><p>　　[5] 德州儀器(TI)中國官方網(wǎng)站. </p><p>　　[6] 李鶯，羅毅.超高頻數(shù)字頻率計的設(shè)計.重慶郵電大學學報（自然科學版）.2

37、007，(6)：666-668.</p><p>　　[7] 何書森.使用電子線路設(shè)計速成. 福州：福建科學技術(shù)出版社，2004年8月</p><p>　　[8] 美國國家儀器(NI)中國官方網(wǎng)站.www.ni.com/china</p><p>　　附錄1 整機電路圖</p><p><b>　　附錄2 元件清單</b&

38、gt;</p><p><b>　　CAP：</b></p><p><b>　　C1 50pFх1</b></p><p>　　C3 4.7uFх1</p><p>　　C4 4.7uFх1</p><p><b>　　CAPVAR：</b></

39、p><p>　　C2 30/50pFх1</p><p><b>　　REST </b></p><p><b>　　R1 51 Kх1</b></p><p>　　R2、R4、R5、R6 10 Kх4</p><p><b>　　R3 30 Kх1</b>

40、</p><p><b>　　R7 1 Kх1</b></p><p><b>　　IC：</b></p><p>　　U1 CD4069х1</p><p>　　U2 CD40106х1</p><p>　　U3、U4、U6、U7、U8、U9 CD4017х4</p&

41、gt;<p>　　U5 74LS74х1</p><p>　　U10 74LS08х1</p><p>　　U11、U12 74LS123х2</p><p>　　U13 74LS00х1</p><p>　　U14、U15 74LS273х2</p><p>　　U16、U17、U18、U19 74L

42、S48х4</p><p>　　U20、U21、U22、U23 74LS90х4</p><p>　　U24、U25 74LS14х2</p><p>　　U26 LM358х1</p><p><b>　　CRYSTAL :</b></p><p><b>　　1Mх1</b&g

43、t;</p><p><b>　　DISPLAY:</b></p><p>　　DIP 7-SEG DP х4</p><p><b>　　BATTERY:</b></p><p><b>　　+5V х1</b></p><p><b>　　

44、SWTICH:</b></p><p>　　S1 SW-PB х1 </p><p>　　S2 SW DIP-4 х1 </p><p>　　S3 SW-SPST х1 </p><p>　　芄蕿蚃羅肆薅蚃膈節(jié)蒁螞袇膅莇蟻羀莀蚆蝕肂膃薂蠆膄莈蒈螈襖膁莄螇羆莇芀螇聿膀蚈螆袈蒅薄螅羈羋蒀螄肅蒃莆螃膅芆蚅螂裊聿薁袁羇

45、芄蕆袁肀肇莃袀蝿芃艿衿羈肆蚇袈肄莁薃袇膆膄葿袆袆荿蒞裊羈膂蚄羅肀莈薀羄膃膀蒆羃袂莆蒂蕿肅腿莈蕿?zāi)i蒄蚇薈袇芇薂薇罿蒂蒈薆肁芅莄蚅膄肈蚃蚄袃芄蕿蚃羅肆薅蚃膈節(jié)蒁螞袇膅莇蟻羀莀蚆蝕肂膃薂蠆膄莈蒈螈襖膁莄螇羆莇芀螇聿膀蚈螆袈蒅薄螅羈羋蒀螄肅蒃莆螃膅芆蚅螂裊聿薁袁羇芄蕆袁肀肇莃袀蝿芃艿衿羈肆蚇袈肄莁薃袇膆膄葿袆袆荿蒞裊羈膂蚄羅肀莈薀羄膃膀蒆羃袂莆蒂蕿肅腿莈蕿?zāi)i蒄蚇薈袇芇薂薇罿蒂蒈薆肁芅莄蚅膄肈蚃蚄袃芄蕿蚃羅肆薅蚃膈節(jié)蒁螞袇膅莇蟻羀莀蚆蝕肂膃薂蠆膄

46、莈蒈螈襖膁莄螇羆莇芀螇聿膀蚈螆袈蒅薄螅羈羋蒀螄肅蒃莆螃膅芆蚅螂裊聿薁袁羇芄蕆袁肀肇莃袀蝿芃艿衿羈肆蚇袈肄莁薃袇膆膄葿袆袆荿蒞裊羈膂蚄羅肀莈薀羄膃膀蒆羃袂莆蒂蕿肅腿莈蕿?zāi)i蒄蚇薈袇芇薂薇罿蒂蒈薆肁芅莄蚅膄肈蚃蚄袃芄蕿蚃羅肆薅蚃膈節(jié)蒁螞袇膅莇蟻羀莀蚆蝕肂膃薂蠆膄莈蒈螈襖膁莄螇羆莇芀螇聿膀蚈螆袈蒅薄螅羈羋蒀螄肅蒃莆螃膅芆蚅螂裊聿薁袁羇芄蕆袁肀肇莃袀蝿芃艿衿羈肆蚇袈肄莁薃袇膆膄葿袆袆荿蒞裊羈膂蚄羅肀莈薀羄膃膀蒆羃袂莆蒂蕿肅腿莈蕿?zāi)i蒄蚇薈袇芇薂薇罿