李连玉 18 频率计.docx
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李连玉18频率计
沈阳工程学院
课程设计
设计题目:
数字频率计
系别自动化学院班级通信本121
学生姓名李连玉学号2012422118
指导教师曲延华/秦宏职称副教授/教授
起止日期:
2014年6月9日起——至2014年6月20日止
沈阳工程学院
课程设计任务书
课程设计题目:
数字频率计
系别自动化学院班级通信本121
学生姓名李连玉张龙王亚东杨强
学号2012422118201242211320124221242012422120
指导教师曲延华/秦宏职称副教授/教授
课程设计进行地点:
F座
任务下达时间:
2014年6月03日
起止日期:
2014年6月9日起——至2014年6月20日止
教研室主任曲延华2014年5月25日批准
1.设计题目:
数字频率计
1.1设计目的:
(1)掌握数字频率计的构成、原理与设计方法;
(2)熟悉集成电路的使用方法。
1.2基本要求:
(1)要求被测信号为方波,峰值为3V到5V(和TTL兼容),被测信号频率范围为0Hz到9999Hz;
(2)设计振荡器及分频系统,闸门时间:
10ms,100ms,0.1s,1s,10s;
(3)可控制的计数、锁存、译码显示系统。
1.3发挥部分:
(1)被测信号为正弦波信号;
(2)被测信号为三角波信号;
2.设计过程的基本要求:
2.1基本部分必须完成,发挥部分可以在已给的范围或自己寻找资料的范围内任选几个方向,至少完成两个发挥方向:
2.2符合要求的设计报告一份,其中包括逻辑电路图、印刷电路板图各一份;
2.3设计过程的资料、草稿;
2.4考勤情况、每天任务的完成情况、答辩情况;
3.报告的基本要求:
3.1报告打印(不少于3000字)、电子版刻盘上交。
3.2装订顺序:
封面、任务书、成绩评定表、中文摘要、关键词、目录、正文(正文的具体要求按老师讲课要求)、致谢、参考文献、附录(逻辑原理图)。
4.时间进度安排:
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
2014.6.9
讲解主要设计内容,学生根据任务书做出原始框图
点名
2
2014.6.10
检查框图及初步逻辑图完成情况,讲解及纠正错误
打分
3
2014.6.11
检查及改正逻辑图
打分
4
2014.6.12
讲解印刷电路板图绘制及报告书写
打分
5
2014.6.13
继续修正逻辑图,指导印刷电路板图绘制方法
打分
6
2014.6.16
继续修正印刷电路板图的绘制,讲解波形的仿真方法
打分
7
2014.6.17
仿真各部分电路波形
打分
8
2014.6.18
继续仿真各部分电路波形
打分
9
2014.6.19
报告书写,布置答辩
打分
10
2014.6.20
答辩,收报告
打分
2014-06-03
沈阳工程学院
数字电子技术课程设计成绩评定表
系(部):
自动化学院班级:
通信本121学生姓名:
李连玉
指导教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料;能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真,遵守纪律,出勤情况是否良好,能够独立完成设计工作,
0.2
5
4
3
2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务,工作量饱满,难度适宜。
0.2
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。
0.5
5
4
3
2
指导教师评审成绩
(加权分合计乘以12)
分
加权分合计
指导教师签名:
年月日
评阅教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性;有综合归纳资料的能力
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满,难度适中。
0.5
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。
0.3
5
4
3
2
评阅教师评审成绩
(加权分合计乘以8)
分
加权分合计
评阅教师签名:
年月日
课程设计总评成绩
分
中文摘要
在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此频率的测量就显得更为重要。
本次课程设计的目的是根据已经学到的知识,按照这次课程设计的要求设计一个简易的数字频率计,要求频率计范围内能测出所输入信号的频率。
数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器,其功能是测量正弦信号,方波信号,尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量,因此已经成为电路设计的常用原器件之一,有它不可取代的地位。
在电子技术中,频率与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此频率的测量就显得更为重要。
测量频率的方法有多种,其中数字计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。
其原理为通过测量一定闸门时间内信号的脉冲个数。
本文阐述了设计了一个简单的数字频率计的过程。
测量频率的方法有多种,中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,其以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。
电子计数器测频有两种方式:
一是直接测频法,即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数;二是间接测频法,如周期测频法。
根据设计的要求我是按照第一种方法设计的,是直接测频法。
可以见一定范围内的信号输入后直接测的信号的频率。
关键词频率计,闸门,脉冲
目录
课程设计任务书I
1.设计题目:
数字频率计II
数字电子技术课程设计成绩评定表II
1设计任务描述1
1.1基本部分1
1.1.1要求被测信号为方波,峰值为3V到5V(和TTL兼容),被测信号频率范围为0Hz到9999Hz。
1
1.1.2设计石英晶体振荡器及分频系统,闸门时间:
10ms,100ms,0.1s,1s,10s。
1
1.1.3可控制的计数、锁存、译码显示系统。
1
1.2发挥部分1
2设计思路1
3设计方框图3
4各部分电路设计及参数计算4
4.1闸门电路4
4.2时基电路4
4.3逻辑控制电路5
4.4计数器6
4.5锁存器以及显示器部分6
5工作过程分析7
6元器件清单8
小结9
致谢10
参考书目11
A1逻辑电路图12
A2PCB图12
1设计任务描述
1.1基本部分
1.1.1要求被测信号为方波,峰值为3V到5V(和TTL兼容),被测信号频率范围为0Hz到9999Hz。
1.1.2设计石英晶体振荡器及分频系统,闸门时间:
10ms,100ms,0.1s,1s,10s。
1.1.3可控制的计数、锁存、译码显示系统。
1.2发挥部分
1.2.1测信号为正弦波信号。
1.2.2被测信号为三角波信号。
1.2.3在原有要求即可测量三角波信号、正弦波信号的频率的基础上,利用放大整形电路对信号进行处理,使输入端可输入任意被测信号,该电路均可准确的测量出该被测信号的频率。
2设计思路
频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。
它可以测量正弦波、方波、三角波的频率。
利用施密特触发器将输入信号整形为方波,并利用计数器测量1s内脉冲的个数,利用锁存器锁存,稳定显示在数码管上。
频率是指单位时间(1s)内信号振动的次数。
从测量的角度看,即单位时间测得的被测信号的脉冲数。
被测信号送入通道,经放大整形后,使每个周期形成一个脉冲,这些脉冲加到主门的A输入端,门控双稳输出的门控信号加到主门的B输入端。
在主门开启时间内,脉冲信号通过主门,进入计数器,则计数器记得的数,就是要测的频率值。
首先,我们要获得一个标准的固定宽度T的方波脉冲做门控制信号,他的选择会改变闸门时间从而直接影响频率计的量程。
其次,我们要把这个标准的信号和被测信号相“与”,通过门控制信号可以获得T时间内通过脉冲的个数,此脉冲直接进入计数器进行计数,最后通过译码显示其频率。
最后,我们要设计的是对计数器和锁存器的控制,这个的基本思路是在时基电路脉冲的上升沿到来时闸门开启,计数器开始计数,在同一脉冲的下降沿到来时,闸门关闭,计数器停止计数.同时,锁存器产生一个锁存信号输送到锁存器的使能端将结果锁存,并把锁存结果输送到译码器来控制七段显示器,这样就可以得到被测信号的数字显示的频率.而在锁存信号的下降沿到来时逻辑控制电路产生一个清零信号将计数器清零,为下一次测量做准备,实现了可重复使用,避免两次测量结果相加使结果产生错误。
综合上面所说的可以将数字频率计的电路分为五大部分即:
整形放大电路、时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、锁存、译码、显示电路。
放大整形电路的组成:
对测量信号进行放大,是微弱信号达到可测量的幅度,对输入的三角波和正弦波进行整形,整形成为同频率的方波,进而测量其频率。
时基电路:
作用是提供用于测量单位时间,及闸门信号的开启时间,同时产生的方波信号激发锁存信号,再由该信号激发计数器的计数信号。
闸门电路:
它的目的是提供闸门开启的时间,该闸门可由一“与”门充当。
可以用74160将标准信号进行分频,从而获得的闸门时间分别为10ms,0.1s,1s,10s。
闸门时间越长,得到的频率值就越准确,也就是说其量程越小。
逻辑控制电路:
在时基信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号,锁存信号的负跳变又用来产生清零信号,锁存信号和清零信号单稳态触发器产生,它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
计数、锁存、译码、显示电路:
锁存器的作用是将计数器在T结束时所计得的数进行锁存,使显示器上能稳地显示此时计数器的值。
所示将些时,T计数时间结束时,逻辑控制电路发出锁存信号,将些时计数器的值送译码显示器。
3设计方框图
图3-1数字频率计整体方案结构方框图
4各部分电路设计及参数计算
4.1闸门电路
闸门电路的仿真参照图4-4逻辑控制电路的仿真,其中包涵了闸门电路。
4.2时基电路
本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器,使其成为规矩的数字信号实现频率测量的另一必备环节是时基电路。
时基电路就是产生时间标准信号的电路装置,通常要求精确稳定。
本设计中采取用555定时器组成的多谐振荡器。
接通电源后,电容被充电,当
上升到三分之二VCC时,使
为低电平,同时放电三极管T导通,此时电容C通过
和T放电,
下降。
当
下降到三分之一VCC时,
翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
当放电结束时,T截止,
将通过
、
向电容C充电,
由三分之一VCC上升到三分之二VCC所需的时间为
当
上升到三分之二VCC时,电路又翻转为低电平。
如此周而复始,
当
上升到三分之二VCC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
图4-3时基电路的仿真
4.3逻辑控制电路
逻辑控制电路的作用主要是控制主控门的开启和关闭,同时也控制整机逻辑关系。
本设计采用LM555CN组成逻辑控制电路,先启动脉冲置成1,其余触发器置成0,然后时基电路传入脉冲,控制电路开始工作。
被测信号通过闸门进入计数电路,于是计数器译码器同时工作,从而记下所测信号频率值。
当控制电路转为其他状态时,闸门关闭,计数器停止工作,数码管继续显示所测频率值。
直到有一次循环,计数器清零,数码管显示消失,到此为止,频率计完成一次测量。
脉冲信号可由两个单稳态触发器LM555CN产生,它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
由LM555CN的功能得出,当1
、触发脉冲从1A端输入时,在触发脉冲的负跳变作用下,输出端
可获得一负脉冲,其波形关系正好满足要求,手动复位开关S按下时,计数器清零。
图4-4逻辑控制电路的仿真
4.4计数器
74LS160N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。
其作用还有当逻辑控制电路输出“清零”信号到计数器“清零”端时,对显示器进行清零。
74LS373N锁存器在确定的时间内计数器的计数结果必须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八位并行输入寄存器,为使数据稳定,最好采用边沿触发方式的器件。
74LS160N为低电平有效,,是把8421BCD码表示的10进制转换成能驱动数码管正常显示的段信号,以获得数字显示。
图4-5计数器电路的仿真
4.5锁存器以及显示器部分
锁存,显示电路由锁存器和显示器组成。
其中计数器按十进制计数。
如果在系统中不接锁存器,则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化,只有在计数器停止计数时,显示器上的显示数字才能稳定。
锁存器的工作是受单稳态触发器控制的。
门控波形的下降沿,使单稳态触发器1进入暂态,单稳态1暂态的上升沿作为锁存器的锁存(使能)脉冲。
锁存器在锁存脉冲作用下,将门控信号周期内的计数结果存储起来,并隔离计数器对译码显示的作用。
在锁存器将门控信号周期内的计数结果存储起来情况下,在显示器上得到稳定的计数显示。
图4-6锁存器以及显示器部分的仿真
5工作过程分析
根据课题要求,电路采用555定时器组成的多谐振荡器,为获得较为稳定的时间基准信号,用来准确的控制主控门的开启时间。
被测信号首先通过放大整形电路进行整形,使其得到所需的整形信号,晶体振荡器的输出信号经整形和分频器逐级分频后,可获得各种事件基准。
计数器是最常用的时序电路之一,计数器的种类不胜枚举,按触发器动作分类,可分为同步计数器和异步计数器;按计数数值增减分类,可分为加计数器、减计数器和可逆计数器;按编码分类,又可分为二进制码计数器、BCD码技术区、循环码计数器。
此设计采用十进制计数器进行计数。
通过时基选择开关,将所选用的时基信号作为控制电路的触发信号(用8位寄存器,实际上就是触发器构成的计数器,它可以循环位移一个1电平,也可以循环位移一个0电平),再将信号传入逻辑控制电路中,控制电路输出接往主控门,该输出端仅在所选时间基准内维持高电平,使主控门开启,被测信号在采样时间内通过主控门,进入十进制计数器计数,计数器数值由数字显示器在数字频率计面板上显示出来。
此即为所测信号之频率值。
译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件,其可以分为:
变量译码和显示译码两类。
它们的工作原理和分析设计方法大同小异,其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型,使用十分广泛的译码电路。
显示译码器,一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码,并通过显示器件将译码器的状态显示出来。
本设计译码显示器则采用十进制74LS48来实现,其作用是把BCD码表示的十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。
6元器件清单
原件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
555
2
定时器
2
RPACK4
4
限流
3
7408J
2
与门
4
74LS160N
4
10进制计数器
5
74LS373N
2
锁存器
6
R
1.4MΩ
1
电阻
7
R
107KΩ
1
电阻
8
R
36KΩ
1
电阻
9
C
1μF
1
电解电容
10
C
10μF
1
电解电容
11
C
10nF
2
电解电容
20
4
显示器
表6-1元器件清单表
小结
刚接到课程设计的时候完全没有思路,不知该如何下手,好像自己学到的东西一点都用不上,后来经过翻阅资料就有了思路,在整个课程设计完后,总的感觉是:
有收获。
在这个过程中,我的确学得到很多在书本上学不到的东西,如:
如何利用现有的元件组装得到设计利用计算机来画图等等。
在学习中的小问题在课堂上不可能犯,在动手的过程中却很有可能犯。
特别是在接电路时,一不小心就会犯错,而且很不容易检查出来。
但现在回过头来看,还是挺有成就感的。
我的动手能力又有了进一步的提高,我感到十分的高兴
我学到了课本上没有的东西,还知道课本上的知识也是很重要的,在你完全没有思路的时候课本会给我很多灵感,这在以后的学习和生活中会有很大的用处,增强了我的动手能力和实践能力,但是我还有不足,我会在以后的学习中逐步提高,做一个动手能力强的大学生。
头来看,还是挺有成就感的。
我的动手能力又有了进一步的提高,我感到十分的高兴。
再此,还得感谢老师给了我们这次动手实践的课题,使我明白了很多,让我觉自己学到的知识是这么的有用,还了解了在实际的应用中许多应该注意的但没有注意到的问题,这对以后的应用实践有很大的帮助。
还得感谢在这次的课程设计中和我同组的同学,是他们给了我很多启发,然我能顺利的完成实验课题。
通过一周的课程设计,发现自己有些能力还是有很大的欠缺的,特别是对陌生软件的掌握上,所以还需要大量的实习机会来通过实际的练习来弥补自己能力上的不足之处。
正如老师所说,经历了数字电子设计的课程设计将成为你大学四年最难忘的事情,我现在深有体会,以前做设计的时候都是一组成员共同完成一份,而这次,是完全靠自己的力量,虽然感觉挺累的,但是当自己完成的时候,此时的成就感是别人无法给予的,感觉自己确实学到了很多东西,在以后的道路中也更加的相信自己
致谢
在这两周的课程设计中,遇到很多困难,但是在老师和同学的热心帮助下,我还是顺利的完成了这次设计,通过这次设计我对数字电子有了更深一层的认识并且产生了浓厚的兴趣。
本篇论文虽然凝聚着自己的汗水,但却不是我个人智慧的结晶,是大家共同创造的,如果没有学校给了我们这次机会没有导师的指引和赠予,朋友的帮助和支持,我在设计肯定会大打折扣。
当我打完设计论文的最后一个字符,涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜,而是源自心底的诚挚谢意。
我首先要嘎感谢我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点,使我在完成论文的同时也深受启发和教育。
其次我要感谢身边的朋友是你们不断地给我前进的动力让我在困难面前奋勇向前。
最后我要感谢在网络上发表材料的朋友们,是你们给了我最初的设计灵感。
从开始的一片茫然,到现在巨大的成就感,心里的感激不言而喻,在这里,我要衷心感谢我的老师,我的组员,谢谢您们的帮助!
参考书目
[1]邱寄帆,唐程山.数字电子技术实验与综合实训.北京:
人民邮电出版社,2009
[2]尹雪飞,陈克安.集成电路速查大全.西安:
西安电子科技大学出版社,2002
[3]康华光,邹寿彬,秦臻.电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2006
[4]赵负图.数字逻辑集成电路手册.北京:
化学工业出版社,2005
[5]吕思忠,施齐云.数字电路实验与课程设计.哈尔滨:
哈尔滨工程大学,2001
A1逻辑电路图
A2PCB图
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