自动换挡型1Hz-9.99KHz频率计(数电课设报告)

1数字电子技术课程设计题目：《自动换挡型1Hz-9.99KHz数字频率计》班级：XXXX姓名：XXXX学号：XXXX成绩：XXXXX完成日期：2010年7月9日自动换挡型1Hz-9.99KHz频率计2一、设计目的熟练掌握数字电路基本器件的使用方法，训练、提高读图能力；掌握数字频率计的设计、组装、调试方法。二、设计内容及要求1设计一个能测量1Hz—9.99KHz、TTL电平的频率计，具有自动换挡功能。要求用三位数字显示，1—999Hz显示单位为Hz、1KHz—9.99KHz显示单位为0.01KHz。画出完整的电路图，说明电路的工作原理。2根据所给参考电路分析其工作原理并解答思考题。3根据上述原理电路图，在印刷电路图中标出元器件的位置及代号，并完成跳线，使连接完整。4组装、调试频率计；写出实验、调试报告。选作内容：1频率计输入接口，可以测量5mV—10V的正弦波、三角波方波信号。2让频率计具有以下精度：1—99Hz精度为0.2Hz100—999Hz精度为0.5Hz1KHz—9.99KHZ精度为1Hz三、设计方案选择方案一：（完全采用数字电路芯片去完成）1、用555定时器产生1s的脉宽，然后通过十进制计数器在1s内对被测信号源实现计数功能，1s内的计数值即为对应的频率值，经计数器的输出端通过七段译码驱动管使数码管显示相应的频率值。由于555定时器的微分电路可以由可调电阻构成，可以实现闸门时间的控制与调节，这样在测量更高频率范围时电路的改进就会很方便，但是由于微分电路的充放电时间不是很稳定，这样得到的闸门时间1s就不是很精确，在1s内对频率的计数值与实际的频率值就有一定的误差。2、由于只有三只数码管，当从999HZ上升到1KHZ以上时，三只数码管无法显示全部数值，因此要用相应的控制电路控制换挡，对被测信号源十分频，只显示千、百、十三位的数值而丢掉了个位的数值，同时将第三只数码管的小数点点亮，按KHZ读取数据。方案二：（也是完全采用数字电路芯片去完成）1、为了得到1s的精确的闸门时间，我们可以采用石英晶体多谐振荡器，这样测量的频率值就比较接近实际值，但有一个缺憾就是如果要更换测量范围，就必须更换石英晶体多谐振荡电路，改进起来就会很麻烦。2、译码器我们也可以采用74LS48，但由于74LS48内部有限流电阻而没有内部锁存器，结果显示时就不是那么稳定，产生1s闸门时间的555定时电路就要做相应的改进，闸门时间过后的低电平的时间就要延长，保证结果能稳定显示。3方案三：（采用单片机方案）1、我们采用定时/计数器T0工作于定时方式产生1s的精确的闸门时间，而采用定时/计数器T1工作于计数方式对外部被测频率信号实现计数。将每次的计数结果分为高8位和低8位分别放入一个寄存器中。2、对于自动换挡，我们需要一个比较转移指令CJNERn，#date，NEXT将每次的计数结果与999比较大小，分999、=999、999三种情况分别转向三个子程序执行相应的处理操作。3、采用软件译码，用查表指令实现三个数码管的显示最终给定的方案为方案一，下面我们将对方案一的原理作详细的说明四、整体构思及系统框图（1）基本原理我们举一个很简单的例子：若f=1Hz，则它的周期即为T=1s，那么在1s内就有1个脉冲若f=2Hz，则它的周期即为T=1/2s，那么在1s内就有2个脉冲……若f=nHz，则它的周期即为T=1/ns，那么在1s内就有n个脉冲,若对这n个脉冲进行计数，计数值就是被测频率信号源的频率nHZ。我们采用555定时器产生1s的脉宽，在这1s的脉宽内我们通过计数器对被测频率信号源计数。由于要求只能用三位数字显示，当频率小于999HZ时，只需三个十进制的计数器就可以得到正确的计数结果；当频率大于999HZ时，就需要四个十进制的计数器才能够得到正确的计数结果。于是我们采用相应的控制电路，使被测频率经过四个计数器计数，只取高三位的数值，同时将第三位数码管的小数点点亮。每次开始计数的时候，我们就用相应的控制电路让所有计数器的输出端全部清零，保证每一个闸门时间内计数器都是从0开始计数的。（2）系统框图被测信号门控电路自动换挡型频率计原理框图分频器计数、译码、驱动、显示高位计数溢出检测电路分频、显示控制电路4五、设计中可能用到的芯片的使用说明定时我们采用NE555定时器，计数我们采用十进制/二进制计数器DM74LS90，译码我们采用BCD—7段锁存译码器/驱动器CD4511，分频显示控制电路我们用到4与非门74LS00和双JK触发器74LS112。（1）NE555定时器R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U1NE555NE555定时器芯片A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIC210nF将555的THR和TRI端两个输入端连在一起作为信号输入端即可得到施密特触发器。C110nFU6D74LS14NR11kΩA1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIC210nFR250kΩC310nFR310kΩ施密特的输出端经电阻接到输入端，输入端经电容接地就可以得到多谐振荡器。同样的道理，也可将555定时器接成如上右图所示的多谐振荡器。振荡周期仅由C3和R2、R3所组成的充放电电路的充放电时间决定：T=T1+T2=（R3+R2）Cln2+R2Cln2=（R3+2R2）Cln2（说明：这里C=C3）f=1/T=1/（R3+2R2）Cln25（2）DM74LS90U174LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R02374LS90芯片引脚图74LS90的逻辑功能表复位输入输出R01R02R91R92QDQCQBQA110x000011x00000xx111001x0x0计数0x0x计数0xx0计数x00x计数由功能表可知：当R01和R02都为1时，才具有清零功能，而当R01和R02中有一个为0时，清零都无效。R91和R92的置9功能也是当R91和R92同时为1时置9才有效，而当R91和R92中只要有一个为0时置9都无效。当置9和清零都无效时。将输出端QA与B输入端相接，CLK从A输入端输入就实现十进制加计数功能。（3）CD4511U24511BP_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~EL5~BI4~LT34511芯片引脚图64511的逻辑功能表输入输出LEBI’LT’DCBAabcdefg显示XX0xxxx11111118X01xxxx0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐111XXXX锁存锁存由功能表可知：LT——灯测试输入端，LT=“0”时，译码输出全为“1”，灯显示数字“8“BI——消隐输入端，BI=“0”时，译码输出全为“0”，灯不显示任何数字。LE——锁定端，LE=“1”时，译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在LE=“0”时的数值，LE=0时为正常译码。A、B、C、D————BCD码输入端a、b、c、d、e、f、g——译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。7（4）双JK触发器74LS112U374LS112D~1CLR151J31K21CLK1~1PRE41Q5~1Q6GND8~2Q72Q9~2PRE102CLK132K122J11~2CLR14VCC16U4A74LS112D1Q5~1Q6~1PR41K2~1CLR151J31CLK1JK触发器的逻辑功能表输入输出SD’RD’CPJKQn+1Q’n+101XXX1010XXX0100XXX⊕⊕11↓00QnQ’n11↓101011↓010111↓11Q’nQn11↑XXQnQ’n由功能表可知：CLK端———为下降沿触发SD’、RD’端——异步置数和异步清零端，当其中一个有效时，即为低电平0时，不管CLK脉冲是否到来，都执行相应的置数或清零操作。J、K端——在SD’、RD’端均无效的情况下，CLK的下降沿到来时，若J=1、K=0则置1；若J=0、K=1则清零；若J=0、K=0则保持；若J=1、K=1则翻转。六、各部分定性说明以及定量计算：（1）555定时电路01（用于产生被测频率信号源）8A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIV15VR1330ΩC1100nFR2100kΩKey=A45%C2470uFXSC1ABExtTrig++__+_XMM1当TＨR和TRＩ端为低电平输入时，3脚Vo输出为高电平，Vo经R2、R1给电容C1充电。T1=（R2+R1）C.·ln2（说明：这里C=C1=0.01uF）当达到正向阈值电压时，Vo立刻跳变为低电平。C1又经R2、R1给Vo放电。T2=（R2+R1）C.·ln2于是T=T1+T2=2（R2+R1）C.·ln2→→→f=1/T=1/2（R2+R1）C.·ln2由于R1已知，R2为可调电阻，调节R2即可以改变Vo输出的频率。（2）555定时电路02（用于产生1S的闸门时间）V15VR151kΩR210kΩKey=A15%C122uFR31kΩD11N4148XSC1ABExtTrig++__+_C310nFA1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI此电路是将DIS经R3//D1之后接到TＨR和TRＩ端，DIS的电平特性与3脚Vo完全相同。TＨR和TRＩ端为低电平输入时，3脚Vo和7脚DIS均输出为高电平，DIS经R3、D1给电容C1充电。T1=（R3//RD1正+R2+R1）C.·ln2当达到正向阈值电压时，DIS立刻跳变为低电平。C1又经R3、D1给DIS放电，流经D1的为反向电流，D1可以视为开路。T2=（R3）C.·ln2由于（R3//RD1正+R2+R1）（R3），故T1T2，即输出端Vo高电平持续时间1s远大于低电平持续的时间。9（3）微分电路U5A74LS00DC16.8nFR1680Ω当与非门输入端有一个为0时，输出端为1，电容C1两端电压为0，而当输入端全为1时，输出端为0，由于电容C1两端的电压不能突变，故电容C1的右端与电阻相接的一端输出为0，但是这个低电平是不能长久的，电源Vcc经680欧的电阻R1给电容C1充电，一段时间之后，电容C1的右端又恢复高电平。（4）计数电路U674LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U774LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023C210nFR2680ΩD11N4148当1s的闸门时间开始的时候，输入的高电平经C2使计数器的清零端清零。每次1s的闸门时间开始的时候都是这样实现清零。由于1N4148的钳位作用，很快置零端又下降为低电平，置零信号很快就消失，允许计数器计数。将QA接到CLKB的输入端，使74LS90构成十进制计数器。当低位记到9时Q3=1，下一个计数脉冲到来的时候，计数器记满溢出，Q3由1→0，产生的下降沿正好可以作为高一位的CLK输入。10（5）自动换挡电路（分频切换和小数点控制）U4A74LS112D1Q5~1Q6~1PR41K2~1CLR151J31CLK1U1A74LS112D1Q5~1Q6~1PR41K2~1CLR151J31CLK1U2B74LS00NU3B74LS00NR1680ΩR2680ΩC16.8nFC26.8nFV15VV25VU5B74LS00NU6B74LS00NU7B