数字频率计资料设计及制作.docx

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数字频率计资料设计及制作

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数字频率计资料设计及制作

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目　　　录

目录…………………………………………………………………1

课程任务………………………………………………………2

1.1课程名-------------------------------------------------2

1.2课程题目-----------------------------------------------2

1.3课程设计内容-------------------------------------------2

技术指标………………………………………………………2

2.1技术指标-----------------------------------------------2

2.2系统结构-----------------------------------------------2

整体方案与重点方案设计……………………………………2

3.1基本原理-----------------------------------------------2

3.2整体方案与原理图---------------------------------------3

3.3单元电路设计-------------------------------------------3

3.4重点设计电路-------------------------------------------8

实物制作……………………………………………………10

4.1电路图绘制--------------------------------------------10

4.2PCB设计制作------------------------------------------10

4.3电路焊接----------------------------------------------10

4.4电路调试----------------------------------------------11

总结　…………………………………………………………13

5.1设计亮点---------------------------------------------13

5.2问题及改进-------------------------------------------14

5.3心得体会---------------------------------------------14

附录…………………………………………………………15

附录1：

电路原理图---------------------------------------15

附录2：

生成PCB图---------------------------------------16

附录3：

使用元器件一览表---------------------------------17

参考文献……………………………………………………18

1.课程任务

1.1课程名

消费类电子产品设计

1.2课程题目

数字频率计的设计与制作

1.3课程设计内容

设计并制作一种数字频率计

2.技术指标

2.1技术指标

1．频率测量范围：

10~9999Hz

2．入信号波形：

任意周期信号

3．输入信号电压幅度：

>300mV

4．电源：

220V、50Hz

2.2系统结构

本系统分为电源与整流稳压电路模块，全波整流与波形整形电路模块，分频器模块，信号放大和波形整形电路模块，控制门模块，计数器模块，锁存器模块，显示译码器与数码管显示模块。

几个模块各个都有自己完成的相应的功能，各个模块之间紧密结合起来组成了整个数字频率计系统。

有关各个模块的具体作用将在方案设计中加以介绍。

3整体方案与重点方案设计

3.1基本原理

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。

频率是单位时间内信号发生周期变化的次数。

如果我们能在给定的1S时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。

数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，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。

按照这个基本原理，我们可以设计这个数字频率计。

3.2整体方案原理图

被测信号

信号放大

显示译码器

计数器

4位LED显示

波形整形

分频器

控制门

数据锁存器

波形整形

整流稳压

电源

全波整流

图1整体方案原理图

3.3单元电路设计

1.电源与整流稳压电路

框图中的电源采用50Hz的交流市电。

市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。

具体实现电路如下图所示：

图2电源与整流稳压部分原理图

我们采用9V变压器对220V市电进行降压，后通过四个IN4007整流二极管组成的全桥整流对交流电进行整流，后经过一个1000uf的极性电容进行滤波，之后通过三端稳压器L7805进行稳压，后在经过一100uf电容再次滤波，最后可以得到较稳定的5V电压，给整个系统供电。

我们把此模块作为重点设计电路部分，具体的分析详见3.4重点设计电路部分。

2.全波整流与波形整形电路

本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。

全波整流电路首先对50Hz交流市电进行全桥整流，得到100Hz的全波整流波形。

波形整形电路对100Hz信号进行整形，使之成为100Hz的矩形波。

我们设计的具体电路如下：

图3全波整流与波形整形电路部分原理图

我们通过四个整流二极管进行全桥整流，整流后的波形如下图所示：

图4交流电通过整流二极管整流后的波形图

后我们通过IN4733稳压二极管进行稳压保护，后通过施密特反相器74HC14进行整形，整形后的波形为100HZ的矩形波，波形如下图所示：

图5经IN4733稳压后的波形图

3.分频器

分频器对100Hz信号进行100分频得到周期为1S的脉冲信号。

然后再进行二分频得到占空比为50%脉冲宽度为1S的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。

利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1S时间内通过控制门的被测脉冲的数目。

具体实现电路如下：

图6分频器电路部分原理图

我们采用7位二进制计数器CD4024作为分频器对应的Q7，Q6，Q3接三输入与门对整形后的信号进行100分频，分频后波形如下图所示：

图7分频器的输出波形图

然后，我们采用双上升沿JK触发器CD4027在对信号进行二分频后得到占空比为50%，脉冲宽度为1s的方波信号（即0.5Hz，占空比为50%的方波）。

由此获得测量频率的基准时间去打开或关闭控制门电路。

4.信号放大、波形整形电路

通过信号放大和波形整形电路将被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号，能够被计数器识别进行计数。

具体实现电路如下图所示：

图8信号放大、波形整形电路部分原理图

我们采用了高增益单运算放大器uA741对输入信号进行放大，在信号的正向输入，我们通过2个1kΩ电阻进行分压，使得信号的基准电压从0V提升到2.5V左右，这样对测量的信号的负半周也可以放大，保证了信号放大后的稳定性，我们采用施密特反相器74HC14对放大后的信号进行整形，得到我们需要的可以测量的方波信号。

起输入的波形和经过整形后的波形分别如下图所示：

图9输入波形图图10整形后的波形图

5.控制门

控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。

此处采用与门来实现。

当秒信号为正时进行计数，为负时进行锁存显示。

具体实现电路如下图所示：

图11控制门部分原理图

JK触发器的输出端Q和Q\分别接到计数时能的与门输入端和锁存清零的与门输入端，并且通过全波整流与波形整形电路的输出端相与，使其有尽5ms左右的锁存延时，保证锁存的正常进行，保证了数据的稳定性。

6.计数器

计数器的作用是对输入脉冲计数。

本实验要求测量上限为9999Hz，需采用4位十进制计数器。

具体电路如下：

图12计数器部分原理图

这里我们采用了两片双BCD加计数器CD4518分别对个十百千位进行计数，通过而输入与门74HC08作为进位控制的标志。

7.锁存器

在1S内计数器的计数结果经锁定后获得稳定的值送显示译码器。

锁存器采用一般的8位并行输入寄存器。

图13锁存器部分原理图

我们选用了常用的八上升沿D触发器作为锁存器对测量的数据进行锁存显示，此部分电路比较简单。

8.显示译码器与数码管显示

显示译码器将用BCD码表示的10进制数转换成数码管正常显示的段信号以获得数字显示。

本实验采用共阴极数码管。

具体实现电路如下：

图13显示译码电路部分原理图

此电路我们采用了7段BCD锁存译码驱动器CD4511对数据进行译码显示，最后使测量的数据显示到数码管上。

3.4重点设计电路（电源部分）

我们选择了电源部分电路作文本次课程设计的重点设计电路部分，我们将对此部分电路做详细讲解。

此部分电路图如下图所示：

图14电源部分原理图

电源部分我们采用了50Hz的交流市电，经过变压器降压，通过四个IN4007组成全桥整流，再经过电容滤波，后经过LM7805稳压，稳压之后再次经过整流后即得到较稳定的5V电压。

以下我们来分析各部分电路的主要作用和参数：

被降压的市电通过整流后得到的波形：

图15电源部分原理图

2、整流波形通过电容滤波后得到的波形：

图16电源部分原理图

3、经过L7805三端稳压器稳压后的波形：

图17电源部分原理图

通过计算可知通过整流桥后的电压值U1≈0.9Ui（U1表示二极管整流后的电压，Vi表示变压器降压后的电压），在滤波电容满足RL≥（3～5）T/2的情况下，滤波后的电压Uo=1.2Ui（Uo表示电容滤波后的电压）。

通过波形我们可以看到电路的每个元器件的功能和作用，此电路具有电路简单，稳定性高，调试简单等一系列的有点。

但是值得注意的是L7805输入输出端的压降不要太大，否则可能导致L7805发热量过大。

，影响系统的稳定性。

实物制作结论

4.1电路图绘制

在实物制作之前，我们要绘制电路的原理图和PCB图，我们采用了电路图设计软件Protel99SE绘制原理图和PCB，首先我们要对我们电路中的元件绘制原理图封装和PCB封装，我们均采用自己画的封装，可以把自己画的所有封装集成在一个库里供今后使用。

画好了封装图，我们便开始画作品的原理图，由于我们对整个实物理论比较熟悉，有了自己画的封装图我们画起来会比较简单，但是我们需要细心防止电路中有断路，短路或者连线网络标号设置错误现象，因为如果画的电路有较大问题的话，对我们后面的测试将会产生比较大的困难。

设计完成的电路原理图见附录1。

4.2PCB设计制作

画好了原理图，我们要进行ERC检查，在有条件的情况下最好能够进行计算机仿真，确保电路的万无一失，因为一旦PCB成型后送厂制板后是很难修改的，下面是我们在计算机做的仿真图：

图18数字频率计的计算机仿真图

在仿真无误的情况下，我们开始对我们原理图生成的PCB图进行布线布局，在布局，设计完成的PCB设计版图见附录2。

在完成PCB的设计，检查无误的情况下我们便可以把绘制的PCB发送到专业的PCB制板厂进行制板了。

4.3电路焊接

PCB送往制板厂制版的同时，我们便要根据我们的封装购买元器件，整个元器件列表见附录3，在元器件和PCB都拿到手之后，我们要对我们所用的元器件进行检测，确保每个元器件完好无误。

接下来我们要做的便是电路的焊接，个人觉得电路的焊接由以下几点需要注意：

元件最好是从低到高，先焊接那先电阻二极管再到PIC插槽

芯片先不要急于插到电路上，我们可以先把IC插座焊接好，电源部分焊好先通电测试，确保电压在5V之后便短接A处再断电插芯片。

焊接好的电路如下图所示：

图19焊接好后的电路图和实物图

电路调试

按道理来说，电路调试是和焊接一起进行的。

我们要进行的测试项目如下：

电源测试

电源电路和变压器焊接好了之后，我们便可以测量电源电压是否稳定了，用万用表的电压档测量P1和GND间的电压，经测量，电压为5.08V，满足要求，在固定范围内。

于是我们可以短接A点，插上74HC14开始检测基准时间信号。

基准时间信号波形检测

我们用示波器测量P5点的波形，我们发现没有我们需要的100Hz的方波输出，仅仅只有一条高电平。

我们测量整流桥后的波形，100Hz的波形，幅度9.8V。

波形如下：

图20基准信号整流后的波形图

分析原因：

可能是变压器输出的电压过高，稳压5V之后电压跳变过快，施密特触发器有一段时间的滞留，导致没有发挥功能。

解决方案：

我们把5V的稳压二极管换成了1.2K欧左右的电阻,进行直接分压这样输入施密特的波形应该会更稳定，更换之后我们继续测量施密特输出端的波形如下：

图21100Hz基准信号波形图

是标准的100Hz方波，正常，问题解决。

接下来我们检测秒信号输出。

秒信号检测

我们用示波器测量P2点的波形，我们发现输出的波形不是标准的0.5Hz，占空比为50%的方波。

于是我们继续测量P7的波形，发现输出的波形没有1Hz，只有接近920Hz左右。

我们继续测分频器输入端的信号，100Hz正常。

分析原因：

可能是CD4024分频器分频的问题，没有达到一百分频，可能是分频电路有短路或者芯片故障。

解决方案：

经检测电路一切正常，我们尝试着换了片不同型号的CD4024芯片，秒信号正常，问题解决。

接着我们测量输入信号端的波形。

输入信号检测

我们从输入端输入一正弦波形，波形如下：

图22输入的正弦波下图

我们测量放大后的波形，如下图所示：

图23放大器放大后的波形图

我们接着测量P4端整形后的波形，如下图所示：

图24输入信号整形后的波形图

经检测一切正常，于是我们接通B，C点插上其他芯片继续检测计数器，锁存器，译码器等部分电路。

计数器，锁存器，译码器等部分检测

我们插上所有芯片后，同上电，技频率计一切正常，所以证明这部分电路没有问题，但是我们发现数码管的亮度比较亮。

且L7805有发热迹象。

分析原因：

电路中，特别是数码管中通过的电流过大，导致数码管过量和三端稳压片发热，经检测数码管的共阴端没有接线流电阻。

解决方案：

在数码管的共阴端接上470Ω电阻，再次通电，问题解决。

经过一系列的测试调试，最后数字频率计制作成功。

结论

5.1设计亮点

本系统的设计亮点在于电路知识涉及面较广，涵盖数模电和电路知识等一系列指示点，且着重于培养实践与理论知识的相互融合。

系统难易程度相当，对于学生来说，能一定程度上锻炼学生的动手能力，对学过的知识也是一种巩固。

在设计上，本系统采用市电50Hz的市电作为基准频率是本设计的一大亮点，不需要额外的时钟产生电路，且信号稳定。

减少了是时钟产生电路，是电路设计更加简洁。

5.2问题及改进

此次电路虽然设计努力确保不出问题，但是由于理论和实践，始终有差别，加上仿真与实际电路的误差，和自己设计上的粗心大意，还是出现了以下问题，下面就问题和解决改进方案如下：

由于变压器输出的电压过高，倒是稳压管稳压后的波形失真过大导致施密特没有锯齿波输出，解决方法是把稳压管换成1-1.5K左右的电阻尽可能的不要让幅度变化过快。

数码管的二极管不能通太大电流，否则可能导致电流过大烧坏二极管，解决办法是在共阴极端串上限流电阻。

5.3心得体会

在整个电路的设计制作过程中我们学习到了许许多多，从理论设计到实物制作，每一个过程都让我们受益匪浅，将近一个月的课程设计，巩固了我们曾今学过的理论知识，也提高了我们的动手实践能力。

在课程设计的工程中我们也发现了一些问题和不足。

在设计过程中让我们知道，理论是实验的基石，但是，理论成功的电路实际上不一定可行，所以让我们知道，作为一名电子学生，不断加强实践是需要的，只有通过一定的实践才能锻炼能我们对理论知识的理解，巩固理论知识，但又不盲目接受。

在这样的课程设计课中，我们学习到了很多很多书本上没有的知识，但是这对于我们以后的生活和学习却有着很大哦的用户，不仅仅是增强了我们的实践动手能力，而且培养了我们的创新净胜。

当然，也让我们认识到了我们还有很多不足，需要在今后的学习过程中不断的加强提高。

结论

附录1数字频率计电路原理图

附录2数字频率计PCB设计图

附录3：

使用元器件一览表（序号、名称、型号、规格、数量、备注）

参考文献

[1]电子技术基础——数字部分，康华光编著，高等教育出版社，2006年1月第5版。

[2]模拟电子技术，主编陶恒齐、张小华、彭其圣，华中科技大学出版社，2007年3月第1版。

华中科技大学印刷场出版。

[3]数字频率计的设计，牛晓弟马洪涛高志勇，电脑开发与应用，第九期第22卷。

[4]模拟电子技术基础，童诗白华成英主编，高等教育出版社，2007-11-01第4版。

[5]数字电子技术基础，阎石　主编，高等教育出版社，2008年02月01日第5版。

[6]EDA技术实用教程，潘松黄继业编著，科学出版社，2006-09第三版。

[7]电子线路设计与实现，吴慎山编著，电子工业出版社，2005。