量程自动转换的数字频率计电路系统设计

1、前言课程设计是针对某一理论课程的要求，对学生进行综合性实践训练的实践教学环节，可以培养学生运用课程中所学的理论知识与时间紧密结合，独立地解决实际问题的能力。本书着重介绍数字逻辑电路的设计方法和测试。设计都以电路的基本理论为基础，介绍电路的设计、装调及性能参数的测试方法。本课题具有体系结构新颖，知识综合运用性强，理论紧密联系实践的特点。课程设计应达到如下基本要求：（1）综合运用电子技术课程中所学的理论知识独立完成一个课题的设计；（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力；（3）熟悉掌用电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则；（4）学会电子电路的安装和调试技能；（5）数子电子仪器的使用方法；（6）学会撰写课程设计论文；（7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。教材内容的选择既有利于理论联系实际，又能系统地培养学生知识综合运用能力，进一步提高实际动手能力和工程设计能力，适应当前电子技术迅速发展与广泛应用的需要。在本书的编写过程中，得到的老师的指导与帮助，才使我们的设计非常圆满的完成，在此表示感谢。因时间仓促及编者水平有限，书中难免存大错误，恳请各位批评指正。2、设计任务2.1设计目的（1）熟悉集成电路的引脚安排。（2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。（3）了解PCB板、面包板结构及其接线方法。（4）了解数字式频率计的组成及工作原理。（5）熟悉数字式频率计的设计与制作。2.2量程自动转换的数字式频率计的功能实现设计一个具有量程自动转换功能的3位十进制数字式频率计。2.2.1量程范围量程范围为1MHz，量程分10kHz、100kHz和1MHz（最大读数分别为9.99kHz，99.9kHz，999kHz）。2.2.2量程自动转换：（1）当读数大于999时，频率计处于超量程状态。此时显示器发出溢出指示（最高位显示F，其余各位不显示数字），下一次测量时，量程自动增大一档。（2）读数小于000时，频率计处于欠量程状态。下次测量时，量程自动减少一档。2.2.3显示方式：（1）用记忆显示方式，即计数过程中不显示数据，待计数过程结束后，显示技术结果，并将此显示结果保持到下一次计数结束。显示时间不小于1秒。（2）小数点位置随量程变化自动移位。3.量程自动转换的数字频率计电路系统设计3.1电路框架图如图1所示：图1量程自动转换的数字频率计的组成框图3.2电路设计3.2.1晶振信号电路为了得到高精度、高稳定度的时基信号，需要一个高稳定的高频信号源。产生此信号的电路如图2所示。图中的R7，R8为反馈电阻，为门电路提供合适的工作点，使其工作在线性状态。电容C3是耦合电容。采用10MHz的晶振，可以到到10MHz的振荡信号。图2石英晶体振荡器.2.2分频器分频器电路（如图3所示）是由多级计数器完成，目的是得到不同的标准时基信号。采用6个十进制74LS90级联可获得时基为0.1s,0.01s,0.001s(对应的频率分别为10Hz，100Hz，1000Hz)。图3分频器电路3.2.3门控及时序控制电路图4中由双JK触发器构成门控电路（门控电路即提取连续时基信号中的单个高电平脉冲信号的电路），由D触发器构成的单稳态触发电路组成4时序控制电路。系统通电开始运行时JK触发器由R2和C1自动复位，门控电路开始工作，提取计数时钟脉冲并让闸门开启和使计数器计数后触发时序控制电路，让系统中其他各个功能部分如：量程开关选择电路，译码电路，数码管显示电路、计数器清零和进退位信号锁存器按顺序工作，互不冲突干扰，此后，第4个D单稳触发器让门控电路复位，触发下一个计数时钟脉冲，即电路循环工作开始。时基信号、门控信号及显示、清零、等待信号的时序关系如图5所示。图4门控及时序控制电路图5工作时序波形图3.2.4自动换档电路换档电路由74LS194（移位寄存器）、双JK触发器及门电路构成，图6中JK触发器用作进退位信号锁存器，在图7计数器电路中有三位10进制数位，最高位的状态（是否有计数或是否有溢出）作为进位、退位和保持的依据，其状态可用表1说明。表1JK触发器U8A，U8B控制74LS194S0、S1真值表QA(有溢出)QB（有计数）S0S1（74LS194）00011101左移（退位）00保持10右移（进位（设U8A的Q端为QA，U8B的Q端为QB）74LS194芯片脚SR接高电平、SL接低电平，目的是让右移补充项是1，左移补充项是0。由于74LS194的Q0、Q1、Q2、Q3并非单引脚高电平切换，为了让时基信号单通道（图6中A，B，C，D4通道）选通，则需要进行简单译码，译码真值表可见表2。表2量程真值表（74LS194）Q0Q1Q2Q3ABCD000010001100111011111000第一档10HZ0100第二档100HZ0010第三档1000HZ0011F档1000HZ0011F档1000HZ图6自动换档电路图3.2.5计数、译码、显示电路频率计的计数、译码、显示电路如图7所示。根据设计要求超出量程时高位显示F，低位不显示，因此引入74LS32或门进行控制；由于需要有小数点的自动换档显示，因此引入了三个LED管；计数器采用了74LS90，将其接成十进制的计数器；BCD管显示译码器选用CD4511，CD4511用于驱动共阴极LED数码管，它是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的电路。其LE端是锁存控制端，当LE=0时选通，LE=1时锁存，故用D触发器U25；A控制LE。同时利用D触发器U25：B控制LS90的清零端。图7计数、译码、显示电路电路原理图：4.调试中的注意事项4.1根据各模块功能分别进行调试。4.2防止接触不良的几种方法：(1)集成块引脚方向预先弯好对准面包板的金属孔，再小心插入。(2)导线的剥线长度与面包板的厚度相适应（比板的厚度稍短）。(3)导线的裸线部分不要露在板的上面，以防短路。(4)导线要插入金属孔中央。4.3调试中必须确保可靠的电源和接地。4.4注意芯片的控制引脚必须正确接好。4.5检查故障时除测试输入、输出信号外，要注意电源、接地和控制引脚。5.实验数据和误差分析表3实验数据表测量范围输入值（Hz）测量值（kHz）误差（%）10-100Hz100-1000Hz1000-10KHz10KHz-100KHz2550751002503005007521k2.5k5.03k7.5k10.01k30k50.4k75.5k0.030.050.080.100.250.310.510.761.012.515.047.5110.130.150.575.620.00.006.670.000.003.332.001.061.000.400.200.130.900.330.200.13由上表可见，测量值只是在最低位发生误差。比如，输入2.50kHz，得到2.51kHz，在最低位发生了浮动。可见当测量值最高位越小，那么在最低位浮动产生的误差就可能比较大。比如：在1K或10K左右，低位浮动产生的误差达1%，而在7.5K或75K左右产生的误差只有0.13%。在上表中，可以发现一个惊人的相似性：若测量值三位示数一致（忽略小数点），那么所产生误差也一致。比如说，测量值为1.01与10.1、5.04与5.05所涉及的误差极为接近。若将输入值也统一划分为kHz制的，那么若输入值三位数值一致（忽略小数点），那么所产生误差也一致。依据以上两点及实验中数据，为了方便频率计使用，粗略将频率计可能误差列表如下：表4误差分析表高位显示可能误差（%）01234567890~200.9~10.400.330.270.200.160.130.120.10由上述知：在高位数值较低时，低位浮动产生的误差较大。因此在上表中在高位数值较低时给予一个误差范围，在其他情况误差变化不大给予可能误差一个固定数值。另外，若为了得到高精度的测量数据，可引入修改因子λ对测量数据进行修正。修改因子λ数值等同于可能误差，在高位为0或1时候对应取值为10%、0.95%。考虑到测量值总比输入值大，误差为正，可以引入简单修正公式如下：修正值=测量值/(λ+1)由误差=（测量值-实际值）/实际值类比得：修改因子=（测量值-修改值）/修改值。从而得到修正公式。采用修正公式可以有效地减少误差，但是在高位较小时，采用修改因子进行修改精度较低。6.课程设计的收获、体会和建议6.1课程设计的收获体会在之前的学习中，小组成员已经对设计软件比较熟悉。在设计早期，应用Proteus软件完成对电路的设计。但是在前期设计中，由于换挡电路应用到较多的芯片，芯片的繁多导致走线的困难，于是小组决定采用PCB板来改善走线问题。可惜的是，在调试的紧要关头，电路并不能够完美地工作。基于此问题，小组成员做出了可能存在错误的各种假设，并加以一一验证。最后，小组成员在电路图上进行了探讨研究，发现了原电路图虽然在软件上可行但是在实际中却存在着不足。由于电路原理存在一些难以解决的问题，任凭组员的百般苦思也难以进行修改。在百般无奈的情况下，小组重新设计了一个电路原理并进一步采用双面板来解决走线问题。一方面由于课程设计的时间已经所剩不多，另一方面由于期末考试即将来临，让小组各个成员感到非常大的压力。但是凭借对软件的掌握，对电路原理的透彻理解，再加上采用双面PCB板，让小组非常快地设计了新的电路。在新的电路原理中仅采用了两个JK触发器来替换原换挡电路，极其有效地减少了芯片的数量。在电路功能上，新的电路基本上完成了指标。让我们感到了成功的喜悦。通过该课程设计，小组成员掌握了PCB板的制作过程，对于数字电子技术的理论知识也有了更深厚的理解，并且体会到了在团队中分工合作的重要性。6.2课程设计的建议鉴于电路板接线容易出现问题，建议在可以的情况下采用PCB板。这样可以减少错误，并且优化电路板的外观。7.附录7.1实验仪器。表5实验仪器表芯片名称数量芯片名称数量共阴八段数码管CD451174LS0474LS2074LS7374LS194电阻14脚插槽335141若干24发光二极管74HC0010MHz晶振74LS0874LS3274LS90电容16脚插槽331249若干47.2修正公式。表6修改因子表高位显示修改因子（%）0123456789100.950.400.330.270.200.160.130.120.10修正公式：修正值=测量值/(λ+1)例如：测量值为50.5k，则修正因子λ=0.20%。带入修正公式得：修正值=50.40k。在实验中，相应输入值为：50.4k。修正值与输入值比较符合。具体原理见实验数据和误差分析。