《数字频率计的设计与制作(分立).doc》

数字频率计 课程设计 2008-10-29 12:23:45 本文已公布到频道分类 初始条件：本设计既可以使用集成脉冲发生器、计数器、译码器、单稳态触发器、锁存器、放大器、整形电路和必要的门电路等本设计也可以使用单片机系统构建简易频率计用数码管显示频率计数值要求完成的主要任务:技术要求：① 设计一个频率计要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000Hz②测量频率范围：10~10KHz，10KHz~100KHz，100KHz~1MHz③测量信号类型：正弦波、方波和三角波④测量信号幅值：0.2~5V⑤设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S⑥确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理  摘   要 本次课程设是针对简易频率计的设计，在设计过程中，所有电路仿真均基于EWB仿真软件EWB软件是交互图像技术有限公司（INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在九十年代初推出的EDA软件，它的仿真功能十分强大，可以几乎100％地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。

EWB的兼容性也较好，其文件格式可以导出成能被ORCAD或PROTEL读取的格式， EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室本课程设计介绍了简易频率计的设计方案及其基本原理，并着重介绍了频率计各单元电路的设计思路，原理及仿真，整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况整个设计配以仿真电路图和波形图加以辅助说明，便于读者理解频率计的工作情况设计共有三大组成部分：一是原理电路的设计，本部分详细讲解了电路的理论实现，是关键部分；二是仿真结果及分析，这部分是为了分析电路是否按理论那样正常工作，便于理解三是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求最后是对本次课程设计的总结整个设计浅显易懂，结构严谨，是一份完整的课程设计但由于本人水平有限，加上时间仓促，存在错误在所难免若发现错误，恳请读者给与批评指正 目    录摘   要..................................................................... 31 原理电路的设计.......................................................... ..41.1设计方案的选择 .......................................................... 61.2单元电路的设计和元器件的选择 .............................................9（1）放大整形电路 .......................................................... 9（2）时基电路.......................................................... .... 10（3）逻辑控制电路 .......................................................... 11（4）分频电路 .............................................................. 12（5）计数电路 .............................................................. 13（6）锁存显示电路..........................................................  141.3完整电路图及其工作原理................................................... 152 仿真结果及分析...........................................................  162.1 单元电路的仿真及分析.....................................................16（1）放大整形电路 .......................................................... 16（2）时基及逻辑控制电路..................................................... 17（3）计数锁存及显示电路 .................................................... 182.2 整体电路仿真及分析 ..................................................... 183性能测试.......................................................... ........ 193.1 电路调试 ............................................................... 193.2 性能测试.......................................................... ..... 194收获、体会和建议..........................................................  205元器件清单 ................................................................ 216参考文献 .......................................................... ........22一、数字频率计的设计与制作一、问题引入在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。

二、设计目的本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤 三、设计要求设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下： （1）频率测量范围： 10 ～ 9999Hz （2）输入电压幅度 >300mV （3）输入信号波形：任意周期信号 （4）显示位数： 4 位 （5）电源： 220V 、 50Hz 四、所需仪器仪表 示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪、直流稳压电源五、设计内容、方法与步骤： 1、设计内容 1）数字频率计的基本原理 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（ 1S ）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这就是数字频率计的基本原理2）系统框图 从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图 8.3 所示的电路框图 下面介绍框图中各部分的功能及实现方法 （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系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现 （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按国家标准，市电的频率漂移不能超过 0.5Hz ，即在 1 ％的范围内用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求全波整流电路首先对 50Hz 交流市电进行全波整流，得到如图1所示 100Hz图1 数字频率计框图的全波整流波形波形整形电路对 100Hz 信号进行整形，使之成为如图2所示 100Hz 的矩形波   图2 全波整流与波形整形电路的输出波形 波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形 （3）分频器 分频器的作用是为了获得 1S 的标准时间电路首先对图1所示的 100Hz 信号进行 100 分频得到如图2（ a ）所示周期为 1S 的脉冲信号然后再进行二分频得到如图 8.5 （ b ）所示占空比为 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 分频器可以采用第 5 章介绍过的方法，由计数器通过计数获得。

二分频可以采用 触发器来实现 （4）信号放大、波形整形电路 为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，图3 分频器的输出波形使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号信号放大与波形整形电路的作用即在于此信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器 （5）控制门 控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲控制门可以用与门或或门来实现当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数 （6）计数器 计数器的作用是对输入脉冲计数根据设计要求，最高测量频率为 9999Hz ，应采用 4 位十进制计数器可以选用现成的 10 进制集成计数器 （7）锁存器 在确定的时间（ 1S ）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得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，送显示译码器锁存器可以采用一般的 8 位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件 （8）显示译码器与数码管 显示译码器的作用是把用 BCD 码表示的 10 进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。

选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配 3）实际电路 根据系统框图，设计出的电路如图4 所示 图中，稳压电源采用 7805 来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求 .对 100Hz 全波整流输出信号的分频采用 7 位二进制计数器 74HC4024 组成 100 进制计数器来实现计数脉冲下降沿有效在 74HC4024 的 Q7 、 Q6 、 Q3 端通过与门加入反馈清零信号，当计数器输出为二进制数 1100100 （十进制数为 100 ）时，计数器异步清零实现 100 进制计数为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时保持一段时间（ 10mS ）为高电平图 4 数字频率计电路图电路中采用双 JK 触发器 74HC109 中的一个触发器组成 触发器，它将分频输出脉冲整形为脉宽为 1S 、周期为 2S 的方波从触发器 Q 端输出的信号加至控制门，确保计数器只在 1S 的时间内计数从触发器 端输出的信号作为数据寄存。