数显频率计电路的设计

沈阳航空航天大学课程设计(说明书)数显频率计电路的设计班级/学号2010040101050学生姓名程强指导教师张晓新沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称数字逻辑课程设计院（系）计算机学院专业计算机科学与技术班级04010102学号2010040101050姓名程强课程设计题目数显频率计电路的设计课程设计时间:2012年7月9日至2011年7月22日课程设计的内容及要求：一、设计说明设计一频率计电路，该电路由脉冲整形电路、时钟产生电路、计数器、分频器和显示电路组成，其原理框图如图1所示。二、技术指标1．计数器的最大值为200。2．能按照测量的频率要求变换档位。3．用LED数码管显示。4.有手动开始和复位功能三、设计要求脉冲整形电路时钟产生电路分频器计数器显示电路图1频率计电路的原理框图1.在选择器件时，应考虑成本。2.根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。3.画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。四、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。2．进行实验数据处理和分析。五、推荐参考资料1．童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2008年2．谭博学主编.集成电路原理与应用.[M]北京：电子工业出版社，2006年3．谢自美主编.电子线路设计、实验、测试.[M]武昌：华中科技大学出版社，1992年4．戴伏生主编.基础电子电路设计与实践，[M]北京：国防工业出版社，2007年5.张庆双主编.全新实用电路集粹上、下册，[M]北京：机械工业出版社，2008年六、按照要求撰写课程设计报告指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日成绩评定表评语、建议或需要说明的问题：指导教师签字：日期：成绩一、概述在本设计中，所要求测量的是频率。可设待测脉冲信号为f，被测量的信号周期为T,在周期为T的时间内测得的脉冲信号为n个，则有频率F=nf。将待测的脉冲信号产生的1KHz的波通过分频器减小测量其范围，以满足1~200的测量范围。通过测量被测信号在一周期中出现了多少个脉冲信号，从而得到其频率。设计要求：1．计数器的最大值为200。2．能按照测量的频率要求变换档位。3．用LED数码管显示。4.有手动开始和复位功能二、方案设计按照概述中所提到的方案设计的电路有以下几个部分组成：时钟产生电路，分频器，脉冲整形电路，计数器和显示电路组成。如图1为原理框图。图1频率计电路的原理框图首先由时钟产生电路产生一个1KHz频率的方波，这个方波经由分频器放大其周期，即缩小其频率，共有10倍，100倍，1000倍三种选择，以满足测量需要。接下来是脉冲整形电路，脉冲整形电路是将方波，正弦波，三角波整形为方波，其中，方波高电平是信号的一个周期。接下来是计数器，计数器原理是通过测量整形后的高电平在一定时间内一共有脉冲信号的数量。最后是显示电路，是将计数器测到的数值通过显示电路显示出来。脉冲整形电路计数器显示电路时钟产生电路分频器三、电路设计1．时钟产生电路时钟产生电路由一个555计时器和两个电阻以及两个电容组成，它可以产生一个1KHz频率的方波，其公式为T=（R1+2R2）Cln2。根据此公式，由于需要产生周期为1ms，频率为1kHZ的方波，所以取R1=28.86KΩ，R2=57.70KΩ，电容10nF。时钟产生电路如下图2所示：图2时钟产生电路2.分频器在该设计中要求满足计数器1~200的测量范围，故本电路使用了3个74LS161D接成十进制同步加法器，完成10倍，100倍或者1000倍的减小效果。其中通过第一个74LS161D后将周期放大为原来的10倍，即频率将为原来的十分之一；通过第二个74LS161D后将周期放大为原来的100倍，即频率将为原来的百分之一；通过第三个74LS161D后将周期放大为原来的1000倍，即频率将为原来的千分之一。在下面连接一个频率选择电路，此电路主要由一个四选一数据选择芯片74LS153D组成。我们可以通过手动开关选择电路控制档位的不同来使74LS153D的BA为00,01,10,11分别单独完成1倍，10倍，100倍或者1000倍的改变频率的效果。频率选择电路如下图3所示：图3频率选择电路74LS161D的引脚图和功能表如图4和表1所示：图474LS161D的引脚图输入输出CRCPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00ФФФФФФФФ00001↑0ФФdcbadcba1↑10ФФФФФQ3Q2Q1Q01↑1Ф0ФФФФQ3Q2Q1Q01↑111ФФФФ状态码加1表174LS161D的功能表74LS153D的引脚图和功能表如图5和表2所示：图574LS153D的引脚图表274LS153D的功能表3.脉冲整形电路此脉冲整形电路主要是由一个与门74S08D组成。其原理为若波的输入的幅度低于一定的值，则显示低电平，若大于这个值则显示高电平。它的作用是将通过它的各种不同的波形诸如三角波、正弦波等变成频率相等的方波。脉冲整形电路如下图6所示：图6脉冲整形电路4.计数器和显示电路计数器是由3个74LS160D十进制计数器组成的，这是由于测量范围1~200所决定的。将时钟信号作为计数器的CLK，将被测信号作为最低位的74LS160的驱动信号。为了使计数器的最大记录范围为200，故将最高位的74LS160的输出QB取反后接最低位的ENP,ENT。这样连接是为了使如果被测信号变为低电平或达到200时停止计数。同样，显示电路用三个74LS47显示管组成，以对应计数器的3个74LS160D。计数器和显示电路如下图7所示：图7计数器和显示电路74LS160D的引脚图和功能表如图8和表3所示：图874LS160D的引脚图表374LS160D的功能表74LS47（LED数码显示管）的引脚图如图9所示：图974LS47的引脚图四、性能的测试1.时钟产生电路测试时钟产生电路是由一个555定时器连接成的多谐振荡器，输入的波的周期为1ms,即频率为1KHz，频率选择为10分频。时钟产生电路的波形如下图10所示：图10多谐振荡器产生的时钟信号2.分频器测试输入一个频率为1KHz的被测波，通过分频器后分别得到一级分频，二级分频，三级分频的波，即100Hz，10Hz和1Hz的波，结果如下图11,12,13,14所示。四种波形的频率分别是一级分频之后的波的频率为原频波的频率的十分之一，即100Hz；二级分频之后的波的频率为原频波的频率的白分之一，即10Hz；三级分频之后的波的频率为原频波的频率的千分之一。被测原频波的波形如下图11所示：图11被测原频波的波形一级分频之后的波的波形如下图12所示：图12一级分频之后的波的波形二级分频之后的波的波形如下图13所示：图13二级分频之后的波的波形三级分频之后的波的波形如下图14所示：图14三级分频之后的波的波形3.脉冲整形电路的测试由输入输出波形图可见输入波形为被测的正弦波，整形后的输出波形为方波，且周期、频率相同。输入输出波的波形如下图15所示：图15从上到下依次为被测正弦波信号波形和整形后的波形通过对双踪示踪器的观察可知，脉冲整形电路的输入输出波形的周期、频率完全相同，达到了整形的效果。4.计数器和显示电路测试当输入被测的波的频率为50kHz的时，计数器记录的是50，显示电路显示的是50kHz。显示电路的显示功能如下图16所示：图16显示电路5.电路整体性能测试被测信号为输入1kHZ的正弦波，档位选择10倍档即BA=01，图中波形从上至下依次为被测波形、10倍档的波的波形、多谐振荡器产生的波形。波形和最后的显示结果如图17所示：图17从上到下依次为1kHz的被测波形、10倍档位波形、多谐振荡器产生的波形通过对四踪示波器的使用，我们得到了电路中的数据，被测波形的周期为1ms，多谐振荡器产生的波形的周期是1ms，10倍档位波形的周期如图17所示为10.000ms。五、结论这个数显频率计电路可以测量方波、正弦波、三角波等波。基准时钟信号周期为lms。有4个测量档位，分别1kHz、100Hz、10Hz、1Hz四个档。测量范围是lkHz到200kHz。测量的最小精度是lkHz。。结果用LED数码管显示，有手动开始和复位功能。六、性价比综合各种因素来看，该方案设计的电路经济实惠，操作简单。该电路中的元器件数量较少，并且全都价格低廉。该电路的总体性能比较稳定，误差较小，测量范围大。由此可见该方案的性价比还是很高的，若把该设计方案中的电路做成实物，完全可以应用于实际之中。七、课设体会及合理化建议这次课程设计忙碌而充实。当看到显示管显示出来的正确结果时，我觉得这段时间的努力没有白费，内心的喜悦溢于言表。通过本次课程设计，我的数字电子技术基础的理论知识有了进一步巩固，对所学的各芯片的功能和使用方法有了更加清晰的认识。亲自动手做实验也使我更加熟练地运用各种器材设备来解决一些实际问题。在此过程中，我也进一步熟悉了所用的Multisim仿真软件和实验箱的功能和使用方法。为以后进一步学习相关知识打下了很好的基础。但我也发现了在学习中没有发现和注意到的缺点和不足，比如对芯片的相关命令和使用方法还不够熟练，在使用过程中，电路连接得也不是很高效和完美；仿真时，对软件和硬件的使用还不熟练，还有很多功能没有使用过和不会使用，甚至不知道。通过这次课程设计，我发现了许多不足，我会在以后的学习中尽量弥补我的这些不足，努力学习相关知识，尽量多使用Multisim仿真软件和各种设备来解决生活中的一些实际问题，来提高自己。我还会虚心的向同学和老师请教，向学习好的同学学习，使自己尽快的赶上他们，甚至超过他们，争取学以致用，在以后的工作中参考文献1．童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2008年2．谭博学主编.集成电路原理与应用.[M]北京：电子工业出版社，2006年3．谢自美主编.电子线路设计、实验、测试.[M]武昌：华中科技大学出版社，1992年4．戴伏生主编.基础电子电路设计与实践.[M]北京：国防工业出版社，2007年5.张庆双主编.全新实用电路集粹上、下册.[M]北京：机械工业出版社，2008年附录I总电路图附录II元器件清单序号编号名称型号数量1U1555定时器LM555CM12U14,U15,U16,U17十进制同步计数器74LS160D43U2，U3，U4十六进制同步计数器74LS161D34U11,U12,U13LED数码显示管74LS4735U5四选一数据选择器74LS153D16R1电阻R1=28.86KΩ17R2电阻R2=57.7KΩ18C1电容C1=10nF19C2电容C1=1uF110J1,J2,J3手动开关Key=space311U10A与门74S08D112U18A,U19A非门74LS04D213U6A,U7A,U8A与非门74LS00D3