数字电路频率计课程设

课程设计任务书

学生姓名：周凤阳专业班级：电信0804

指导教师：孟哲工作单位：信息工程学院

题目: 简易频率计的设计仿真与制作

初始条件：

本设计既可以使用集成脉冲发生器、计数器、译码器、单稳态触发器、锁存器、放大器、整形电路和必要的门电路等，也可以使用单片机系统设计。用数码管显示频率计数值。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：1周内完成对简易频率计的设计、仿真、装配与调试。

2、技术要求：

错误！未找到引用源。设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为

0000Hz。

错误！未找到引用源。测量频率范围：10~9999Hz。

③测量信号类型：正弦波、方波和三角波。

④测量信号幅值：0.5~5V。

⑤设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S。

⑥确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画

出总体电路原理图，阐述基本原理。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全

文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

1）2010 年6 月26~27 日，查阅相关资料，学习设计原理。

2）2010 年6 月28~30 日，方案选择和电路设计仿真。

3）2010 年7 月1~3 日，电路调试和设计说明书撰写。

4）2010 年7 月4 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要 (3)

1.设计任务及要求 (4)

1.1设计目的 (4)

1.2设计要求 (4)

2.整体方案与原理 (4)

2.1总体设计方案 (4)

2.2整体框图及电路原理 (5)

2.2.1设计框图 (5)

2.2.2工作原理 (6)

3.单元电路设计 (7)

3.1时基电路设计 (7)

3.2整形放大电路设计 (8)

3.3闸门电路设计 (8)

3.4计数显示电路设计 (10)

3.5总体电路图 (11)

4.仿真及调试 (12)

4.1部分电路的调试 (12)

4.2总体电路的调试 (13)

5. 设计小结与心得体会 (14)

6.参考文献 (15)

附录 (17)

摘要

在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，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。数字电子技术设计是运用触发器和逻辑门电路来实现异步加法十进制计数器。自制电路设计是运用所学习的知识来自行设计一个有实际意义的电路。Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil 和MPLAB等编译器。而它在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。

1.设计任务及要求

1.1设计目的

（1）掌握数字频率计的设计、制作方法。

（2）掌握振荡器、分频器、记数译码显示电路、单稳态电路的设计

1.2设计要求

（1）设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000Hz。

（2）测量频率范围：10~9999Hz。

（3）测量信号类型：正弦波、方波和三角波。

（4）测量信号幅值：0.5~5V。

（5）设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S。

（6）确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。

2.整体方案与原理

2.1总体设计方案完成

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是指单位时间（1s）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，完成这一功能的我们称为时基电路。同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的脉冲才能通过主门，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是本简易数字频率计的基本原理。

2.2整体框图及电路原理

2.2.1设计框图

计数器

锁存器

闸门

译码器

整形放大器

分频器

信号发生器单稳1

单稳2

a b d

g f e

c

锁存

1S

清零

待测周期信号

f x

闸门控制信号

待测周期信号f

x

闸门控制信号

整形输出信号

闸门输出信号

计数器输出

单稳2计数器清零单稳1锁存信号

计数

锁存

清零

重新计数

2.2.2工作原理

整个电路的工作原理是：时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形，74LS123分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为74LS90计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，计数的个数经74LS273锁存器锁存，然后，经74LS48译码驱动，数码管实时显示被测信号频率的数值，这样就达到了测量频率的目的。

输入电路：由于输入的信号可以是方波，正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。波形整形可以采用施密特触发器。

被测信号经整形后变为符合要求的脉冲信号，送入闸门电路，等待有效时基信号的到来。时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。其两个暂态时间分别为T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC2，在本次设计中设置T1=1s,T2=0.25s。

分频器是为了获得 1S 的标准时间。电路首先对时基电路产生的脉冲信号经74LS123分频得到周期为 1S 的脉冲信号。然后再进行二分频得到占空比为50 ％脉冲宽度为 1S 的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在 1S 时间内通过控制门的被测脉冲的数目。

控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门电路可用74LS00与非门构成

计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。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，可以选用现成的10进制集成计数器。而本设计采用74ls90二、五、十进制计数器的。

3.单元电路设计

3.1时基电路设计

3.1.1时基电路：选用555定时电路构成时基电路，555可构成多谢振荡器，可以产生矩形的波形，再根据t pH = (R1+R2)C1n2≈0.7(R1+R2)C，可以设置其相关系数。在本实验

多谢振荡器及其工作波形

中要求t pH=1s所以估算出R1=47KO R2=39KO C=10uf

实验中采用的电路可以控制器占空比有可变电位器控制

振荡器构成的时基电路

3.2整形放大电路设计

施密特触发器及工作波形

VI<1/3Vcc 时，Vo=1 VI>2/3Vcc 时，Vo=0, 1/3Vcc

3.3闸门电路设计

控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。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译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭。当 1R ， 1B ，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1Q 可获得一负脉冲，其波形关系正好满足所需波形要求。手动复位开关S 按下时，计数器清“0”。用两个74LS123,分别控制单稳态1和单稳态2

V C C

V C C

8 4

555

6

2 v I

R

v O 2 v O 1 V IC 0.01 F

7

3

5

1

v I

V

C C 2 3 V C C 1

3

O v

t

v O

O

t

t

3.4计数显示电路设计

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，可以选用现成的10进制集成计数器。而本设计采用74ls90二、五、十进制计数器的。

锁存器的作用是将计数器在1s结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。选用两个8位锁存器74L273可以完成上述功能。当时锁存信号CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后，无论D为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变，所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。

显示译码器选用了74LS48来驱动这四个共阴数码管了

3.5总体电路图

4.仿真及调试

4.1部分电路的调试时基电路波形测试：

整形电路波形测试

4.2总体电路的调试

A为时基电路，B为整形电路，在时基电路有效时候的输入信号。

5. 设计小结与心得体会

6.参考文献

［1］李国丽，朱维勇电子技术实验指导书.中国科技大学出版社

［2］康华光电子技术基础模拟部分（第四版）.高教出版社

［3］阎石数字电子技术基础（第四版）.高教出版社

［4］谢自美.电子线路设计?实验?测试.第2版.华中科技大学出版社，2000.7 ［5］赵曙光可编程逻辑器件原理、开发与应用.西安：西安电子科技大学出版社

附录

74LS90功能表

元

件清单

输 入

输 出 功 能

清 0 置 9 时 钟 Q D Q C Q B Q A

R 0(1)、R 0(2) S 9(1)、S 9(2) CP 1 CP 2 1 1 0 × × 0 × × 0 0 0 0 清 0 0 ×

× 0

1

1

× × 1

1

置 9 0 × × 0

0 × × 0

↓ 1 Q A 输 出 二进制计数 1 ↓

Q D Q C Q B 输出 五进制计数 ↓ Q A

Q D Q C Q B Q A 输出8421BCD 码 十进制计数

Q D ↓ Q A Q D Q C Q B 输出5421BCD 码 十进制计数

1 1 不 变

保 持

电阻1K

2个 电位器200K 1个 电阻3.3K

1个 电位器5K 1个 电阻10K

2个 74LS00 2个 电阻39K 2个 74LS90 4个 电阻47K

2个 74LS123 2个 电阻57K

1个 74LS273 2个 电容4.7UF

2个 74LS48 4个 电容47UF

2个 NE555 2个 电容10UF 共阴数码管 4个 三极管

本科生课程设计成绩评定表姓名性别

专业、班级

课程设计题目：

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

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