数字频率计设计数字电子技术课程设计实验报告.docx

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数字频率计设计数字电子技术课程设计实验报告

数字频率计设计-数字电子技术课程设计实验报告

电子技术基础

课程设计

题目名称：

数字频率计设计

评语：

成绩：

重庆大学电气工程学院

2015年7月6日

摘要

作为数字电子技术、模拟电子技术中最常用的基本参数，频率经常会被应用到各种数据的计算当中。

这就导致数字频率计在电子技术领域应用广泛，其作为一种最基本的测量仪器以其测量精度高、速度快、操作简便、数字显示等特点被广泛应用。

本文主要介绍制作简易数字频率计的原理、方法以及设计思路。

以74LS系列常用电子集成电路为例，分析如何利用整形、计数、分频、译码电路实现对于矩形波、三角波、方波等信号的频率分析及显示。

本文以作者二人小组的设计为蓝本，分享设计经验，为有制作需求及意愿的人提供施行经验。

关键字：

频率计整形电路分频电路计数方式

1、设计的目的及要求

1.1、设计目的

1）、掌握数字频率计的设计方法；

2）、掌握常用数字集成电路的功能和使用。

1.2、设计要求

设计一简易数字频率计，其基本技术要求是：

1）测量频率范围1kHz~10MHz，量程分为4档，即×1，×10，×100，×1000。

2）频率测量准确度

.

3）被测信号可以是正弦波、三角波和方波。

4）显示方式为4位十进制数显示。

2、设计思路及方案选择

2.1、设计思路

回归数字频率计本质，我们将设计的主要目的定位于它的主要功能，即测量周期信号的频率上，争取在设计合理、可靠的基础上，努力实现生产经济化、功能齐全化、技术先进化，向工程师看齐，减小误差，不出现任何功能方面的错误。

频率是单位时间（1s）内信号发生周期变化的次数，因而要求电路能在给定的1S时间内对信号波形计数，并将技术结果显示出来，就能读取被测信号的频率。

首先，必须以特定电路获得相对稳定的时间，同时运用整形电路将被测信号转换成幅度与波形均能被识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来，最后的工作即为再将计数器清零，重新计数。

2.2、设计方案选择

在熟练掌握了数字电子技术基础知识后，我们发现要实现数字频率计的计数、分量程、数值显示功能，可以使用多种方式，不同的思路可以带来多种不同的思考结果。

尽管有老师给的元件提示、制作原理PPT、Word辅导文档，但是团队内仍然存在两到三种设计方法，选取的元件不同，设计方法也截然不同。

在我看来，根据老师提供的元器件，通过3片74LS160对1KHZ的信号进行分频，可以实现对量程的控制，这是一种比较可行且可靠的设计方法。

1KHz的时钟脉冲，对其进行3次10分频，每个10分频器的输出信号频率分别为100Hz，10Hz，1Hz三种时间基准信号。

对应于以1Kz，100Hz，10Hz，1Hz的信号作为时间基准信号时，相应的量程为×1000，×100，×10，×1。

但是队友王洪一却通过仿真过程进行可行性论证，使用3片160会使电路更为复杂，对于后期的制作会产生影响。

于是便对电路进行了讨论，最后决定采用他所提供的设计方法，直接在555时钟产生电路中，通过调节不同的电容值来决定输出的信号频率，如此便大大简化了电路，提高了后期制作的效率，也为实际制作中成本控制提供了节约方法。

3、设计及仿真

3.1、总体框图

3.2、各模块功能实现及介绍

（1）整形电路

整形电路是将待测信号整形变成计数器所要求的脉冲信号。

电路形式采用由555定时器所构成的施密特触发器，输入信号整形电路输出方波，二者频率相同。

在测试功能时，我们在认真考虑施密特触发器跳变节点、电阻阻值后，最终确定的功能实现以及功能测试如图（输入为正弦波整形为方波）。

（2）时钟产生及分频电路

时钟信号是控制计数器计数的标准时间信号，其精度很大程度上决定了频率计的频率测量精度。

当要求频率测量精度较高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。

在此频率计中，时钟信号采用555定时器构成的多谐振荡器电路，产生频率为1Kz的信号，然后再进行分频，分频功能通过采用不同的电容对1KHz的信号进行分频。

其中根据公式可取R1=43K,R2=51K，调整C的大小得到频率为1KHz，100HZ，10HZ，1HZ的脉冲。

电路及1KHz信号产生图如图所示。

（3）T触发器

T触发器电路是用来将分频带器的输出窄脉冲整形为方波，因为计数器需要用方波来控制其计数/保持状态的切换。

整形后方波的频率为频器输出信号频率的一半，则对应于1Kz，100Kz，10Kz，1Hz的信号，T触发器输出信号的高电平持续时间分别为0.001s,0.01s,0.1s,1s。

T触发器采用D触发器7474为实现，根据公式将时钟输出信号和T触发器输出进行异或运算即可得到T触发器。

电路图及功能测试如图所示。

（4）单稳触发器

单稳触发器用于产生一窄脉冲，以触发锁存器，使计数器在计数完毕后更新锁存器数值。

为了保证系统正常工作，单稳电路产生的脉冲宽度不能大于该量程分频带器输出信号的周期。

例如，计数器的最大量程是×1000，对应分频带器输出的时间基准信号频率为1000Hz，周期是1ms。

取单稳电路输出脉冲宽度TW=0.1ms。

单稳触发器电路采用555定时器实现。

根据Tw=1.1RC=0.1ms可取C=0.01uf，R=9K，微分电路取R2=1K，C3=0.01uf。

电路图及功能测试如图所示。

（5）计数器

在T触发器输出信号的控制下，对经过整形的待测信号进行脉冲计数，所得结果乘以量程即为待测信号频率。

根据精度要求，采用4个十进制计数器级联，构成N=10000计数器。

十进制计数器仍采用74LS160实现。

其中清零信号由单稳态电路输出提供，控制信号由T触发器提供。

计数器输出结果送入锁存器。

电路图如图所示。

（6）锁存器

再确定时间内将计数器的计数结果锁定后即可显示稳定的显示值。

锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送至显示译码器。

锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。

（7）显示

采用7448以及4个七段数码管显示测试信号的频率，采用的数码管需有小数点显示功能以便调节范围的时候使用。

在使用过程中，分频后的电路信号通过运放放大电压，用以激活数码管DP脚，实现小数点的显示。

（8）小数点功能的实现

在选择量程的时候须有小数点显示功能，将其使能端接到经放大后的选择电路上即可实现。

3.3全部电路及功能测试

（1）输入5KHz的正弦波信号，采用第一档。

（2）输入10.5KHz三角波信号，采用第二档。

4、焊接规划及实物设计

4.1、逻辑设计图转换

首先将仿真软件中逻辑设计图转换为管脚图，每个元件按照连接顺序画出，这种转换思路对于管教较多、电路较为复杂的电路来说比较实用，可以将电路中元器件连接方式比较直白的表示出来，避免直接从逻辑图进入电路规划焊接时的慌乱，同时更会避免了线路杂乱造成的认错线路、少连线等问题。

在此之后根据逻辑图显示方式，在所需焊接的电路板上规划元器件位置，确保距离近、连线时曲线少、VCC接入点少而全、接地线走线简洁等。

4.2、电路VCC\GND端共线设计

在电路中，不仅存在元件1输出端接元件2输入端的情况，在考虑到元件之间接出、引入的情况，合理走线，还要保证电源线、地线在使用中安排合理，确保布线合理，留出相应的共线端，将所有的线集中成总线，简化布局。

4.3、焊接元器件及排针

规划完毕后，先按照管脚图及规划图，将元器件按照顺序依次焊接入电路板中，需注意排针的焊接，有些引脚接出多次，这时要留出足够引脚，确保焊点充足，为后期连线留存空间。

为了保证焊接过程安全、合理，必须严格遵守焊接相关规定，安全操作，既保证合理使用电烙铁，又要保证焊点正常使用，而不存在接触不良等情况。

4.4、元件接线及电流引入

最后一步即为接线工作，用杜邦线按照元件顺序，由左及右或由上及下，在一个元件连线完毕后，务必要检查一遍，避免漏脚未连线等问题。

5、总结与感想

虽然在大一大二期间，我们学习了各种电器基础课，从电路原理到电磁场种种，使我基本熟悉了电学领域的各种基本原理，但是很难做到学以致用，对于课程的理解也仅仅停留在课本之中，解题之上，但是本次的课程设计可以说是理论运用到实际的过程，在老师讲解的基础上，必须要综合运用自己所学的知识，与队友合作，一起完成工程量相对算是巨大的数字频率计设计工作。

作为一个为期两周的课程设计，我们将时间分配规划成两部分，第一周完成理论设计，即成功运用计算机进行仿真分析，模拟出最后电路功能实现的初步结果；第二周进行实体电路设计，完成电路元器件的采购、焊接。

在二人的初步合作中，我们在最开始就对设计方向的选择产生了冲突，究竟是选择老师的提示进行设计，求稳求全；抑或根据自己的知识储备，大胆创新，探索一条适合我们的道路，从大局出发。

这样的争论我们进行了半天，最终是通过仿真原理来证明，究竟是用三块74LS160还是一块555对于设计电路简化的作用大。

而这一次的探讨，也促进了我们之间的磨合，让我们明白了一个道理，在合作当中，无论是几个人，总要有一个人占主导地位，无论是任何情况，如果没有一个人拿最后的主意，那么所有的事情都会变成无休止的争论，这是课程设计给我上的第一课，所以在这种情况下，我们二人协商电路设计一切都以他的意见为主，尊重他的设计思路，保留我的意见；而在电路焊接过程中，一切以我为主导，分工合作，这样每个人的注意力都有所转移，站在旁观者角度给建议，反而容易一语中的，让实施者思路清晰起来。

可能在电路设计过程中，虽然我也查资料，进行辅助性工作，但是我感触最大的，还是焊电路的工作，这一部分在我看来虽然艰苦，却充满了乐趣，考验动手能力，也考验一个人能否坐得住的耐力。

起初我们是打算做PCB板来完成制作的，这样工作量变小，也使可靠性增加许多，但是最后看到制作周期大概需要4-5天，时间长，对于时间紧张的课程设计来说不是很合适，再说作为一名工科生，如果焊电路的手艺都不行，那也不好意思说自己学电的了。

我们的电路看设计图，大小集成电路元件合起来有22个，加上电容电阻以及杜邦线所需的排针，也就意味着我需要焊接450多个焊点，光焊接过程就十分困难，一直被松香、焊锡加热后所产生的烟包围，眼睛、鼻子都受到巨大考验，细小的焊点对于眼力考验十分巨大，有时焊锡连接在一起了，又需要一大部分功夫改电路，除去电路板上的规划多余焊锡。

这是我工作中的挑战，但是就算不是为了课程设计，我也要把它完成，男生对于电路都是存在一种热爱，从小到大拆各种电子器件，这是正儿八经全程自己设计、制作。

最后的接线过程也是很复杂，相比于数字电子技术实验课上的电路连线，这种来连线虽然管脚熟悉，但是杜邦线细小但棱角多，电路板空间狭小，许多线重叠，严重影响了视线，也让接线变得异常复杂，必须按照顺序，连接玩一个元件同时必须检查电路，若整个都完成再出问题，就会追悔莫及，也非常难排查故障。

这一次的课程设计，让我深刻体会到了我现在学习的知识所能做到的事情已经很多了，学以致用已经不是梦想，而且知识已经不能算是基础课了，我们要严格按照工程师的要求来约束自己，决不能向电路问题妥协。

正如唐老师答疑时说的那样，我们要逐渐适应身份转换，以后再工作岗位上，不会有人说先把你设计的一部分拿去实现，剩下的等你设计出来再说。

要是成功，就全都成功，客户需要的是产品，不是电路。

我们一定要好好打下基础，练好基本功，将学习的知识用于真正的实践。

参考文献

[1]唐治德.数字电子技术基础【M】北京：

科学出版社，2009

[2]阎石.数字电子技术基础【M】北京:

高等教育出版社,2006

[3]彭介华.电子技术课程设计指导【M】北京:

高等教育出版社，1996年