1、武汉理工大学电工电子技术课程设计说明书学 号： 0121211350416课 程 设 计题 目简单数字频率计的设计与制作学 院自动化专 业电气工程及其自动化班 级电气1204姓 名游旭指导教师王宏2014年6月25日课程设计任务书学生姓名：游旭 专业班级：电气1204指导教师：王宏 工作单位：武汉理工大学题 目: 简单数字频率计的设计与制作 初始条件：（1） 要求用直接测量法测量输入信号的频率（2） 输入信号的频率为19999HZ要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 设计任务及要求（2） 方案比较及认证（3） 系统框图，原理说明（4） 硬件原
2、理，完整电路图，采用器件的功能说明（5） 调试记录及结果分析（6） 对成果的评价及改进方法（7） 总结（收获及体会）（8） 参考资料（9） 附录：器件表，芯片资料时间安排：6月16日6月19日：明确课题，收集资料，方案确定6月19日6月21日：整体设计，硬件电路调试6月21日6月24日；报告撰写，交设计报告，答辩指导教师签名： 2014年 6月 26 日目录摘要11结构设计与方案选择21.1设计要求21.2设计原理及方案21.2.1方案一：利用单片机制作频率计21.2.2方案二：利用寄存器与计数器制作频率计31.2.3 方案确定42单元电路的设计52.1脉冲信号的形成电路52.2时基电路和闸门
3、电路62.3计数电路72.4寄存电路、译码电路和显示电路83整体电路的设计93.1总电路分析93.2 总电路图94电路的调测与分析104.1计数、显示电路的调测104.2调试电路的注意事项115所用芯片及其它器件说明115.1 555定时器115.1.1 555构成的施密特触发器125.1.2 555构成的多谐振荡器135.2 74LS175寄存器145.3 74LS90计数器145.4 数码译码显示器165.4.1 七段译码管165.4.2 BCD 码七段译码驱动器17结束语18参考文献19附录_元件清单列表20摘要数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周
4、期性变化的信号。它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。它的基本测量原理是，首先让被测信号与标准信号分别通过闸门电路与时基电路，然后用计数器计数信号脉冲的个数，把标准时间内的计数的结果用寄存器寄存起来，最后用显示译码器把寄存的结果用LED数码显示管显示出来。本文设计的是要求用直接测量法测量输入信号的频率并且能够直接地显示频率在1Hz至9999Hz范围内的被测信号的频率。 根据数字频率计的基本原理及设计的基本要求，本文设计的基本思想是分为五个模块即时基电路、闸门电路、寄存电路、计数电路和译码显示电路。其中利用555定时器分别构成施密特触发器及多谐振荡器来组成闸门电路和时基电路，计数电路是由四块74
5、LS90芯片组成，寄存电路则由四块74ls175芯片组成，译码显示电路是由四块CD4511芯片及四块共阴极数码管组成，最终整个设计电路可以显示被测信号的频率。关键字：计数器 74ls90 74ls175 CD4511 555定时器22简单数字频率计的设计与制作1结构设计与方案选择1.1设计要求（1） 要求用直接测量法测量输入信号的频率（2） 输入信号的频率为19999HZ1.2设计原理及方案数字频率计是直接用十进制的数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率 ，而且还可以测量它们的周期。根据根据课程设计任务书中的要求，及我们对频率计数器的了解，大
6、致可以设计出以下两种方案。1.2.1方案一：利用单片机制作频率计 如下图所示，此方案是采用单片机程序处理输入信号并且将结果直接送往LED显示，为了提高系统的稳定性，输入信号前进行放大整形，在通过A/D转换器输入单片机系统，采用这种方法可大大提高测试频率的精度和灵活性，并且能极大的减少外部干扰，采用VDHL编程设计实现的数字频率计，除被测信号的整形部分、键输入部分和数码显示部分以外，其余全部在一片FPGA芯片上实现整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。但采用这种方案相对设计复杂度将会大大提高并且采用单片机系统成本也会大大提高。LED数显电路输入信号放大器A/D转换器单片机 1.2.2方案
7、二：利用寄存器与计数器制作频率计图中脉冲形成的电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率f。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则们控电路的输出信号持续时间亦准确的等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数器译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，技计数器得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率f= N Hz。 被测信号f经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被测信号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间t1=1 秒，当l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计
8、数器开始计数，直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率f=NHz,如图1.1所示，即为数字频率计的组成框图。图1.1 数字频率计的组成框图 图1.2 数字频率计的工作时序波形 逻辑控制单元的作用有两个：其一，产生清零脉冲，使计数器每次从零开始计数；其二，产生所存信号，是显示器上的数字稳定不变。这些信号之间的时序关系如图1.2所示数字频率计由脉冲形成电路、时基电路、闸门电路、计数寄存和清零电路、译码显示电路组成。1.2.3 方案确定方案一：整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。但采用这种方案相对设计复杂度将会大大提高并且采用单片机系
9、统成本也会大大提高。有了单片机虽然可以通过编写一段适当的程序就可以得到结果但到目前为止我们还没有正式地接触单片机的知识。此方案不能起到巩固所学知识的作用。方案二：所选的单元电路都是我们在模电和数电课上学到的知识，并且这些单元电路很常用，也很便宜，所以易于购买。它的整体结构也简单便于组装和调试，也容易出结果并且能巩固我们所学的知识。综合以上两种频率计的设计方案，通过考虑设计方案设计复杂程度、调试难易程度及所用的元器件的价格等几个方面，得出：应选用方案二。2单元电路的设计2.1脉冲信号的形成电路脉冲信号形成电路的作用是将待测信号fx（如正弦波、三角波或者其他呈周期性变化的波形）整形为计数器所要求的
10、脉冲信号，其周期不变。将其他波形变换成脉冲波的电路有多种，如施密特触发器、单稳态触发器、比较器等。其中施密特触发器的应用较多。我在这里设计的电路形式是采用555定时器构成的施密特触发器，电路原理如图2.1 所示。图2.1 脉冲信号形成电路图中R3与R4的作用是将被测信号进行电平移动，因为555构成的施密特触发器的上触发电平UT+ =2/3Ucc，下触发电平UT=1/3Ucc，如图2.2所示图2.2 脉冲信号形成输入信号的直流电平Uxo从C3左侧输入应该满足下列关系1/3UccUxo1/2UT=0.83V.为使Uxo=2.5V，对于图3.1所示电路，则取R3=R4=10K。2.2时基电路和闸门电
11、路如图2.1所示，闸门电路是控制计数器计数的标准时间信号，决定了被测信号的脉冲通过闸门进入计数器进行计数的计数个数，其精度很大程度上决定了频率计的频率测测量精度。当要求频率测量精度高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。在此简单数字频率计的中，时基信号采用由555定时器构成的多谐振荡器电路，当标准时间信号（1s高电平）来到时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数；标准时间脉冲结束时（为低电平），闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。例如，时基信号的作用时间为1s，闸门电路将打开1s，若在这段时间内通过闸门电路的脉冲数目为1000个，则被测信号的频率就是1000Hz。设标准时基为1s的脉冲是由5
12、55定时器构成的多谐振荡器电路产生的，由555定时器构成的多谐振荡气的周期计算公式为：周期计算公式： t=t1+t2=0.693（R1+2R2）C；占空比为： D= t2/ （t1+t2）= R2/（ R1+2R2）50%，t1为正方波的宽度，t2为负方波的宽度；若取振荡器的频率f0=1/ （t1+t2）=0.8HZ,则振荡器的输出波形如图2.4所示，其中t1=1s，t2=0.25s。图2.3标准脉冲产生的闸门电路2.4闸门电路各波形特点2.3计数电路计数器用4个74LS190同步十进制可逆计数器构成。作用是对放大整形电路输出的频率信号进行计数，并将输出的数值输入到寄存器。如图2.5所示。 图
13、2.5 计数电路图U10的CKA接外来信号，U7、8、9、10的CKB均接相应的QA。U10的Q3接U9的CKA,U9的Q3接U8的CKA,U8的Q3接U7的CKA。四个芯片的R01、R02均接地，R91、R92连在一起接时基信号的反向信号。当R91、R92同为高电平时，四位十进制计数器同时清零。当R91。R92同为低电平时，四位十进制计数器正常计数2.4寄存电路、译码电路和显示电路 图2.6 寄存、译码、显示电路寄存器可选用4个寄存器74LS175构成。寄存器的作用是将计数器在1s 结束时所计得的数进行寄存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。因为计数器在一秒内要计算成千个输入脉冲，若不加
14、寄存器，显示器上的数字将随机数器的输出变化而变化，不便于读数。当时钟脉冲CP的上升沿到来时，寄存器的输出等于输入，即Q=D。从而将4个十进制计数器即个位、十位、百位、千位的输出值送到寄存器的输出端。正脉冲结束后，无论输入端D为何值，输出端Q的状态仍然保持原来的状态。译码器采用4个CD4511共阴极显示译码器构成。译码/驱动器CD4511的作用是将输入的高低电平信号转化为数码管需要的高低电平信号，并控制数码灯的亮灭。3整体电路的设计3.1总电路分析如图3所示，被测信号（三角波、正弦波、方波）输入由555定时器组成的施密特触发器整形成与输入信号同频率的矩形脉冲。将该脉冲输入由74LS90组成的十进
15、制计数器用作时钟信号。另一片555定时器接成的多谐振荡器输出的高电平时间为1S，低电平时间为0.25S的矩形脉冲信号通过闸门，输给74LS175，做寄存的时钟信号，同时输给计数器74LS90的R01、R02控制计数器的计数和清零。当取反后的时基信号来个上升沿时，寄存器寄存0000。高电平阶段计数器清零，寄存器一直显示0000不变。低电平时，计数器开始计数，寄存器清零。当再来个上升沿时寄存器寄存刚才1S内计数器所计的数据，高电平时，计数器清零，寄存器数据保持不变。低电平时，寄存器清零，计数器计数。如此循环工作。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率为f=NHz。本电路可实现直
16、接测量输入信号的频率，输入的频率范围19999HZ。3.2 总电路图在上述子模块电路的基础上，画出整个电路的总电路图。如图3所示： 图3 整体电路图4电路的调测与分析4.1计数、显示电路的调测 如图3所示，连接好电路后。开始仿真，计数器开始计数，并将相应的计的数通过CD4511芯片译码给七段译码显示器进行显示所计的数。4.2调试电路的注意事项在通电调试前，一定要认真检查电路是否有错接、漏接等。因此要用万用表欧姆档，测量芯片各引脚和各个元器件之间的连接是否正常，测量各个元器件之间的连接是否正常。用电压表把各个芯片所用的电压调整到规定的数值。检查各个芯片的接地是否连接牢固。检查无误，方可通电调试。
17、5所用芯片及其它器件说明本次设计选用的器件有74LS90，CD4511，74LS175，555定时电路，共阴极七段LED数码管等，下面是这些元器件在频率计数器中的应用及原理。5.1 555定时器555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图如右图所示 图5.1 555集成电路内部结构555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图5.2(A)所示，按输入输出的排列可看成如图5.2 (B)所示。其中6脚称阈值端(TH)，是上
18、比较器的输入；2脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3脚是输出端(Vo)，它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(MR)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。图5.2 555定时器5.1.1 555构成的施密特触发器图5.3 555定时器构成的施密特触发器4UI 再增大时，对电路的输出状态没有影响。（a） 上升过程 （b）下降过程5.1.2 555构成的多谐振荡器 由555定时器构成的多谐振荡器如图5.4(a)所
19、示，其工作波形见图5.4（b）所示。接通电源后，电源VDD通过R1和R2对电容C充电，当Uc2C，由电容C放电时间决定；TH=0.7(R1+R2)C，由电容C充电时间决定，脉冲周期TTH+TL。图5.4 555构成多谐振荡器 上面仅讨论了由555定时器在本次数字频率计课程设计中的应用及原理。实际上，由于555定时器灵敏度高，功能灵活，因而在电子电路中获得广泛应用。5.2 74LS175寄存器.其引脚功能如图5.5所示。 图5.5 74ls175的引脚图及真值表5.3 74LS90计数器 集成十进制异步计数器的型号有：74LS90、74196、74S196，74LS196、74290、74LS2
20、90等，它们都是按照8421BCD码进行加法计数的电路（如图5.6），本设计采用的是74LS90计数器。图5.6 8421BCD码加法计数状态图74LS90是TTL系列的十进制计数器，其内部由四个主从触发器和一些附加门电路组成，以提供一个2分频计数器和一个三级的二进制计数器。其引脚排列如图5.7所示；逻辑功能示意图如图5.8所示。图5.7 74LS90的引出端排列图此芯片有门控置“0”输入端及还有门控置“9”输入端。为了使用其最大计数长度，须将Q0输出端连到B输入端。计数输入脉冲加到输入端A上，则输出为BCD计数（见表2）。若把Q3连接到输入端A上，输出则为二五混合进制（见表3）。这时输入脉冲
21、加在B端，在Q0的输出上可以得到一个十分频的方波。74LS90 复位/计数功能表（见表4）。图5.8 74LS90的逻辑功能示意图由于本次课程设计的技术指标为1Hz9999Hz，因此就要求四个计数器级联，图5.10是由74LS90 利用输出Q3控制高一位的CP 端构成的加计数级联图。表1 74LS90 复位计数功能表 图5.9 异步计数器级联方案 5.4 数码译码显示器5.4.1 七段译码管一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为22.5V，每个发光二极管的
22、点亮电流在510mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。LED数码管是目前最常用的数字显示器，按连接方式不同，七段显示数码管分为共阴极和共阳极两种。图5.11 (a)、(b)为共阴管和共阳管的电路，(c)为两种不同出线形式的引出脚功能图。(d) 为7段LED显示器显示的字形。 图(a) 共阴连接（“1”电平驱动） 图(b) 共阳连接（“0”电平驱动）图(c) 符号及引脚功能图5.10 7段LED显示器的字形5.4.2 BCD 码七段译码驱动器此类译码器型号有74LS47（共阳），74LS48（共阴），CD45
23、11（共阴）等，本设计采用CD4511BCD码七段译码/驱动器，并驱动共阴极LED数码管。图5.11为CD4511引脚排列图及其真值表。图5.11 CD4511引脚图及其真值表结束语本次课程设计对我个人而言，确实是一项艰巨而富有挑战性的任务。刚开始拿到这个题目感觉无从下手，然后通过自己去图书馆查阅文献以及上网搜索在为期两周的课程设计期间，我投入了自己的热情和精力，从开始设计电路图，选择元器件，到使用仿真电路等等。在共同做实物的过程中出现了不少的问题，例如时基电路的调试便花费了我们很长时间，最后通过不断尝试与修改，终于达到课设任务的要求。 实物制作过程中出现的一些不熟练的操作问题都需要我在平时多
24、学习，进一步的完善自己。在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间也会从别人上上学到更多。在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的思路，其他人的设计一定有比你出色的地方，很好的借鉴，并在大家的商讨中选择最优方案最终一定会得到最好的设计方法通过查阅搭建电路所需元器件的引脚图及功能表，例如74ls175寄存器、74ls90计数器、CD4511译码器以及555构成打的多谐振荡和施密特触发器，只有充分了解其功能表，才能在理论分析以及实物搭建过程中做到游刃有余。通过这次课程设计，我认识到实践的重要
25、性，它加深了我对数字电路的认识。它使我掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，增强了我在实际设计中寻找问题，解决问题的能力。此次课程设计的成功不仅帮助我更好地掌握了书本知识，还增强了我的自信，培养了我独立思考、自主学习和动手能力。不过，在这次课程设计的过程中，我还是发现了自己的不足。如运用仿真电路，开始时我的操作不是很熟练，经常找不到所需的元件，仿真频频失败。从现在开始要有针对性的学习这类软件，以便往后工作的需要。总的来说，整个课程设计在指导老师热心指导、组员之间相互团结合作下取得了不错的成果。 参考文献1 康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.北京:高等教育出版社，2006.12 吴友
26、宇.模拟电子技术基础.北京:清华大学出版社，2009 .53 Charles k.Alexander等.Fundamentals of Electric Circuits.北京:清华大学出版社，2008,84 周新民.工程实践与训练教程.武汉:武汉理工大学出版社，2009.85 陈惠民.数字逻辑电路分析与设计学习指导及题解.清华大学出版社.2007.56 梁宗善.电子技术基础课程设计第1版.武昌：华中理工大学出版社.1995.17 王松武.于鑫. 武思军.电子创新设计与实践第1版. 国防工业出版社.2005.1附录_元件清单列表序号名称代号规格型号数量1七段数码管DS1-DS4SEVEN_SE
27、G_COM_K_GREEN42排阻R1-R42*8DIP43集成芯片U5-U874LS175N44集成芯片U1-U474LS90D45集成芯片U13、U14LM555CN26集成芯片 U9-U12CD451147电阻R110K18电阻R2144K19电阻R310K110电阻R410K111电阻R520K112电阻R61K113电阻R71K114电容C110uF115电容C20.01uF116电容C31uF117电容C40.01uF118 集成芯片U15LM324119电源U16+5V1本科生课程设计成绩评定表姓 名游旭性 别男专业、班级电气1204课程设计题目：简单数字频率计的设计与制作课程设
28、计答辩或质疑记录：一 555芯片在本次课程设计中起到了什么作用? 答：有2个作用：1将555定时器构成的多谐振荡器电路设计为成时基电路；2将555定时器构成的施密特触发器作为脉冲信号的闸门电路。二本次课程设计有什么值得改进和探讨的地方？ 答：在本次课程设计中，我认为元件的选择上值得探讨和改进，这次我们用到了许多种元件其中包括74ls90 74ls175 CD4511 555芯片以及共阴极数码管等，其中4片74ls175可以用2片74ls273来代替它可以使上升沿时输入的信号，之后不变，保持原来状态，这样便于读数以及简化线路，CD4511也可改用74ls48或者将CD4511和共阴极数码管换为74ls47和共阳极数码管。三通过本次课程设计你有什么收获？ 答：通过本次课程设计我不仅加深了对所学电路数电模电知识的印象，更有利于将其知识汇总综合学习，同时在设计电路，制作电路的过程中让我学会了将自己所学知识与实际情况所结合起来综合处理问题，提高了自己的动手能力，学习能力与团队合作能力，对自我发展有着重要意义。成绩评定依据：设计方案和内容（30分）制作与调试（30分）说明书内容和规范程度（20分）答 辩（10分）考 勤（10分）总 分（100分）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日
