数字频率计的设计1

1电子电路设计、仿真与实践题目数字频率计的设计院（系）名称信息工程学院通信工程系专业名称通信工程学生姓名及学号李占强100110033李猛100110054代建平100110032刘学清100110063指导教师赵春雨2012年6月25日2数字频率计摘要频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T。频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。关键词：周期；频率；数码管，锁存器，计数器，中规模电路，定时器3目录1.设计要求……………………………………………42.数字频率计的基本工作原理及设计框图…………43.单元电路设计及仿真调试…………………………43.1放大整形电路…………………………………53.2时基电路…………………………………………53.3控制电路…………………………………………64.整机电路设计及仿真调试……………………………95.Protel电路原理图及PCB版图……………………116．元件清单………………………………………………87.总结………………………………………………………98.参考书目…………………………………………………99.附录……………………………………………………1041数字频率计的基本工作原理及设计框图本次综合实训所设计的数字频率计能够测量任意周期信号的频率，测量频率范围为：1-9999HZ。输入电压幅度为0.1-10V。显示位数：4。若在给定的1s时间内对信号波形进行计数，则计数的结果显示出来，就是被测信号的频率。因此数字频率计必须获得相对稳定准确的1s时间，同时还要将被测任意周期信号转换成幅度和波形均能被数字电路识别的脉冲信号，通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，并且在计数之前要进行清零，计数之后才要将计数结果进行锁存、译码和显示。显示器显示的就是被测信号的频率。根据数字频率计的基本工作原理，整机电路设计框图如图所示。待测信号通过放大整形电路变换成频率相等的脉冲信号送到计数器的时钟输入端，计数器的工作受计数信号和清零信号的控制。当计数信号有效时，计数器开始计数，计数器的输出送到锁存器的数据输入端，当锁存信号有效时，才能将数据输出并送到显示译码电路译码驱动4位LED显示器显示相应的测量结果。3.单元电路设计及仿真调试清零信号放大整形待测信号控制电路时基电路计数器锁存器显示仪码管数码管显示器锁存信号计数信号51)放大整形电路放大整形电路部分用于对待测信号进行处理。输入信号过大或过小都会影响测量，对过大的信号要进行限幅，过小的信号要进行放大，然后将待测信号变换成脉冲信号送入到计数器的时钟输入端。设计电路如图所示，过大的信号通过二极管限幅，过小的信号通过运放放大，再通过施密特整形电路进行整形，转换成同频率的脉冲信号，仿真结果如图所示整形电路：C10.1µFR19.1kΩR210kΩR32kΩR4100kΩKey=A75%U23288RT12543U1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R510kΩC20.01µFVCC10VVCC10VGNDGNDXFG1XSC1ABCDGTC30.1µFD31N4007D41N4007仿真波形：6经测试，仿真结果与设计要求相符合。时基电路：产生每秒1hz的方波VCC5VGNDU1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R143kΩR250kΩC110µFC20.01µF本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器如图3.2.1所示。接通电源后，电容被充电，当Cv上升到32CCV时，使Ov为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过2R和T放电，Cv下降。当Cv下降到3CCV时，Ov翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为t1=R2Cln2=0.7R2C7当放电结束时，T截止，CCV将通过1R、2R向电容C充电，Cv由3CCV上升到32CCV所需的时间为t2=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)当Cv上升到32CCV时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为f=1/t1+t2=1.43/(R1+2R2)C时基电路仿真波形经测试，仿真结果与设计要求相符合。控制电路：通过控制电路可得到计数信号、清零信号和锁存信号。逻辑控制电路的一个重要的作用是在每次采样后还要封锁主控门和时基信号输入，使计数器显示的数字停留一段时间，以便观测和读取数据。简而言之，控制电路的任务就是打开主控门计数，关上主控门显示，然后清零，这个过程不断重复进行控制电路仿真波形：8经测试，仿真结果与设计要求相符合。计数器与锁存器采用具有使能和清零功能的十进制计数器74LS160来完成计数的功能，将控制电路产生的计数信号送到计数器的计数使能端ENP，产生的清零信号送到计数器的CLR端。锁存器采用74LS374八路数据锁存器完成，因为74LS373锁存器当CLK的上升沿到来时，将输入数据锁存到输出端，所以将控制电路产生的锁存信号直接送到锁存器的时钟输入端CLK。显示译码器显示译码电路采用74LS248集成电路，显示部分采用共阴数码管显。94、总结经过两周的学习与设计，我对于数字频率计的组成与功用有了了解与掌握，并且对于数字频率计的个部分电路有了各设计的方案原件序号型号主要参数数量备注15552定时器274ALS74AM1D触发器374LS484显示译码器474LS160410进制计数器574LS3742锁存器674ALS002与非门78421数码器4数码管8R50k2电阻9R43K2电阻10R10K2电阻11R2k1电阻12R9.1k1电阻1374ALS021或非门14RP100K1电位器15IN40072二极管16C0.01μF2电容17C10μF1电容18C0.1μF2电容193288RT1运算放大器10进行了设计。在设计频率计的电路过程中对于逻辑控制电路有了更深一步的认识，了解并掌握了芯片74LS160，74LS374，74LS248的功能与连接，并且对于译码显示器、计数器与锁存器的工作有了认识与了解。对于被测信号的处理也比从前的理论掌握的更加准确；在这一周的设计中，我发现了自己许多的不足，在设计中遇到了一些困难，设计的电路经过测试并不能达到要求的功能，导致设计失败，又重新查找资料进行设计与修改，而最终终于在为期一周的努力下设计出了符合要求的频率计数器。通过设计也达到了设计的目的，了解掌握了数字电子技术的知识并应用于实践。培养了自己独立完成课题的能力与动手能力，并加强了对待事物严谨的态度5、参考书目：1、陈晓文主编.电子线路课程设计.北京：电子工业出版社，20042、彭容修，《数字电子技术基础》，华中理工大学出版社，武汉，20003、李哲英，《电子技术及其应用基础》（数字部分），高等教育出版社，北京，200311附录1频率计全机电路图及仿真VCC5VGNDU1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R143kΩR250kΩC110µFC20.01µFU2A74ALS74AM1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4U3A74ALS00MU4A74ALS02MR32kΩR410kΩR59.1kΩC30.1µFD11N4007D21N4007R6100kΩKey=A75%XFG1GNDC40.1µFC50.01µFR710kΩU6LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2GNDVCC5VU53288RT12543U974LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U1074LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U774LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U874LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U1174LS374DW1D32D43D74D85D136D147D178D18~OC1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19U1274LS374DW1D32D43D74D85D136D147D178D18~OC1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19U1374LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U1474LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U1574LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U1674LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4VCC5VU17ABCDEFGCKU18ABCDEFGCKU19ABCDEFGCKU20ABCDEFGCKGNDVCC5VU21A74HC00D_2VXSC1ABCDGT12附录2频率计电路图13附录3频率计PCB版图