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设计目的
本次课程设计主要是配合《模拟电子技术》和《数字电子技术》理论课程
而设置的一门实践性课程,起到巩固所学知识,加强综合能力,培养电路设计
能力,提高实验技术,启发创新思想的效果。
二、
设计目标
1、整体功能要求
频率计主要用于测量正弦波、矩形波等周期信号的频率值。
2、系统结构要求
数字频率计的整体结构要求如图所示。
图中被测信号为外部信号,送入
测量电路进行处理、测量,自动换挡指的是超量程自动换高档,低量程自动
换低档。
输入信号
数字频率计
(自动换挡)
图
1
系统结构图
显示结果
3、电气指标
(1)被测信号波形:
正弦波、矩形波。
(2)被测信号的频率范围:
1Hz~999KHz,共分为
4
个档位:
1Hz
档位:
1Hz~999HZ
10Hz
10Hz~9.99KHZ
100Hz
100Hz~99.9KHZ
1000Hz
1KHz~999KHZ
(3)测量精度:
用
3
位数码管显示测量数据,1
位数码管显示档位。
测量误差
小于
1%。
(4)具有自检功能,即用仪器内部的标准脉冲校准测量精度。
(5)具有自动换挡功能,即超量程能换高档,欠量程换低档。
1
三、方案比较
方案一:
1、采用
555
定时器构成多谐振荡器产生
1000HZ
的脉冲信号,然后在通
过三个十进制分频器产生
100HZ、10HZ、1HZ
的脉冲信号,用
74LS151
选择
器选择闸门信号。
2、利用二输入端四与非施密特触发器
74LS132
作为控制电路产生清零、
锁存、计数信号来控制电路分别输入到计数器和锁存器的对应端口。
3、采用
4518
十进制计数器计数,送到译码器
4511BD,4511BD
不仅可
以把十进制译成对应的二进制,还具有锁存的功能,当计数器计数的时候数码
管
就不会一直闪,等计数完成锁存的是最终结果。
4、显示器使用三个数码管,当测量的频率从
999HZ
升到
以后,
个位数就被四舍五入了,即产生了误差,而且量程越大误差也越大。
5、自动换挡选用
74160N
作为自动换挡的核心,A,B,C,D
四个信号输入
端全部接地信号输入数字频率计后,从最低档开始计数,换挡
信号由计数部分的最高位所用的
芯片最高位进位输出信号作为换挡部分的
CLK
信号。
方案二:
1、采用晶体振荡器产生
8Mhz
的脉冲信号。
2、用三个
JK
触发器
74HC73
使闸门信号发生不同的延时再加上几个非门分别
产生清零、计数、锁存信号。
3、把锁存和译码分开,用
HEF404BT
做锁存器、4511BT
做译码器。
4、自动换挡部分使用几个与非门进行组合,鉴别信号,自动换挡
方案三:
基于单片机的数字频率计设计——这种方案最大的好处就是硬件电路设
计简单,容易制作
PCB
板,但是它的缺点也是明显的由于单片机本身晶振的问
题,在测量高频时单片机难以胜任,在造价方面单片机也会相对高一些。
2
方案选择:
根据给出的所有元器件,最终选择了方案二。
此方便较易于理解,
而且译码器
4511
自带有锁存功能,减少了对三个计数器输出进行锁存时的成本。
因此,我们选用方案二。
四、理论分析
1、基本原理
数字频率计用于测量正弦信号、矩形信号等周期信号波形的频率,其概念是单
位时间里的脉冲个数,如果用一个定时时间
T
控制一个闸门电路,时间
内闸
门打开,让被测信号通过而进入计数译码,可得到被测信号的频率
fx=
N
T
,若
T=1
秒,则
fx=N。
(1)控制电路原理:
控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号,清零开始锁存开始,
清零结束计数开始,计数结束锁存结束,控制电路还要包括自动换挡。
(2)计数显示电路原理:
在闸门电路导通的情况下,开始计数被测信号中有多少个上升沿。
在计数
的时候数码管不显示数字。
当计数完成后,此时要使数码管显示计数完成后的
数字。
(4)自动换挡原理
考虑到控制信号(超量程、欠量程、不超不欠)有
种状态,所以要用
位输入信号表示,假设
x=10、11(超量程),x=00(欠量程),x=01(不超
不欠);
状态
S0~S3
分别表示
秒~0.001
秒挡位,用
位输出表示
y=00,y=01,y=10,y=11。
得到以下状态图。
之后我们可以根据状态图列出真
值表,然后用卡诺图化简后得到电路图。
X=01
X=00x=01
S0
X=10、11
X=00
S1
3
AB
Q1Q0
00
01
11
10
00
xx
01
11
10
x
X=10、11x=00
X=01x=01
S3
S2
状态变换图表
Q1*=Q1(Q0+B+A)+Q1’Q0A
J1=((Q0A)’)’
K1=(((Q0’A’)’)’A’)’
Q0*=Q0(B+Q1A)+Q0’(A+Q1A+Q1B’)
J0=(A’(Q1B’)’)’
4
K0=((B’(Q1A)’)’)’
2、整体框图
控制电
路
正弦
整形
闸
计
锁
译
显
波矩形波
门
数
存
码
示
自检
器
0.001s
1s
时钟电
10进制分频
数字频率计原理框图
五、单元电路设计和整体电路图
1、时钟电路
时钟电路方案的选择是保证测量精度的关键,因此考虑使用石英晶振电路。
5
R16
Res2
510K
4069_1A
12
4069
4069_1B
OSC_OUT
C2
Cap
30
Y1
XTAL
C3
R13
200
GND
2、闸门
闸门可以用逻辑门
4011
来实现。
3、分频电路
分频器采用
12
位二进制串行计数器
HEF4040
与六个十进制计数器计数
器
组成。
分频器就是把高频时钟信号降低,变成原频率
1/N
的器件,N
是分频系
数(为正整数)。
以用计数器加与门(或与非门)搭成。
如果是简单的
分频、4
分频、8
分频、16
分频......等分频系数为
的
n
次方的情况,可以不需要与门,只用二
进制计数器就能完成分频。
6
输出端的
7
号引脚
分频
6
8
5
16
32
64
128
13
256
512
A
B
X
X0
X1
X2
X3
4052
选择器的真值表:
4040
十二位分频器:
端输入:
信号从
号引脚输入,7
号脚为
分频输出,6
分频输出,5
号脚为
分频输出,3
分频输出,2
分频输出,4
输出,13
分频输出,12
分频输出。
7
分频器电路图
4、控制信号产生电路
把闸门信号输到
端,把
的输出端
A、B
输到
的输
入端,其输出就能产生计数、锁存、换挡、清零控制信号。
同时在七段数码显
示管显示当前档位。
8
J
K
Q
Q’
如图
所示,由于题目所要求的数码管数量和档位设置计数部分我们采
用了三个十进制计数器
锁存部分用了三个
4511,显示部分用了三个
段
数码管。
三个
ENP
和
ENT
端均同时接计数器
CP
信号,LOAD
端均接
高电平,CLR
均接清零信号,第一个
端接的是通过闸门的被测信
号,而第一个
的进位输出
RCO
端接到第二个的
端,第二个的
RCO
端则接到第三个的
端。
当被测信号进入闸门接到第一个
端且
为高电平时计数器开始计数,锁存部分的
4511BD
兼有锁存和译码的功能,
LE
端均接锁存信号,BI、LT
端均接高电平,4511BD
的输入端为
个二进制数
通过译码后输出高低不同的电平接至数码管控制
LED
灯的亮与暗而使数码管显
示不同的十进制数。
计数、锁存、显示电路
9
E
触发
输出
高电平
输入端
Q0—Q3
输出信号
低电平
低电平
Q0---Q3
其元件的真值表如下:
CD4511
真值表
位输
入信号表示,假设
x=10、11(超量程),x=00(欠量程),x=01(不超不欠);
之后我们可以根据状态图列出真值表,
然后用卡诺图化简后得到电路图。
C1C0
X1X0
量程范围
关系
C1=X1
C0=X0’
超量程
欠量程
00/11
不超不欠
设计流程:
第一步:
首先根据
的输出,我们发现在次高档和高档频率的计数器要进位
时其输出
Q3
会由
至
0
出现下降沿脉冲,将其作为自动换挡模块的触发脉冲
来对数据选择器选档。
第二步:
假设高档和次高档的进位设为
C1C0,C1C0=11
时,表明信号频率超
第三步:
根据上面主要思想的状态转换图,我们可以画出
AB
Q1Q0
之间关
系的卡诺图。
见下表:
Q1*
0000x0
0100x1
1111x1
1001x1
根据以上的各逻辑式与
触发器的特性方程对照,则得出各触发器的驱动方
程:
J1=((Q0A)’)’J0=(A’(Q1B’)’)’
K1=(((Q0’A’)’)’A’)’K0=((B’(Q1A)’)’)’
由上三步骤的分析画出自动换挡控制电路的逻辑图如图以下:
自动换挡电路
7、量程显示电路
将数据选择器的
挡作为量程显示的输入端
12
8、总电路图
13
6、电路仿真结果记录及分析
仿真结果如下图:
186HZ
14
186kHZ
7、元器件列表
74HC73双
触发器
CD4011与非门
CD4069六反相器
HEF4040BT三态
RS
锁存器
HEF4511BTBCD
制
段锁存器
HEF4518BBCD
计数器
40524
选
数据选择器
8、心得体会
经过不断的努力研究,我们小组终于顺利设计出了数字频率计。
这个过
程当中,每一次的小小突破,都给我们带来巨大的喜悦,真可谓皇天不负苦心
人,一个星期来的汗水没有白流。
这次课程设计给了我们一次锻炼自己,提高
自己动手和思考分析以及解决问题的能力,我们不仅收获了做电路设计和仿真
上的经验,同时也收获到享受成功时的那份心情,从苦到甜。
三个星期中,我
15
们为自己的作品废寝忘食,但乐在其中、无怨无悔。
从老师布置题目的第一天
起,我们不是在不停地收集和翻阅资料就是在宿舍搞仿真,工作量之大前所未
有,以往的实验都是在老师的指导下完成,可这次实验主要靠的就是自己的能
力,查阅资料,访问互联网,跑图书馆,咨询老师和同学,可谓八仙过海各显
神通。
经过这次课程设计,我们系统地利用了电路,模拟电子技术和数字电子
技术的知识,将三门学科有机地结合起来,增强我们的理论知识,因为在课堂
上我们只是学习单一的一门学科,没有将几门学科结合起来,虽然各自的学科
学习掌握的情况还不错,但是一旦遇到需要综合应用各个学科的知识时,我们
通常会表现的手足无措。
实验中我们体会到了掌握基础知识的重要性,基础知
识可以让我们在实验中得心应手而不是知其然而不知其所以然,运用时糊糊涂
涂造成麻烦。
通过本次课程设计,我们深深体会到自己实际动手能力方面的不足,经过
这次实验设计对我们的考验,我们学会了运用很多以前学过的知识,去实现我
们想要做的东西;
我们也学会了执着与坚持,因为要想获得成功就得需要很强
的毅力。
当然最重要的是我们小组团结一致,两个人在一起研究和思考,一起提出
意见和方法,然后讨论出最佳的方案去设计,这才是我们成功的关键所在。
希
望以后能有这样更多的机会来锻炼我们,因为我们所学的东西要理论与实践相
结合的话,需要不断的去实践,在实践中找到自己的不足之处,然后有目的的
去纠正,这样学到的东西才真正有价值。
虽然我们的作品还存在很多不足,我们做出实物也有1%的误差,但是我想
这对提高我们的动手能力还是有很大的帮助。
很感谢这次的实验,我们获益匪
浅。
16
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