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1、电子线路课程设计第 18 页 共 18 页电子线路课程设计报告简易数字频率计设计南京理工大学紫金学院电光系目 录1 引言12 方案论证12.1 测频原理12.2 原理框图23 电路设计23.1 电原理图23.2 工作原理24 电路仿真34.1 模电部分34.1.1 放大器单元34.1.2 带通滤波器单元44.1.3 电压比较器单元54.1.4 模电部分总原理图64.2 数电部分74.2.1 多谐震荡器单元74.2.2 单稳态触发器单元74.2.3 计数、译码驱动和显示单元84.2.4 数电部分总原理图95 电路安装105.1 元器件清单105.2 电路布局115.3 面包板使用方法115.4
2、电路芯片排列115.5 连接线116 电路调试126.1 实验仪器126.2 注意事项126.3 系统调试127 使用说明书137.1 技术参数137.2 测量方法13结 论14附录A 仿真总电路图15附录B 实际总电路图16附录C 实物照片17参考资料181 引言数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字，显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。本设计采用两
3、位数码管显示的简易的数字频率计。2 方案论证2.1 测频原理周期性信号在单位时间内重复出现的次数，称为电流/电压的频率。频率计又称为频率计数器，是一种专门对信号频率进行测量的电子测量仪器，不论频率计技术指标如何定义，其基本工作原理都类似，频率测量原理如图2.1。图2.1 频率测量基本原理图若在一定的时间间隔T内的计得这个周期性信号的重复次数为No时，则被测信号的频率F为：F = No/T式中：F为频率，单位为Hz。No为计数器计数值，计数器计数定时时间为T。一般的数字式频率计主要由四个部分构成：输入电路、闸门电路，计数显示电路和控制电路，频率和周期测量原理框图如图2.2。图2.2 频率和周期测
4、量原理方框图在一个频率测量的周期过程中，被测频率信号在输入电路中经过放大、滤波和整形、形成特定的被测脉冲，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（定时计数信号）。在闸门脉冲开启主门的期间，特定的被测脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。2.2 原理框图简易数字式频率计主要由输入信号调理器、闸门电路，计数、译码、显示、清0、时基和逻辑控制电路等组成，原理框图如图2.3。LED显示被测信号计数、译码信号调理器时基信号发生器清零电路闸门信号产生图2.3 简易
5、数字式频率计方框图3 电路设计3.1 电原理图基于模电、数电的数字频率计电原理图如图3.1。图3.1 简易频率计电原理图3.2 工作原理如图3.1，本设计主要包括电压放大器、有源带通滤波器、比较器、单稳电路、闸门信号发生器、计数、译码驱动、显示、时基和逻辑控制电路等。（1）输入信号通过放大器放大，有源带通滤波器选频，电压比较器整形后，频率计进行测频。（2）由NE555产生周期约2s的时基信号，是频率计的主要工作时序，在该信号的一个周期的时间内，频率计可以完成清零，计数、显示和计数结果保持，在下一周期时重复上述过程。简易频率计工作波形示意图如图3.2。图3.2 简易频率计工作波形示意图（3）用N
6、E555时基信号发生器产生的周期信号的上升沿，触发由74LS123电路构成的单稳态发生器1，产生对计数器清零的脉冲信号，使计数器在工作前归零，该脉冲信号的宽度一般约1ms左右，由该单稳态电路的RC参数值决定。（4）计数器清零后，需要一个闸门信号控制计数器的计数，用清零脉冲信号的下降沿，触发另一个单稳电路2，从而产生一个标准的1s闸门信号。在该闸门信号持续时间内，计数器可以计数，频率计完成对被测信号的测频。闸门信号的宽度为1s左右，由单稳态电路2的RC参数值决定。（5）二级十进计数器电路由两个74LS160组成，译码驱动与显示电路由74LS47和七段共阳级数码管组成。4 电路仿真4.1 模电部分
7、4.1.1 放大器单元该放大器可以把技术指标规定的输入信号放大到足够的电平，以驱动后面的电压比较器，放大器可采用OP07集成运放，如图4.1所示。图4.1放大器电路参数计算：电压放大倍数uo=（1+ ）ui波形如图4.2。图4.2放大器电路波形图4.1.2 带通滤波器单元带通滤波电路的设计中心频率为1KHz左右，通带宽度BW=100Hz左右。巴特沃斯滤波器：特点是带内带外最佳平稳，但低阶的过度带比较宽。切比雪夫滤波器：特点是过度带可以很窄，但带内带外幅频震荡比较严重。带通滤波器电路如图4.3。带通滤波器中心频率和带宽的调整：带通滤波器的中心频率和带宽主要是由滤波器中RC元件参数确定，通常可先选
8、定电容器C值，再调节电阻阻值，一般可采用电位器调节。带通滤波器采用集成运放OP07。图4.3带通滤波器电路参数计算：通频带低频fH= 高频fL= 波形如图4.4。图4.4带通滤波器电路波形图4.1.3 电压比较器单元电压比较器电路如图4.5，电压比较器的主要作用是把输入模拟信号转换成数字信号，使计数器可以对输入信号正确计数，电压比较器参考端的基准电压调整为1.0V左右，当输入端电压大于参考端电压时，该比较器电路实现翻转，完成对输入信号的整形。电压比较器可采用LM339，该芯片中含四个独立的比较器电路，由于其输出端为集电极开路，必须外接4K7上拉电阻才可正常工作。图4.5 电压比较器电路参数计算
9、：参考电压u= VCC波形如图4.6图4.6电压比较器电路波形图4.1.4 模电部分总原理图模电部分总原理图如图4.7。图4.7 模电部分总原理图波形如图4.8。图4.8模电部分总原理图波形图4.2 数电部分4.2.1 多谐震荡器单元时基信号电路主要采用NE555集成电路构成的多谢振荡器实现，时基信号周期不小于2秒左右，时基信号电路及工作波形图如图4.9。图4.9多谢振荡器电路参数计算：振荡周期T=0.7(R1+2R2)C1波形如图4.10。4.10多谢振荡器电路波形图4.2.2 单稳态触发器单元清零和1s定时器均由74LS123构成的单稳态触发器实现，74LS123内部含两个独立的单稳态电路
10、，图4.11为由74LS123单稳态电路构成的计数定时器和计数器清零电路。图4.11 单稳态电路参数计算：暂稳态持续时间清零T1=0.7R1C1计数T2=0.7R2C2波形如图4.12。图4.12 单稳态电路波形图4.2.3 计数、译码驱动和显示单元计数、译码驱动和显示电路可分别采用74LS160、74LS47和LED七段共阳级数码管。74LS47译码驱动的输出是低电平有效，由74LS160组成的十进计数器电路如图4.13。图4.13计数、译码驱动和显示电路4.2.4 数电部分总原理图数电部分总原理图如图4.14。图4.14 数电部分总原理图5 电路安装5.1 元器件清单（1）电阻编号型号数量
11、备注151(绿棕黑金)2数码管限流221k(棕黑红金)4比较器+，比较器-、发光二极管限流234.7k(黄紫红金)4比较器-、放大器1-和放大器1+，比较器上拉410k(棕黑橙金)3555时基电路2，清零电路1515k(棕绿橙金)2带通滤波器2630k(橙黑橙金)2带通滤波器，定时电路751k(绿棕橙金)2放大器2-、带通滤波器8100k(棕黑黄金)1带通滤波器（2）电容编号型号数量备注1电容1032带通滤波器2电容1041555时基电路3电容4.7uf1清零电路4电容47 uf1定时电路5电容100uf1555时基电路（3）集成电路编号型号数量备注1OP072放大器、带通滤波器DIP-82L
12、M3391电压比较器DIP-143LM5551555时基电路DIP-8474LS1231单稳态触发器DIP-16574LS1602同步十进制计数器DIP-16674LS472译码驱动DIP-16（4）其它编号型号数量备注1发光二极管2红、黄555时基电路2LED七段共阳数码管2显示3黄线5、红线1、绿线1、黑线1。5.2 电路布局电路设计完毕，在面包板上搭接电路之前，首先要考虑本设计信号的基本走向和各元器件在面包板上的相应位置，合理的元器件布局可以方便连线、减小干扰和有利电路调试，面包板上电路元器件布局参考图如图5.1。图5.1 面包板电路元器件布局参考图5.3 面包板使用方法本面包板由四块彼
13、此独立的单元模板组合而成。红线贯通，一般可作为+电源线，蓝线贯通一般可作为地线。模块分割槽：DIP封装的集成电路管脚中心线（芯片缺口）对准分割槽插下。面包板分割槽水平方向上的小孔彼此都不通，面包板分割槽纵向方向上的小孔彼此都相通。5.4 电路芯片排列注意信号流向和芯片管脚的一致性，留有彼此连线的空间，显示器的排列要符合视角观察要求。5.5 连接线连接线要做到平直、有序、尽可能短、牢靠和美观，要方便调试，便于查看、分断和分辨。6 电路调试6.1 实验仪器万用表：一只；示波器：一台；稳压电源：一台；函数信号发生器：一台；连接线若干。6.2 注意事项在电路调试之前要注意以下事项：（1）检查芯片位置方
14、向，检查芯片电源和地连线正确。（2）检查各芯片和器件的连接线是否正确。（3）检查LED数码管各个管脚连线是否正确。（4）放大器电路采用5V供电，数字电路电压为+5V。6.3 系统调试为简化和方便整体电路的调试工作，可根据每一个单元电路的技术要求进行相对独立的调试，每部分电路工作正常后，再进行其它电路的调试工作。（1）放大器特性测试保持信号源的正弦信号为峰-峰值300mV，频率为10Hz10KHz，加至放大器输入端，用示波器观察放大器的输入和输出端信号波形，调整放大器放大倍数为28。（2）滤波器特性测试调整正弦输入信号为频率为10Hz10KHz，信号幅度为峰-峰值500mV：用示波器观察输入信号
15、和滤波器输出端信号的幅度差异，测出-3dB带通滤波电路幅频特性曲线。（3）电压比较器性能测试在电压比较器的信号输入端，保持输入正弦信号频率为1KHz，峰-峰值为1.5V，调整电压比较器参考电压端的基准电压，用示波器观察电压比较器输出端应出现具有TTL电平的1KHz脉冲信号（TTL电平）。（4）计数器电路计数器电路在不加输入时基信号时，计数器、译码驱动和数码管电路如接线正确，数码管应该显示00，否则检查连接或更换器件。（5）时基信号电路性能测试用示波器观察NE555电路输出端，电路正常时，应输出低频方波信号，占空比为50%。一般电容取值100uF，调节R值，可以得到理想波形。（6）计数器清零和计
16、数闸门信号性能测试计数器清零和计数闸门电路均采用单稳态电路构成，74LS123内部含两个独立的单稳态电路，可以分别产生计数器清零脉冲和计数闸门信号。采用NE555电路的时基信号上升沿，作为清零信号电路的输入触发信号，清零信号的宽度由R、C值确定，一般调节为1mS左右。清零信号加到计数器的清零端。用清零信号的下降沿，作为计数闸门电路的输入触发信号，计数闸门信号的宽度由R、C值确定，一般调节为1S左右，用示波器观察74LS123单稳电路的输入和输出端，应有周期变化的脉冲波形。计数闸门信号应加到计数器的计数控制端。7 使用说明书7.1 技术参数（1）输入信号：正弦、三角和方波；频率：1Hz10KHz
17、；幅度：峰-峰值0.3 V 3V；（2）频率计通带：100Hz2KHz（经过计算实际为530 Hz1061Hz）； （3）量程范围：099；（4）闸门时间：1s（经过计算实际为0.987s）；（5）采样周期：2s（经过计算实际为2.1s）。7.2 测量方法在面包板的地线端口接电源地线，在面包板的+5V端口接电源+5V，在面包板的-5V端口接电源-5V，在面包板的信号的输入端口接函数信号发生器输入。一段时间后数码管显示为函数信号发生器频率的后两位（近似值），可以实现自动测频、数据显示和保持、自动清零等功能。结 论电子线路课程设计把实践与理论有效地结合在一起，这次课程设计使我们对理论知识有了进一步
18、的了解，同时加强了自己的动手能力。通过这次的课程设计，发现以前学过的东西忘记很多，后把教材复习一下，加深了印象。这次课程设计，使我知道，光学习不动手是没有用的，动手能力是很重要的。现对本次课程设计总结如下：（1）要对课程设计任务书理解透彻，明确各个芯片的联系。（2）理解实验原理，设计各个单元电路。（3）使用Multisim10.1软件进行各个单元电路进行仿真，得出仿真波形。（4）分析仿真结果，调整参数得到近似的结果（仿真软件时间单位为毫秒级，与实际电路参数相差甚远）。（5）根据现有元器件，使用面包板搭出实际电路。（6）先对单元电路进行测试，测量实际的波形，得出应有的现象。再进行模电部分，数电部
19、分调试，最后进行系统总调。（7）改进自己的电路，实现部分功能创新。附录A 仿真总电路图附录B 实际总电路图附录C 实物照片此照片为未调试之前所拍摄，后做小幅度改动。参考资料1 谢自美电子线路综合设计武汉：华中科技大学出版社20062 郭勇余小平电子系统综合设计北京：北京大学出版社20073 蒋立平数字逻辑电路与系统设计.：北京：电子工业出版社20084 高吉祥电子技术基础实验与课程设计(2版).北京：电子工业出版社.20055 杨刚电子系统与实践北京：电子工业出版社20036 谢自美电子线路设计实验测试（第二版）武汉：华中科技大学出版社20007 胡宴如耿苏燕模拟电子技术基础北京：高等教育出版社20038 杨吉祥詹宏英电子测量技术基础南京：东南大学出版社19999 周文良电子电路设计与实践.北京：国防工业出版社2011.110 王松武电子创新设计与实践北京：国防工业出版社2010511 刘霞等电子设计与实践北京：电子工业出版社2009.412元红妍张鑫电子综合设计实验教程济南：山东大学2005.7