电路CAD课程设计简易数字频率计.doc

电路CAD课程设计报告 题 目 简易数字频率计 学生姓名 凌天 学 号 专业班级 电信0801班 同 组 人 2011年 12 月 30日摘 要电路CAD课程设计是一门实践性很强的课程。主要目的是培养学生运用电路设计软件EWB和Protel进行电路分析、电路仿真、电路设计和电路制做的能力；掌握常用电路的一般设计方法，为今后从事电路设计、研制电子产品打下一定的基础。学生通过动脑动手解决完成一、两个实用电路的理论设计，并利用电路设计软件EWB和Protel完成实际电路的分析、设计、制做和调试等任务。本次设计的简易数字频率计，是以AT89S51单片机为控制核心，辅以显示电路构成的。简易数字频率计能够根据题目要求能够用两组4位7段数码管显示待测频率，格式为00000.000Hz。测量频率0.00110kHz的脉冲方波信号。测量信号幅值：10V以下。用单片机而不是用数字电路可以利用在线编程校准大大提高了频率计的测量精度，而且具有灵活的现场可更改性。在不更改硬件电路的基础上，对系统进行各种改进还可以进一步提高系统的性能。该数字频率计具有高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。 关键词：Protel电路制做，单片机，简易数字频率计 目 录1 设计任务 .31.1设计说明.31.2设计内容.32 方案选择 .32.1 简易数字频率计方案概述.33 电路原理图设计.33.1 电路原理图.3 3.1.1核心电路 .3 3.1.2显示电路 .4 3.1.3输入电路 .5 3.2 原理说明.6 3.2.1核心电路 .6 3.2.2显示电路 .6 3.2.3输入电路 .64 电路板图设计.74.1 简易数字频率计.74.1.1PCB设计说明.74.1.2PCB电路图.7附录.8参考文献.131 设计任务1.1 设计说明设计一个简易频率计，该频率计测量频率小于10kHz，要求测量数据显示3秒以上，被测信号为幅值小于10V的脉冲或正弦交流电压。该系统框图如图1所示。电源电 计数器锁存电路译码显示电路输入电路图1 简易数字频率计原理框图1.2设计内容（1）计数器设计；（2）锁存电路设计；（3）译码显示电路设计；（4）输入电路设计；（5）电源电路设计。2 方案选择2.1 简易数字频率计电路概述， 图2 简易数字频率计原理图频率计的设计以AT89S51单片机为核心，利用他内部的定时计数器完成待测信号周期频率的测量。信号通过整形放大后，输入单片机中的计数器，运用单片机中的定时器设置每隔一秒钟将计数器中数据输出，通过数码管显示。单片机作为控制中心，随时检测和计录输入信号的频率，并控制输出显示和输入是否超载。而显示电路用两个四位一体的数码管实现。为简化硬件电路，用动态显示的方式，依次点亮个数码管,这样不仅仅是简化了电路，而且每一时刻四位数码管只相当于一位数码管的功耗，大大减少了功耗。程序设计成只要完成一次测量，频率计自动开始下一个测量循环，因此该频率计具有连续测量的功能。 3 电路原理图设计3.1 电路原理图3.1.1 核心电路 用AT89S51作为整个电路的控制中心和数据计算处理中心，其中P0口对应两个数码管的数据位，P1口为LED动态点亮位。15脚用于信号输入。具体系统原理图如图3所示 图3 单片机控制单元电路3.1.2 显示电路本次课程设计采用两个四位一体数码管，显示输入信号的频率。因为频率是一个实时变化量，我用一个的数码管来显示，每隔3秒更换一次数据。电路原理图如图4、5、6所示。各数码管的显示采用动态扫描的方式，这样，两个数码管共八位的功耗只相当于一位数码管显示的功耗。与液晶显示相比，既可以实现所要求的功能节省了硬件成本，又大大减小了功耗。 图4 动态点亮电路 图5 译码电路 图6 四位七段LED数码管 3.1.3 输入电路输入的信号有正弦波或脉冲波，而单片机所能读入的信号只能是数字信号的方波，所以如果系统要测试正弦波的频率，则需要加一信号输入电路，该电路采用接口式独立设计，不在系统内部。能够将正弦波整成方波。整形电路是用集成运放搭建而成，运用集成运放的增益非常大，而又受限于运放的电源电压的特点，可以实现将一定幅值的电压信号整成标准的数字信号。有因为所设计的频率计测量的频率信号的幅值能够达到越小越好，信号在进入整形电路之前设计了一个放大电路将信号放大。放大电路也用集成运放构建而成，因集成运放的稳定性较好。所设计的放大整形电路如图7所示： 图7 输入接口电路3.2 原理说明3.2.1 核心电路用AT89S51作为整个电路的控制中心和数据计算处理中心，其中P0口对应两个数码管的数据位，P1口为LED动态点亮位。15脚用于信号输入。具体系统原理图如图3所示3.2.2显示电路本次课程设计采用两个四位一体数码管，显示输入信号的频率。因为频率是一个实时变化量，我用一个的数码管来显示，每隔3秒更换一次数据。电路原理图如图4、5、6所示。各数码管的显示采用动态扫描的方式，这样，两个数码管共八位的功耗只相当于一位数码管显示的功耗。与液晶显示相比，既可以实现所要求的功能节省了硬件成本，又大大减小了功耗。3.2.3 输入电路输入的信号有正弦波或脉冲波，而单片机所能读入的信号只能是数字信号的方波，所以如果系统要测试正弦波的频率，则需要加一信号输入电路，该电路采用接口式独立设计，不在系统内部。能够将正弦波整成方波。整形电路是用集成运放搭建而成，运用集成运放的增益非常大，而又受限于运放的电源电压的特点，可以实现将一定幅值的电压信号整成标准的数字信号。有因为所设计的频率计测量的频率信号的幅值能够达到越小越好，信号在进入整形电路之前设计了一个放大电路将信号放大。放大电路也用集成运放构建而成，因集成运放的稳定性较好。4 电路板图设计4.1 简易数字频率计4.1.1 PCB设计说明 将画好的原理图生成网络表，然后再PCB文件中生成PCB板，布局布线后，覆铜。此板为双面板，采用手动布局，自动布线，手动调整。其中电源线网络为粗线，其余为细线。4.1.2 PCB电路图 附录仿真结果：1.元器件符号生成2.原理图生成 3.网络表载入成功4.PCB文件生成元件列表：元件型号序号封装主要参数74ALS138U3DIP-1674LS245U1DIP-208051 U2DIP-40CAPC2RAD-0.322pFCAPC1RAD-0.322pFCRYSTALY1XTAL-1Component_1R10DIP-12Component_1R11DIP-12ELECTRO1C3RB-.5/1.010uFRES2R7AXIAL-0.4390RES2R8AXIAL-0.4390RES2R9AXIAL-0.4390RES2R6AXIAL-0.4390RES2R2AXIAL-0.4390RES2R1AXIAL-0.410KRES2R3AXIAL-0.4390RES2R4AXIAL-0.4390RES2R5AXIAL-0.4390AT89C51单片机及其引脚说明：89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征：4K字节的程序存储器，128字节的RAM,32条I/O线，2个16位定时器/计数器, 一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口, 片上震荡器和时钟电路。引脚说明：·VCC：电源电压·GND:地·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。·P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。·P2口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。·P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表所示:端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2 (外部中断0)P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0）P3.5T1（定时器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器都选通）·RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。·ALE/:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（）。一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。·：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期两次有效，除了当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。·/VPP:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令，必须同GND相连接。需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时，应该接到VCC端。·XTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。课程设计感想： 本次课程设计，我通过用Protel学会了如何设计电路板。设计结合以前对单片机和数字电路的认识，通过参考资料，成功设计了一个简易数字频率计。该设计采用51单片机和TTL芯片，配上相关软件即可形成精准的频率计。设计中，电路是以前就学习过的，这里只是将其转化成Protel的电路原理图，通过绘制原理图，我学会了自己创作原理图符号，并自己创作了一个四位七段数码管符号。在生成PCB的过程中，我学会如何处理原件封装，如何布线等等。这次学习是非常综合的，将四年的知识运用了很多。当然还有许多还有待我继续进阶的绘制方法，以后我会继续学习。参考文献1萧宝瑾 电路CAD讲义2牛昱光 单片机原理与接口技术 高等教育出版社3沈精虎 电路设计与制版Protel 99入门与提高 人民邮电出版社4贾秀美 数字电路硬件设计实践 高等教育出版社5王毓银 数字电路逻辑设计 高等教育出版社 6杨欣 51单片机入门从零开始 清华大学出版社