数字频率计设计数字电子核心技术优秀课程设计实验报告.docx

电子技术基础
课 程 设 计

题目名称：数字频率计设计

评语：

成绩：

重庆大学电气工程学院
7月6日
目录
摘要 1
1、设计的目的及要求 2
1.1、设计目的 2
1.2、设计要求 2
2、设计思路及方案选择 2
2.1、设计思路 2
2.2、设计方案选择 2
3、设计及仿真 3
3.1、总体框图 3
3.2、各模块功能实现及介绍 3
（1）整形电路 3
（2）时钟产生及分频电路 4
（3）T触发器 5
（4）单稳触发器 6
（5）计数器 7
（6）锁存器 8
（7）显示 8
（8）小数点功能的实现 8
3.3全部电路及功能测试 10
4、焊接规划及实物设计 12
4.1、逻辑设计图转换 12
4.2、电路VCC\GND端共线设计 12
4.3、焊接元器件及排针 12
4.4、元件接线及电流引入 12
5、总结与感想 12
参考文献 13

摘要
作为数字电子技术、模拟电子技术中最常见基础参数，频率常常会被应用到多种数据计算当中。这就造成数字频率计在电子技术领域应用广泛，其作为一个最基础测量仪器以其测量精度高、速度快、操作简便、数字显示等特点被广泛应用。本文关键介绍制作简易数字频率计原理、方法和设计思绪。以74LS系列常见电子集成电路为例，分析怎样利用整形、计数、分频、译码电路实现对于矩形波、三角波、方波等信号频率分析及显示。本文以作者二人小组设计为蓝本，分享设计经验，为有制作需求及意愿人提供施行经验。

关键字：频率计 整形电路 分频电路 计数方法

1、设计目标及要求
1.1、设计目标
1）、掌握数字频率计设计方法；
2）、掌握常见数字集成电路功效和使用。
1.2、设计要求
设计一简易数字频率计，其基础技术要求是：
1)测量频率范围1kHz~10MHz，量程分为4档，即×1，×10，×100，×1000。
2)频率测量正确度.
3)被测信号能够是正弦波、三角波和方波。
4)显示方法为4位十进制数显示。

2、设计思绪及方案选择
2.1、设计思绪
回归数字频率计本质，我们将设计关键目标定在它关键功效，即测量周期信号频率上，争取在设计合理、可靠基础上，努力实现生产经济化、功效齐全化、技术优异化，向工程师看齐，减小误差，不出现任何功效方面错误。
频率是单位时间（1s）内信号发生周期改变次数，所以要求电路能在给定1S时间内对信号波形计数，并将技术结果显示出来，就能读取被测信号频率。首先，必需以特定电路取得相对稳定时间，同时利用整形电路将被测信号转换成幅度和波形均能被识别脉冲信号，然后经过计数器计算这一段时间间隔内脉冲个数，将其换算后显示出来，最终工作即为再将计数器清零，重新计数。
2.2、设计方案选择
在熟练掌握了数字电子技术基础知识后，我们发觉要实现数字频率计计数、分量程、数值显示功效，能够使用多个方法，不一样思绪能够带来多个不一样思索结果。尽管有老师给元件提醒、制作原理PPT、Word教导文档，不过团体内仍然存在两到三种设计方法，选择元件不一样，设计方法也截然不一样。
在我看来，依据老师提供元器件，经过3片74LS160对1KHZ信号进行分频，能够实现对量程控制，这是一个比较可行且可靠设计方法。1KHz时钟脉冲，对其进行3次10分频，每个10分频器输出信号频率分别为100Hz，10Hz，1Hz三种时间基准信号。对应于以1Kz，100Hz，10Hz，1Hz信号作为时间基准信号时，对应量程为×1000，×100，×10，×1。不过队友王洪一却经过仿真过程进行可行性论证，使用3片160会使电路更为复杂，对于后期制作会产生影响。于是便对电路进行了讨论，最终决定采取她所提供设计方法，直接在555时钟产生电路中，经过调整不一样电容值来决定输出信号频率，如此便大大简化了电路，提升了后期制作效率，也为实际制作中成本控制提供了节省方法。
3、设计及仿真
3.1、总体框图

3.2、各模块功效实现及介绍
（1）整形电路
整形电路是将待测信号整形变成计数器所要求脉冲信号。电路形式采取由555定时器所组成施密特触发器，输入信号整形电路输出方波，二者频率相同。在测试功效时，我们在认真考虑施密特触发器跳变节点、电阻阻值后，最终确定功效实现和功效测试图（输入为正弦波整形为方波）。

（2）时钟产生及分频电路
时钟信号是控制计数器计数标按时间信号，其精度很大程度上决定了频率计频率测量精度。当要求频率测量精度较高时，应使用晶体振荡器经过分频取得。在此频率计中，时钟信号采取555定时器组成多谐振荡器电路，产生频率为1Kz信号，然后再进行分频，分频功效经过采取不一样电容对1KHz信号进行分频。其中依据公式可取R1=43K,R2=51K，调整C大小得到频率为1KHz，100HZ，10HZ，1HZ脉冲。电路及1KHz信号产生图图所表示。

（3）T触发器
T触发器电路是用来将分频带器输出窄脉冲整形为方波，因为计数器需要用方波来控制其计数/保持状态切换。整形后方波频率为频器输出信号频率二分之一，则对应于1Kz，100Kz，10Kz，1Hz信号，T触发器输出信号高电平连续时间分别为0.001s,0.01s,0.1s,1s。
T触发器采取D触发器7474为实现，依据公式将时钟输出信号和T触发器输出进行异或运算即可得到T触发器。电路图及功效测试图所表示。

（4）单稳触发器
单稳触发器用于产生一窄脉冲，以触发锁存器，使计数器在计数完成后更新锁存器数值。为了确保系统正常工作，单稳电路产生脉冲宽度不能大于该量程分频带器输出信号周期。比如，计数器最大量程是×1000，对应分频带器输出时间基准信号频率为1000Hz，周期是1ms。取单稳电路输出脉冲宽度TW=0.1ms。
单稳触发器电路采取555定时器实现。依据Tw=1.1RC=0.1ms可取C=0.01uf，R=9K，微分电路取R2=1K，C3=0.01uf。电路图及功效测试图所表示。

（5）计数器
在T触发器输出信号控制下，对经过整形待测信号进行脉冲计数，所得结果乘以量程即为待测信号频率。
依据精度要求，采取4个十进制计数器级联，组成N=10000计数器。十进制计数器仍采取74LS160实现。其中清零信号由单稳态电路输出提供，控制信号由T触发器提供。计数器输出结果送入锁存器。电路图图所表示。

（6）锁存器
再确定时间内将计数器计数结果锁定后即可显示稳定显示值。锁存器作用是经过触发脉冲控制，将测得数据寄存起来，送至显示译码器。锁存器能够采取通常8位并行输入寄存器。

（7）显示
采取7448和4个七段数码管显示测试信号频率，采取数码管需有小数点显示功效方便调整范围时候使用。在使用过程中，分频后电路信号经过运放放大电压，用以激活数码管DP脚，实现小数点显示。

（8）小数点功效实现
在选择量程时候须有小数点显示功效，将其使能端接到经放大后选择电路上即可实现。

3.3全部电路及功效测试

（1） 输入5KHz正弦波信号，采取第一档。

(2)输入10.5KHz三角波信号，采取第二档。

4、焊接计划及实物设计
4.1、逻辑设计图转换
首先将仿真软件中逻辑设计图转换为管脚图，每个元件根据连接次序画出，这种转换思绪对于管教较多、电路较为复杂电路来说比较实用，能够将电路中元器件连接方法比较直白表示出来，避免直接从逻辑图进入电路计划焊接时慌乱，同时更会避免了线路杂乱造成认错线路、少连线等问题。
在此以后依据逻辑图显示方法，在所需焊接电路板上计划元器件位置，确保距离近、连线时曲线少、VCC接入点少而全、接地线走线简练等。
4.2、电路VCC\GND端共线设计
在电路中，不仅存在元件1输出端接元件2输入端情况，在考虑到元件之间接出、引入情况，合理走线，还要确保电源线、地线在使用中安排合理，确保布线合理，留出对应共线端，将全部线集中成总线，简化布局。
4.3、焊接元器件及排针
计划完成后，先根据管脚图及计划图，将元器件根据次序依次焊接入电路板中，需注意排针焊接，有些引脚接出数次，这时要留出足够引脚，确保焊点充足，为后期连线留存空间。为了确保焊接过程安全、合理，必需严格遵守焊接相关要求，安全操作，既确保合理使用电烙铁，又要确保焊点正常使用，而不存在接触不良等情况。
4.4、元件接线及电流引入
最终一步即为接线工作，用杜邦线根据元件次序，由左及右或由上及下，在一个元件连线完成后，务必需检验一遍，避免漏脚未连线等问题。

5、总结和感想
即使在大一大二期间，我们学习了多种电器基础课，从电路原理到电磁场种种，使我基础熟悉了电学领域多种基础原理，不过极难做到学以致用，对于课程了解也仅仅停留在书本之中，解题之上，不过此次课程设计能够说是理论利用到实际过程，在老师讲解基础上，必需要综合利用自己所学知识，和队友合作，一起完成工程量相对算是巨大数字频率计设计工作。
作为一个为期两周课程设计，我们将时间分配计划成两部分，第一周完成理论设计，即成功利用计算机进行仿真分析，模拟出最终电路功效实现初步结果；第二周进行实体电路设计，完成电路元器件采购、焊接。
在二人初步合作中，我们在最开始就对设计方向选择产生了冲突，到底是选择老师提醒进行设计，求稳求全；抑或依据自己知识贮备，大胆创新，探索一条适合我们道路，从大局出发。这么争论我们进行了半天，最终是经过仿真原理来证实，到底是用三块74LS160还是一块555对于设计电路简化作用大。而这一次探讨，也促进了我们之间磨合，让我们明白了一个道理，在合作当中，不管是多个人，总要有一个人占主导地位，不管是任何情况，假如没有一个人拿最终主意，那么全部事情全部会变成无休止争论，这是课程设计给我上第一课，所以在这种情况下，我们二人协商电路设计一切全部以她意见为主，尊重她设计思绪，保留我意见；而在电路焊接过程中，一切以我为主导，分工合作，这么每个人注意力全部有所转移，站在旁观者角度给提议，反而轻易一语中，让实施者思绪清楚起来。
可能在电路设计过程中，即使我也查资料，进行辅助性工作，不过我感慨最大，还是焊电路工作，这一部分在我看来即使艰苦，却充满了乐趣，考验动手能力，也考验一个人能否坐得住耐力。起初我们是计划做PCB板来完成制作，这么工作量变小，也使可靠性增加很多，不过最终看到制作周期大约需要4-5天，时间长，对于时间担心课程设计来说不是很适宜，再说作为一名工科生，假如焊电路手艺全部不行，那也不好意思说自己学电了。
我们电路看设计图，大小集成电路元件合起来有22个，加上电容电阻和杜邦线所需排针，也就意味着我需要焊接450多个焊点，光焊接过程就十分困难，一直被松香、焊锡加热后所产生烟包围，眼睛、鼻子全部受到巨大考验，细小焊点对于眼力考验十分巨大，有时焊锡连接在一起了，又需要一大部分功夫改电路，除去电路板上计划多出焊锡。这是我工作中挑战，不过就算不是为了课程设计，我也要把它完成，男生对于电路全部是存在一个热爱，从小到大拆多种电子器件，这是正儿八经全程自己设计、制作。
最终接线过程也是很复杂，相比于数字电子技术试验课上电路连线，这种来连线即使管脚熟悉，不过杜邦线细小但棱角多，电路板空间狭小，很多线重合，严重影响了视线，也让接线变得异常复杂，必需根据次序，连接玩一个元件同时必需检验电路，若整个全部完成再出问题，就会追悔莫及，也很难排查故障。
这一次课程设计，让我深刻体会到了我现在学习知识所能做到事情已经很多了，学以致用已经不是梦想，而且知识已经不能算是基础课了，我们要严格根据工程师要求来约束自己，决不能向电路问题妥协。正如唐老师答疑时说那样，我们要逐步适应身份转换，以后再工作岗位上，不会有些人说先把你设计一部分拿去实现，剩下等你设计出来再说。要是成功，就全全部成功，用户需要是产品，不是电路。我们一定要好好打下基础，练好基础功，将学习知识用于真正实践。

参考文件
[1] 唐治德. 数字电子技术基础【M】北京：科学出版社，
[2] 阎石. 数字电子技术基础【M】 北京: 高等教育出版社,
[3] 彭介华. 电子技术课程设计指导【M】 北京:高等教育出版社，1996年