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数电课程设计数字式频率计

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数电课程设计数字式频率计

1HarbinInstituteofTechnology课程设计说明书(论文)课程名称数字电子技术设计题目数字式频率计院系电气学院自动化测试与控制系班级xxx设计者xxxx学号xxxx指导教师xxxx设计时间2014年12月数字式频率计的设计2前言摘要频率计是电子技术中最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案,测量结果都有十分重要的关系。因此频率的测量就显得更为重要。频率的测量方法有很多种,其中数字计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量自动化等优点,是测量频率的重要手段之一,数字式频率计是一种数字显示的测量频率的仪器,可以测量多种不同波形的频率,辅以其他传感器元件也可以实现其他物理量变化频率的测量,它是一种测量范围较广的通用型数字仪器。本设计为一简单的数字频率计。关键字数字频率计;逻辑控制;数字式设计要求1.基本要求1.被测信号为TTL脉冲信号。2.显示的频率范围为0099Hz。3.测量精度为1Hz。4.用LED数码管显示频率数值。2.扩展部分要求输入信号为正弦信号或三角波信号,幅值为5V。一、基本原理频率单位时间1s内信号振动的次数频率计测试周期信号的频率。从测量过程看,被测信号送入通道后,经整形每个周期形成一个脉冲,这些脉冲信号加到闸门的输入端,1s的时基信号也加到闸门输入端,当时基在高电平时,闸门导通,被测信号进入计数器计数,当时基跳到低电平计数结束,需要单稳态电路提供一个清零信号以及锁存器的锁存信号,计数锁存并通过数码管显示出来。如果闸门开启时间为Ts,计数器积累得数字为N,被测频率为ssTNf设计框图如下TN时基电路单稳态触发器单稳态触发器闸门电路放大整形电路锁存器译码显示器计数器ABCDCE锁存清零3二、系统组成2.1时基电路本部分电路由555芯片构成多谐振荡器作为时基电路,作用是提供用于测量单位时间1s,即闸门信号的开启时间,同时也产生一个下降沿信号激发单稳态触发器产生一个锁存器锁存信号,再由这个信号激发计数器的计数清零信号。电路组成及工作原理如下图1用555构成的多谐振荡器振荡频率的估算(1)电容充电时间T1。电容充电时,时间常数τ1(R1R2)C,起始值vC(0)ccV31,终了值vC(∞)VCC,转换值vC(T1)ccV32,带入RC过渡过程计算公式进行计算CRRVVVVTvvvvTCCCCCCCCCCCC7.02ln3231ln0ln2111111(2)电容放电时间T2电容放电时,时间常数τ2R2C,起始值vC(0)ccV32,终了值vC(∞)0,转换值vC(T2)ccV31,带入RC过渡过程计算公式进行计算CRT227.026VCCRDO5553vI2I1v84abv7RRVCC12C150.01μFC1vCP21C3VVCCvCC3tvOtOOtttCCV012TTT1204(3)电路振荡周期TTT1T20.7R12R2C(4)电路振荡频率fCRRTf243.1121(5)输出波形占空比q定义qT1/T,即脉冲宽度与脉冲周期之比,称为占空比。212121211227.07.0RRRRCRRCRRTTq本设计中要产生一个高电平1s的方波,则有sCRR17.021且sCR25.07.02固选取FCkRkR10,39,4721,为了可以准确产生要求的波形以及便于实验调节在1R处加入k100的电位器2.2逻辑控制电路此部分电路由单稳态芯片74LS123和门电路组成。目的是提供计数器的计数清零信号和锁存器的锁存信号。各部分逻辑信号关系如下图所示。其中A为被测信号;B为时基信号;C为锁存器送数锁存信号;D为计数器清零信号;E为计数器计数的脉冲信号图2各部分波形逻辑关系74ls123芯片及其功能如下图所示2.3闸门电路该部分由一个与非门组成,输入的两端一端接门控信号,另一端接被测信号。闸门是否开通受到门控信号的控制,当门控信号处于高电平时,闸门开通,被测信号可以通过闸门输出到计数器电路;当门控电路处于低电平时,闸门输出为“1”被测信号不能通过闸门。计数器的计数时间就是闸门开启的时间,可见闸门信号的宽度一定时,闸门输出信号的值正比于被测信号的频率,再通过计数显示系统把结果显示出5来就可以得到被测信号的频率。图3逻辑控制及闸门电路2.4计数锁存电路本部分电路由计数器74LS90和锁存器74LS273组成。引脚图及功能如下74LS273是8位数据/地址锁存器74LS273是一种带清除功能的8D触发器,1D~8D为数据输入端,1Q~8Q为数据输出端,正脉冲触发,低电平清除,用作8位地址锁存器。其中计数器按照十进制计数。如果在系统中不接入锁存器,则显示器显示就会随计数器状态的变化而不停变化,只有在计数器停止计数是,显示器上的显示数字才能稳定,所以,在计数器后必须接入锁存器,锁存器的工作状态由单稳态电路提供的上升沿信号控制,锁存器在锁存脉冲的作用下,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电路的影响。2.5显示译码电路本部分电路由译码器和显像管组成。在锁存器将门控信号周期内的计数结果存储起来的情况下,将结果送入译码器进行译码,在共阳极七位数码管上得到稳定的计数结果6三、电路设计及部分仿真3.1基准时钟的设计仿真采用555多谐振荡电路,输出方波占空比为D68.8--82.67,利用multisim10仿真,仿真原理图如下仿真结果A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5VR147kΩR239kΩ1C110uFC210nF30R3100kΩKeyA605VCC273.2逻辑控制电路仿真锁存信号与时基信号逻辑关系计数信号与时基信号逻辑关系83.3数码显示部分仿真由7段数码管和译码电路74ls47构成,连接情况如图四、电路实现实际电路连接图9五、实验中遇到的问题及解决方案实验前我们采用Multisim10软件进行模拟仿真。仿真过程中由于软件版本问题,并没有提供可重复触发的单稳态芯片74LS123,所以只好采用基于555芯片的单稳态电路来代替。实际仿真中,由于计算机运算速度的限制,时基信号改由信号发生器来代替,这样可以减少仿真时间,结果更加直观。同时由于对74LS90芯片功能理解不到位,在仿真是出现原理性的错误,经过同学的纠正,最终才改正过来。实验室调试中1、连线桥接过多而出现接线错误,单稳态信号不能正确传到下级电路中,数码管显示的数字随机跳动根本无规律,在仔细检查电路后,发现错误,问题得到解决最终得到设计的实验结果。2、单稳态电路外接电阻选择了10KΩ,起初得不到合理的现象,经分析,单稳态外部电阻与电容必须匹配才能保证信号C、D的正确输,后来改成39KΩ,与4.7μF搭配。3、译码器信号输出不正确,经检查,发现译码器Vcc没有高电平,排查后发现所接面包板插槽接触不好,改接其他插槽后,问题得以解决。六、实验心得体会在本次数电课设的过程中,我们组两人共同在网上查阅资料,分析电路各部分所实现的功能及实验原理,增强了我们团结协作与自主搜索信息的能力。并通过手动连接相对复杂些的实验电路增强了动手能力,最后在调试过程中又发现了当初连线与搜索资料时的不全面之处并加以改正,最终调试出理想的结果。这整个过程使我们学到很多,不仅仅是书本的知识,更重要的是实践的能力,让我们知道实践与理论是相辅相成的,也增加了我们对数电课程的兴趣,对以后数电课程的学习也有深远的影响。10七、参考文献1.哈尔滨工业大学电子学教研室.数字电子技术基础.哈尔滨哈尔滨工业大学教材科.20102.廉玉欣.电子技术基础实验教程.北京机械工业出版社.2010忽略此处..

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