《数字电子技术基础》课程设计说明书.doc

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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信1104 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目：数字频率计初始条件：具备电子电路的基础知识和设计能力；具备查阅资料的基本方法；熟悉常用的电子器件；熟悉电子设计常用软件的使用；要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、设计频率检测电路；2、测量信号与TTL电平兼容，频率范围：0HZ100KHZ；3、数码管显示频率；4、掌握数字电路的设计及调试方法；5、撰写符合学校要求的课程设计说明书。时间安排：时间一周，其中2天原理设计，3天电路调试指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要

2、11. 数字频率计的设计总体方案21.1数字频率计的简介21.2电路方案设计32. 电路模块设计42.1计数电路42.4时基控制电路63. 系统总体电路图73.1计数部分电路73.2闸门逻辑控制电路84. 软件仿真图95. 实物调试105.1实物制作105.3误差分析115.4元件清单126 心得体会13参考文献14 摘要本文介绍了一种测量仅与TTL电平兼容的信号的数字频率计，其频率的测量范围为0HZ到100KHZ，此次设计频率计思路主要是利用计数原理，通过一定的时基控制电路能在1秒钟以内让计数器工作于计数状态，最后在1秒钟内将计数值进行锁存输出显示，即可得到待测信号频率 ，涉及到的集成芯片主

3、要有十进制计数芯片74LS90边沿控制锁存器74LS273用于数码管显示的译码器CD4511以及时基芯片555和双可重复单稳态触发器74LS123,共同完成了数字频率计的设计。关键词：TTL电平兼容信号，计数，频率计1. 数字频率计的设计总体方案1.1数字频率计的简介(1) 数字频率计概述数字频率计主要是采用数字电路制做成的能实现对周期性变化信号频率测量的仪器。频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。通常说的，数字频率计是指电子计数式频率计。 （2） 频率计测量方法频率计的测量方法很多，因其工作原理的不同导致有很多的测量方法。

4、比如有比较法、无源测量法示波器法和计数法 ，最常用的的是计数法，计数器法测量电路简单可靠，而且频率的测量精度还较高，便于直接进行数字化的显示。计数法测量频率又分为直接测频法和间接测频法。（3） 频率计组成结构一般以计数原理来制作的频率计是由时基控制电路，放大整形电路，计数电路以及显示电路等部分组成，频率计的组成框图如下：放大整形 闸门电路 待测信号衰减放大 |显示电路 计数电路 组成时基控制电路 时钟振荡电路 图1-1频率计系统组成图1.2电路方案设计方案一：通过单片机软件实现，利用单片机内部所集成的定时器，在编程基础定时周期1秒，然后设置I/O端口为计数模式，并且设置中断时间为1秒，然后直接

5、用单片机I/O端口驱动数码管进行显示，计数值即为所测频率。具体流程如下：I/O端口设置为计数模式为1秒定时器设置为1秒单片机为主控制器1秒中断后数据锁存输出显示设置1秒钟的定时中断图1-2软件实现流程图方案二：通过直接计数法测频率，利用计数芯片和时基控制电路实现对脉冲进行计数，在1秒内对脉冲进行计数，其1秒内计数值通过锁存器进行锁存后输出，然后通过显示电路显示计数值，其计数值则为测量频率。其方案设计流程图如下所示：输入脉冲 计数电路计数清零1秒后完成数据锁存定时1秒计数数据显示时钟脉冲电路 图1-3数字芯片实现测量频率流程图方案比较论证： 方案一主要是依靠软件编程实现，对于设计一个数字频率计还

6、是电路相对简单，成本也较低，也便于容易实现。方案二是依靠数字集成芯片，原理比较清析，但是用到的集成芯片较多，外围线路很多，但是对于熟练掌握数字电路芯片是个很好锻炼机会，另外本次是完成数电的课程设计。综合考虑下，最终还是选择方案二。2. 电路模块设计2.1计数电路计数部分电路用的是二五十进制的计数器74LS90,通过CLK0下降沿触发后开始计数，CLK0与Q0构成二进制计数器，CLK1与Q2Q3Q4构成五进制计数器，MR1与MR2同时高电平则输出清零，MS1与MS2同时为高则置9，Q0与CLK1相连构成十进制。此次设计中用到6个74LS90进行级联计数，构成6位数的计数是利用Q3的下降沿来触发高

7、位计数，即将Q3接到下一级芯片的CLK0，则可以完成高位的计数。 图2-1基于74LS09计数电路2.2数据锁存输出以及显示电路数据的锁存用到的是上升沿触发的74LS273的八位数据锁存器，只有在有上升沿才将数据锁存输出，CD4511是常用的共阴极数码管译码器，其具体连接电路如下： 图2-2数据锁存器输出显示电路2.3门闸电路 门闸逻辑电路主要用双可重复单稳态触发器74LS123来完成1秒后数据锁 图2-3门闸逻辑控制电路存输出，紧接着将计数器清零，避免下次脉冲到来时又再此基础上重新计数，导致频率测量发生错误。74LS123触发器在B端电位置为高电平时，在A端出现下降沿时，在输出Q端就会产生一

8、个单稳态的脉冲波 ，此次设计的门闸主要利用产生的脉冲波的上升沿来使计数值锁存输出，然后再将计数器进行清零。通过外接电阻电容元件就可以改变输出脉冲宽度，输出脉宽，则设置好合适的电容和电阻调整输出脉宽。2.4时基控制电路 时基电路主要用到555定时器来产生一个方波信号,如下图由555构成一个多谐振荡器电路 图2-4由555构成多谐振荡器电路图通过调节电位器R1可以改变输出的占空比，该方波的整个充放电周期为，高电平所占时间为，此次设计要求输出方波的高电平时间为1秒，则可以有理论计算出，用高精度的电位器R1就可以将高电平的脉宽调到很精准1秒，则数字频率计的精度也会提高。3. 系统总体电路图3.1计数部

9、分电路原理图部分一： 图3-1脉冲计数电路原理图计数部分的电路利用的是6个十进制芯片74LS90，3个上升沿触发八位数据74LS123的锁存器，以及后面CD4511译码器和七段显示数码管，构成对输入的秒冲进行计数锁存，最后进行输出和显示在数码管上。3.2闸门逻辑控制电路原理图部分二： 图3-2闸门逻辑控制电路这部分电路由555构成的时基脉冲电路和74LS123可重复触发触发单稳态触发器组成，主要是完成在1秒的高电平内进行计数，然后再利用边沿使数据进行锁存，然后再将74LS90的数据进行清零。74LS123单稳态的触发器目的主要是考虑到芯片的延时，必须是先将1秒计时后的数据进行锁存输出，然后再利

10、用触发信号将74LS90计数值进行清零。4. 软件仿真图数字频率计仿真图如下：图4-1频率计仿真图仿真图中输入信号的频率为1963HZ，仿真结果输出值也为1963HZ，可见仿真是成功的，可见原理上可行。5. 实物调试5.1实物制作图5-1实物焊接图5.2实物显示结果图 图5-2实物显示结果图一（接上图）说明如下：上图信号输入频率为110HZ，输出结果显示为115HZ，可见存在一定的偏差，偏差为5HZ。 图5-3实物展示图二说明如下：上图信号的输入频率为10KHZ，然后显示结果输出为10095HZ，存在一定的误差，但是结果还是说明问题，证明电路原理和设计的正确性。5.3误差分析实验结果分析:从上

11、面实验结果显示值存在着一定的误差，误差主要在于555时基脉冲信号很难精准的定时为1秒，计数器只在1秒钟内才进行计数，当高电平时间超过1秒时，则会使计数值偏大，频率测量值就会偏大，如果高电平时间小于1秒，则计数值偏小，频率的测量值偏小。此外影响频率测量误差还可能存在集成芯片再进行级联时延时值较大存在的微小误差，影响到最终频率值得测量结果。5.4元件清单表5-4元件清单表原件序号型号主要参数数量备注15551定时器272LS1231逻辑控制电路374LS001与非门474LS90610进制计数器574LS2733锁存器6CD45116译码器78421数码器6数码管8R47K2电阻9R39K2电阻

12、Rext10K3电阻11R3.3K1电阻12R1K1电阻13R101电阻14RP100K1电位器15RP47K1电位器16C4.7F2电解电容17C10F1电解电容18C47F1电解电容19C100F1电解电容20C0.01F1瓷片电容21LED1二极管22S1按钮开关6 心得体会数电课设我们的题目是数字频率计，在了解原理之后，我们考虑到这个电路是时钟信号的输入比较重要，因为频率计就是要测量一秒钟内一个信号源输出了多少个完整周期信号，所以时钟电路模块我们要精准到1秒，而不能直接给高低电平，因此我们考虑了很多方案，做出了555多谐振荡器和晶体振荡器，由于工艺的问题，555振荡器在我们的后续调试中

13、很稳定，而晶体却不那么稳定，所以我们选用555振荡器。其次重要的部分是计数，锁存及输出部分，由于这部分电路较为复杂，有21个芯片，手工焊线的话，我们需要的杜邦线太多，也无法完成调试，所以我们还是选用做PCB板，而单面线路太多，就考到做双面PCB，一方面是方便走线，一方面是尝试双面PCB板的手工制作，给自己挑战。不过过程就没这么简单，双面板的对齐很难，我们做了三块板子，完成了两块，之后在过孔和焊锡上花了很多时间，但是花时间更多的是检查线路，由于我们镀锡做的不是很好，很多焊点都有虚焊，我们在检查了二三十处错误之后，终于完成了板子的焊接。在调试过程中，我们发现数码管一直计零，完全没有计数，在多次检查

14、通断之后，问题还是没有解决，最后我们在原理上找到了问题，因为90芯片的清零比273的锁存要快，所在锁存器锁存之前，计数就已经被清零了，为了解决这个问题，我们选用了74LS123组成的延时电路来解决这个问题，由于延时电路有两个部分，让快的部分接入锁存器，慢的部分接入计数器清零端，就可以避免这个问题。于是我们的课程设计到此终于完成了基本功能的测试，为了提高精度，我们微调了555振荡电路，使其在01KHz内误差小于1%，在1KHz100 KHz内误差小于5%。这次试验真的是得到了很多东西，学会了双面PCB板的焊接，学会了数电芯片的调试，学会了培养自己的耐心，这是一次很有意义的课程设计。 参考文献1伍时和,数字电子技术基础第一版. 清华大学出版社,20092梁宗善,新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计.华中科技大学出版社,20043孙梅生,电子技术基础课程设计.高等教育出版社,20054康华光,数字电子技术基础第五版.高等教育出版社，20065陈大钦,电子技术基础实验电子电路实验、设计、仿真.高等教育出版社，2004 本科生课程设计成绩评定表姓名刘潇性别男指导老师曾刚专业、班级电信1104班课程设计题目：数字频率计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、及格、不及格评定） 指导教师签字: 年 月 日