自动换挡型1Hz999KHz频率计数电课设报告lx.docx
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自动换挡型1Hz999KHz频率计数电课设报告lx
自动换挡型1Hz-9.99KHz频率计
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、内容摘要
此次数字电子课程设计运用74LS90,组成计数器和分频器,然后用译码器和数码管组成显示电路,再把与非门电路和触发器结合在一起组成分频、显示控制电路,最后,运用555组成的定时器和门电路组成门控电路。
总之,此次数字电子课程设计所涉及的内容都是我们学过的,只是分析有点繁琐,这有利于加深我们对《数字电子技术基础》中有关知识的理解。
三、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0.2Hz
100—999Hz精度为0.5Hz
1KHz—9.99KHZ精度为1Hz
四、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。
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
五、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,当频率大于999HZ时,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,同时将第三位的小数点点亮。
(2)系统框图
(3)电路的工作原理
本电路能测量1Hz—9.99KHz的方波信号,三位数字显示,1—999Hz显示单位为Hz、1KHz—9.99KHz显示单位为0.01KHz。
由U2及外围电路组成的门控电路,产生脉宽1秒的方波信号,控制U1A,让U12及外围电路组成的摸拟被测信号通过,单位时间的计数值即为被测信号频率。
由C2、R3组成的微分电路,在一个新的计数周期开始瞬间对上次计数结果清零
由U11B、U10C、U10D及两微分电路构成计数器高位“1”检测,即在一个计数周期,高位至少计一个数;否则分频器U3没有必要接入。
每个计数周期开始后,U10C及微分电路首先通过U11B的SD端使U11BQ置“1”此时由于U10B的5脚为低电平,U11A的CD端不起作用。
在计数周期只要U6Q0端有一个“1”,U11BQ端就会清为“0”,U11A的CD端在计数周期都不起作用。
若在整个计数周期U6Q0端始终为零,U11BQ端保持为“1”,当计数周期结束时,U10B4、5脚均为高电平,U11A的CD端起作用,U11AQ端为“0”,U3输出“1”,即分频器U3不起作用(整个计数周期U6Q0端始终为零,说明分频器U3没有必要加入);同时U10B使得U9的消隐端起作用,高位无效“0”不显示。
U11B本质是一个RS触发器。
为检测计数器高位是否溢出,将U6Q3作为U11A的时钟,当U6Q3由“1”→“0”时,U11AQ端的状态取决于当时J端状态,J=0,QN+1保持原状态,J=1,QN+1=1。
而J端的波形与U2Q相比延迟数微秒,其原因是:
每个计数周期开始时,都要对上一次计数清零,如果上一次计数周期高位计数值是8或者9(波形图上画出四个计数周期U6Q3可能的情况),就会产生虚假的溢出信号,J的波形保证清零时J=0,使清零时产生的假溢出信号得到抑制。
当U11AQ为“1”时U3作为十分频器接入电路,同时将高位数码管的小数点点亮。
设被测信号的频率为f,
当f<100Hz时,当来2个计数脉冲时频率计才进入稳定状态,此时,U11A的Q’脚为高电平,即分频器U3没有接入。
在计数脉冲过去后,即向分频、显示控制电路输入“0”,此时,U10B的5脚为“1”,而由R4和C3组成的微分电路使得计数脉冲延时,从而使U10B的4脚也为“1”,即U10B使得U9的消隐端起作用,高位无效“0”不显示。
但这消隐只是瞬间,因为低电平持续的时间很短。
当下一个计数脉冲来时,U10B的5脚为“1”,即U9的消隐端不起作用,数码管高位显示“0”。
故我们会看到数码管的最高位一闪一闪地显示“0”。
当100 分频器U3没有接入,由U2及外围电路组成的门控电路,产生脉宽1秒的方波信号,控制U1A,让U12及外围电路组成的摸拟被测信号通过,单位时间的计数值即为被测信号频率,即数码管所显示的数值为被测信号的频率。 由C2、R3组成的微分电路,在一个新的计数周期开始瞬间对上次计数结果清零。 当1KHz≤f<9.99KHz时,U6Q3作为U11A的时钟,当U6Q3由“1”→“0”且U11Aqd的J端为“1”时,即在一个计数脉冲内,此时,U11AQ为“1”,U3作为十分频器接入电路,同时将高位数码管的小数点点亮。 同理,接通电源后,当来2个计数脉冲时频率计才进入稳定状态。 这是因为第一个计数脉冲的结果是将U3接入,即对信号十分频,第二个计数脉冲来时,分频器才能正确计数。 六、单元电路设计、参数计算和器件选择。 (1)信号源产生电路 此电路用555定时器接成多谢振荡器,电路图如图所示, 振荡周期仅由C6和R8、WR2所组成的充放电电路的充放电时间决定: T=T1+T2=RCIn2+RCIn2=2RCIn2,故f=1∕(2RCIn2),代入数值可得, fmin≈72Hz,fmax≈22KHz, C7为电源旁路电容 (2)门控电路 由U2及外围电路组成的门控电路,产生脉宽1秒的方波信号,控制U1A,让U12及外围电路组成的摸拟被测信号通过,单位时间的计数值即为被测信号频率。 其计数脉冲为: T1=RCIn2=22×(51+WR1)×In2,故T1max=22×61×In2≈0.93s 加二极管D1是为了通过WR1控制充电时间,从而控制计数脉冲,式中C为图中C1。 (3)分频电路 当6,7脚为低电平时,分频器U3接入,U1B被封锁,计数脉冲通过4脚接入分频器,从而实现分频。 (4)高位计数溢出检测电路和分频、显示控制电路 此部分在工作原理部分阐述的很详细,这里不再赘述。 (5)计数、译码、驱动和显示电路 此部分74LS00构成的十进制计数器,低位计数器每来十个脉冲向高位进一位,7448和数码管构成的译码、显示电路将所测频率的数值显示出来。 此部分比较简单,这里不再赘述。 (6)清零延时电路 由C2、R3组成的微分电路,在一个新的计数周期开始瞬间对上次计数结果清零,而R4和C3以及C2、R3和周围门电路构成的延时电路辅助控制分频和小数点点亮。 七、 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 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。 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 f=1/T=1/(R3+2R2)Cln2 (2)DM74LS90 74LS90的逻辑功能表 复位输入 输出 R01 R02 R91 R92 QD QC QB QA 1 1 0 x 0 0 0 0 1 1 x 0 0 0 0 0 x x 1 1 1 0 0 1 x 0 x 0 计数 0 x 0 x 计数 0 x x 0 计数 x 0 0 x 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,就实现计数功能。 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)CD4511 4511的逻辑功能表 输入 输出 LE BI LT D C B A a b c d e f G 显示 X X 0 x x x x 1 1 1 1 1 1 1 8 X 0 1 x x x x 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 1 1 1 X X X X 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。 (4)双JK触发器74LS112 八、组装调试中应该注意的问题 1检查印刷电路板有无断路、短路,若有,首先处理好。 2焊接顺序: 电阻、二极管、IC插座、电容器、跳线,逐一焊接。 先焊平面的,后焊立体的,原则是有利于焊接。 要求卧装水平、竖装垂直、相同元件等高。 要特别注意元器件的安装方向! 3焊接要点: 将元件整形后插入对应位置,电路板平放在台面上,一手握烙铁对焊盘和引脚同时接触预热,另一手持焊锡丝与焊盘处烙铁接触,使锡丝熔化,当锡丝熔化一定量时(多了不好少了不行),立即将锡丝离去,烙铁继续保持少许时间,让焊锡围绕焊盘自由流动,形成一个完全覆盖焊盘的钟形(忌讳球形)焊点。 切勿将焊锡先溶化在烙铁上再去焊接,这样锡丝里的助焊剂在未焊接前先挥发了,不利于焊接,而且焊点没有光泽。 4剪脚: 元件焊好后,将多余引脚剪掉,剪脚后的焊点应露出引脚0.5-1mm。 本课设要求引脚露出2mm,以利于元件重复使用。 5检查元件及IC插座有无错焊、漏焊,方向是否正确无误,将集成电路插入相应插座。 6将5V直流电源接入电路(TTL电路对电源要求很高,电压值和方向都不能接错! )。 若发现元器件发热或者有异味,应立即切断电源检查。 7正常时数码管会显示所测信号频率,若不能则按以下步骤用示波器检查: ①被测信号输出是否正常; ②闸门控制电路是否正常; ③清零、锁存信号是否存在; ④计数器、译码器工作是否正常; ⑤当不能自动换挡时,应该重点检查计数溢出检测电路; ⑥调整闸门时间,使频率计正确测频。 8调试的仪器: 示波器,5V电源。 9测试波形 九、此电路的优缺点 优点: 此电路所涉及的内容都是我们学过的,简单易懂。 从元器件的选择来看,所选元器件种类较少且充分利用元器件;在粗测所测信号的频率时,此方案经济实用。 缺点: 不能精确测量信号频率,当频率小于100Hz高位不能消隐且有些部分的接法不是很合理,如信号源产生电路中555电路的连接。 十、此次课程设计的心得体会 1.此次课程设计加深我对《数字电子技术基础》中有关知识的理解 2.通过这次课程设计我的焊接技术更加娴熟,焊得更好 3.在分析分频换挡过程中,我惊叹设计者思维的巧妙,同时提高我分析问题的能力。 由于译码芯片是4511,即是CMOS管,没有用的引脚应接高电平。 4.通过定量和定性分析结合让我认识到分析方法的重要性,波形的分析让我认识到波形图在数字电路中是一种直观、简单的分析方法。 5.在找跳线时,我不仅熟悉了PCB板的结构而且帮助我快速、正确得完成组装,能更容易分析出问题的所在。 十一、参考文献 [1]张伟,张瑾,张明峰,李素双编,《新编实用集成电路选型手册》,人民邮电出版社出版 [2]阎石主编,《数字电子技术基础(第五版)》,高等教育出版社出版 [3]《数字电子技术实验指导书》武汉纺织大学电信学院编 附录1——设计所用元器件列表 元器件名称 个数 6800pF 2 0.01u 3 0.1u 3 22u/16V 1 100u/16V 1 470μ/16V 1 330欧 2 680欧 3 1K 2 51K 1 10K的电位器 1 100K的电位器 1 1N4148 2 555 2 820欧 21 74LS00 2 74LS90 4 74LS112 1 MC14511B 3 LTS547 3 附录2——电路的PCB图和电路原理图 附录3——对设计中可能会遇到的一些问题的思考 1、电路中有几处用到了微分电路D2的作用是什么? 不用可不可以,画出C2两端的波形图。 电路中共有7处用到微分电路,这些微分电路的功能分为2种。 第1种: 用于555定时电路,产生矩形波。 第2种: 用于延时。 如下图所示: 2、分频器U3起作用的条件及被测信号流程(至U4)。 当f>999HZ时且U11B的Q’为0时,分频器起作用。 被测信号流程如下: f--→U1A--→U3的CLK0--→U3的Q3--→U1C--→U4的CLK0 3、U2、U12同为震荡器,在一个震荡周期中,调WR1、WR2改变了什么,周期T的表达式? 调WR1改变的是闸门时间和波形的占空比。 而调WR2改变的是信号源的频率,其占空比始终为50%。 U2的周期表达式为: T=T1+T2=(R2//RD1正+WR1+R1)C.·ln2+(R2)C.·ln2 U12的周期表达式为: T=T1+T2=2(WR2+R8)C.·ln2 4、U10A及R4、C3的作用是什么? 画出U1D的输入及U10A的输出波形. 对U2所给信号的第二次反向且延时计数脉冲。 图见上图。 5、若二极管D1接反,U2Q波形如何? 若D1接反,则电容的充电时间变长而放电时间变短,即U2Q输出的高电平时间变长,而低电平的时间变短。 6、当频率过KHZ后,小数点点亮,随后频率KHZ以下,但小数点不灭,问故障可能所在? JK触发器U11A没有被清零。 7、译码驱动电路7448和4511管脚布置完全相同,分析两种芯片在本电路的应用,比较各自特点。 74LS48内部有限流电阻而没有内部锁存器,而4511完全相反,4511是CMOS电路,引脚不能悬空,未有接入电路的引脚要接使该引脚接无效电平。 8、电位器3296右旋时,②脚→③脚靠拢,要求电位器右旋时,门控制电路的输出正占空比↑、信号频率↑,Rw1、Rw2的①、③脚与电路如何连接? 反接 9、U11A的功能(CD端为“1”)及作用是什么? 试画出U11AQ端波形(U11AQ端起始为“0”),若J端接U2Q,画出U11AQ端波形,并分析会产生什么不良后果? U11A的主要功能就是在f>=1KHZ时Q=1而Q′=0。 Q=1将小数点点亮,Q′=0封锁与非门U1B,计数器U3的置9端MS1、MS2无效,使信号经过计数器U3计数。 f<1KHZ时Q=0而Q′=1,Q′=1打开与非门U1B,计数器U3的置9端MS1、MS2有效计数器输出Q3Q2Q1Q0=1001,打开与非门U1C,允许被测频率信号经过后面的3个计数器计数,而不经过计数器U3。 10、电路中R3、4、5、6的阻值均较小,选取依据是什么? 最大可取什么值? 依据TTL门电路输入端负载特性。 Rmax=690欧和延时时间。 11、U11B的功能(此时的JK触发器实际当什么用)及作用是什么分析其及相关电路的工作原理。 当一个检测开关的作用,即只有置零端和置位有效,由状态方程Q*=JQ′+K′Q,又J=K=0,Q*=Q, 12、显示器的七字段及圆点由共阴的发光二极管组成,图中用7448驱动,能否直接给显示器字段加+5V电压检查其好坏,为什么? 不能,因为7448没有接限流电阻,直接加5V的电压流过二极管的电流过大,容易将二极管烧坏。 13、一个数码管显示8,用万用表测量7490的8、9脚为5V,11、12脚均为0V,显示是否正确? 你认为应该显示什么数? 不正确,应该显示6。 可能是所接4511的灯测试端为低电平所以就显示8。 14、有一同学将7490组成的十进制计数器输出端8脚错接到7448的3脚(灯测试端),对应的显示器将如何显示? 对应数码管显示8。 15、简述频率计的工作过程,尤其是自动换挡过程。 见工作原理部分。 16、在分别用7448和4511作为译码驱动的电路中,R2的阻值分别是100K和1K,设计者的意图是什么? 都用1K行不行? 都用100K呢? 用1K时D1还有意义吗? 控制低电平的时间。 因为74LS48内部有限流电阻而没有内部锁存器,它的数码管数字显示不稳定,可能就对输出的结果有一定的影响。 都用1K不行,74LS48可能需要一个更长的低电平时间。 都用100K可以。 17、想一想怎么利用7490和改变闸门时间实现0.2Hz及0.5Hz的测量精度。
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