电路CAD简易数字频率计

电路CAD课程设计报告题目简易数字频率计学生姓名高利文学号2008100801专业班级电子信息0803同组人毕亮杰董晓俊高娟涛2011年12月27日-1-简易数字频率计摘要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分紧密的联系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是测量频率的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法；二是间接测频法，如周期测频法。本文阐述了基于通用集成电路设计了一个简单的数字频率计的过程。本设计报告主要包括对数字频率计设计的设计要求、整体方案设计、单元电路设计、电路的测试与调整、设计小结。设计要求包括了数字频率计整体功能要求、系统结构要求及测试指标；整体方案设计包括算法设计和整体方框图及原理；单元电路的设计包括时基电路设计、闸门电路设计、控制电路设计、小数点显示电路设计、整体电路图、整机元件清单；电路的测试与调整包括时基电路的调测、显示电路的调测、计数电路的调测、控制电路的调测、整体指标的调测。关键词:直接测频法,间接测频法,集成电路-2-目录一、设计任务…………………………………………………3二、方案选择…………………………………………………3三、单元电路原理图设计与参数计算……………41.我所设计的电路单元………………………………………42.各部分单元电路原理图………………………………63.计频电路部分……………………………………………74.计频电路部分电路原理图……………………………8(仿真结果)………………………………………………8四、总原理图及元器件清单………………………………………91．总原理…………………………………………………………92．说明………………………………………………………103．元器件清单………………………………………………10五、结论与心得………………………………………………………11参考文献………………………………………………………………12-3-一、设计任务设计一个简易数字频率，该频率计测量频率小于10kHz。要求如下1.要求测量数据显示3秒以上；2.被测信号为幅值小于10V的脉冲或幅值小于10V的正弦交流电压；3.该系统框图如图1所示。4．误差不大于10二、方案选择由于本次设计内容要求将正弦波或三角波转化为方波来进行计频，所以在本次电路中加入了整形电路部分，时基电路部分采用脉冲信号发生器来实现，闸门电路部分与锁存部分电路整合到了计时部分电路中，并将计频电路部分单独列为一框图。逻辑控制电路由若干与非门及与门来实现。系统框图如下：图2数字频率计原理电源电路计数器锁存电路译码显示电路输入电路图1简易数字频率计原理框图-4-图2中，各单元电路的工作原理下：（1）整形电路：将输入频率为周期的信号（如正弦波、三角波等）进行整形，使之成为矩形脉冲。（2）时基电路：作用是产生一个标准时间信号(高电平持续时间为1s)。（3）闸门电路：闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s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fx=NHz。逻辑控制电路：作用有两个：一是产生锁存脉冲信号，使显示器上的数字稳定；二是产生“0”脉冲（清零信号），使计数器每次测量从零开始计数（4）计数器：对脉冲信号进行记录。（5）锁存器：在逻辑控制电路控制下锁存信号。（6）译码器：译码器的主要任务是将计数器的输出工作状态，翻译成数字并显示出来。（7）逻辑控制电路：对计数器进行清零，并控制锁存器。三、单元电路原理图设计与参数计算1.我所设计的电路单元（1）计数电路部分-5-经过分析决定将电路设计为三部分，这是计时电路部分。频率计测量的是被测信号1s内的周期数，因此需通过此计数器来实现对一秒钟的控制，当一秒钟到时需控制计频电路停止计数，锁存数据，并且该计数器也要显示出计频完成。此部分是通过一个100Hz的交流电源来实现的，需要74160芯片。当计数到100时最高位数码管显示1，其余显示0。通过与门的控制使计数一直停留在100。当100到达时，最高位数码管的4脚是高电平，与电源电压通过与非门，变成低电平输入16脚，使最低位芯片断电，停止计数，这样整个计数器就保持在了100。同时通过与非门的控制输入计频部分的7脚、10脚，控制计频电路。此时正好为1s。经过查找资料，决定选用74160芯片。此芯片为同步加法计数器，引脚排列如图3所示。CT74LS160的逻辑功能如下：①CLR’=0时异步清零。RCO=0②CLR’=1、LOAD’=0时同步并行置数。RCO=ENT.QD.QA③CLR’=LOAD’=1且ENT=ENP=1时，按照BCD码进行同步十进制计数。RCO=QD.QA④CLR’=LOAD’=1且ENT=ENP=0时，计数器状态保持不变。图374160芯片74160芯片价格便宜，容易买到。而且功能强大，抗干扰能力强。后来想到，其实不用用3个74160芯片，1个2个都行，只需要将交流电源的频率改成对应的就行，1个芯片就设置成1Hz，2个芯片就设置成10Hz，只要能实现计时一秒就行。同时，不需要那么多与门电路，可以跟计频器一样，通过15脚的控制来实现芯片信号的锁存。以上两种情况还可以减小延时造成的影响。-6-等以后有时间会好好研究一下各种情况。（2）整流电路部分此部分是将正弦波、三角波等各种波形转换成矩形波，形成矩形脉冲，输入计频电路。主要应用了555定时器，用信号发生仪发出脉冲信号，作为输入信号。2.各部分单元电路原理图（1）计数电路部分原理图如图5图4计数电路部分原理图上图显示的结果为计数停止时的结果（2）整流电路部分原理图如图5图5整流电路部分原理图在电路中加入示波器方便观察波形，便于仿真，验证实验结果。-7-3.计频电路部分（3）计频电路单元本单元采用四片7610芯片，来实现从0~9999Hz的频率记录。本单元可以进行扩展，如果进行更高频率的测量，只需添加芯片即可。如，测量范围到99999Hz，只需添加一片芯片即可。另外需要4个数码管来实现数值的显示。Vcc提供电源，输入各芯片的16脚。根据芯片的逻辑功能，当1脚、9脚为高电平，且7脚、10脚为高电平时进行计数。第一个芯片的7脚、10脚通过计数部分来控制。当输入的为低电平时，停止计数，并且锁存数据。从而实现数据的锁存。右边的芯片，即高位靠低位芯片15脚的输出来控制是计数还是锁存数据。通过与门电路送入高位芯片的7、10脚。通过逻辑功能分析可以很好的理解芯片的工作原理。用EWB5.0中的逻辑分析仪来测试74160的逻辑功能，A、B、C、D、E分别对应1、2、7、10、15脚。其结果见图6。图674160的真值表该单元的计时时间通过计时电路部分来控制，而需测量的脉冲信号由整形电路部分输送，通过时钟信号端2脚送入该单元。这个单元是通过查找资料得来的，该原理图简单直观，易于理解。但原来的原理图上有很多问题。比如最低位上的数据不能锁存。原来是计数部分发来的脉冲送入16脚，这样的话相当于计时时间到了以后最低位芯片断电，致使最低位数据不能锁存。现在将16脚直接接高电平，而将7、10脚接在计时电路送来的脉冲上，这样，就可以实现最低位的锁存。另外，通过自己的类推以及仔细思索，将电路扩展，得到了10kHz-8-的频率计。4.计频电路部分电路原理图（3）计频电路部分原理图如图7图7计频部分电路附录仿真结果见图8、9-9-图8正弦波转化为矩形波图9三角波转化为矩形波从仿真结果可以看出实验成功四、总原理图及元器件清单1．总原理图图10总原理图-10-2．实验说明计时电路部分、计频电路部分和整形电路部分三部分组成整个原理图。计时电路利用交流电源作为脉冲信号，该交流电源频率为100Hz，计时到1s时停止计时，同时通过与非门控制计频电路停止计频。被测信号通过整形电路进入测频电路时钟端2脚。完成测频。3．元器件清单表1频率计电路原理图中的元件清单元件序号主要参数封装数量备注C110nFRAD0.21IC67408DIP141IC174160DIP161IC274160DIP161SSGD37_seg_hexSIP41IC47408DIP141SSGD17_seg_hexSIP41IC374160DIP161IC77408DIP141IC87400DIP141SSGD27_seg_hexSIP41IC97408DIP141IC5555DIP81CLK1100SIP21-11-五、结论与心得通过这次课程设计使我对电路CAD有了更加深刻的了解,对自己所学的知识有了一次全面的运用,这次课程设计是对所学课程的一次检验，不仅有CAD的知识，还有逻辑电路的知识，以及单片机的知识。通过本次设计，我更加深刻体会了电路CAD,课程中所教的软件—EWB与PROTEL99SE。通过本次设计可以熟练地运用EWB软件，掌握了如何将EWB电路生成适用于Protel99SE的网络表.NET文件，认识了EWB各器件以及其使用方法，熟悉了各仿真器件的操作过程。到设计结束时，我觉得自己熟练的掌握了EWB软件。同时将利用Protel99SE生成电路板元件的过程熟悉了一遍。但就是不会在Protel99SE上仿真。通过这次设计，很好的锻炼了我的思维能力，以及耐心，同时增进了同学间的感情。本次设计比较成功，实现了设计要求。本次课程设计给了我们一次锻炼自己，提高自己动手和思考分析以及解决问题的能力，我们为自己的作品废寝忘食但乐在其中。以往的实验都是在老师的指导下非独立完成，可本次实验主要靠的就是自己的能力，查阅资料，访问互联网，咨询老师和同学。实验中若非有那种科学严谨，忘我认真的工作精神，如此的工作量怎么能够完成，加上我们的条件还不是很好，实验中我们体会到了掌握基础知识的重要性，那样会使我们在工作中用到时得心应手而不是知其然而不知其所以然运用时糊糊涂涂造成麻烦。本次实验培养了我们团结合作的精神，很多问题都是在共同的努力下共同完成的，这也让我意识到，未来的工作中这种合作精神将更为必要，在大学中我们要加强培养这些我们将来作为科技工作者必备的优良素质，把握各种机会锻炼自己，为自己的未来做好必要的能力和素质储备。-12-参考文献[1]萧宝瑾.电路CAD讲义.2007.[2]谢克明.电子电路EDA.兵器工业出版社.2001.[3]夏路易.电路原理图与电路板设计教程.兵器工业出版社.2002.[4]数字频率计.