電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告 (2)

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1、海南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目: 自動(dòng)換擋數(shù)字頻率計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：___11級(jí)通信工程2班_____ _ 姓名：_______ ____ ________ 同組員： 學(xué)號(hào)：_____ _____ 指導(dǎo)教師：_______易家傅___________ 目錄 一、設(shè)計(jì)目的………………………………………………1 二、設(shè)計(jì)目標(biāo)………………………………………………1 1、 整體功能要求 2、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求 3、 電氣指標(biāo) 三、

2、方案比較………………………………………………2 四、理論分析………………………………………………3 1、 基本原理 2、 整體框圖 五、單元電路設(shè)計(jì)和整體電路圖…………………………5 1、 時(shí)基電路設(shè)計(jì) 2、 閘門(mén)電路設(shè)計(jì) 3、 分頻器的設(shè)計(jì) 4、 控制信號(hào)產(chǎn)生電路 5、 計(jì)數(shù)、鎖存、顯示電路設(shè)計(jì) 6、 換擋電路設(shè)計(jì) 7、 量程顯示電路設(shè)計(jì) 8、 整體電路圖 六、電路仿真結(jié)果記錄及分析……………………………10 七、元器件列表……………………………………………11 八、心得體會(huì)………………………………………………11 自動(dòng)換擋型數(shù)

3、字頻率計(jì) 一、 設(shè)計(jì)目的 本次課程設(shè)計(jì)主要是配合《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》理論課程而設(shè)置的一門(mén)實(shí)踐性課程，起到鞏固所學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)綜合能力，培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)能力，提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。 二、 設(shè)計(jì)目標(biāo) 1、整體功能要求 頻率計(jì)主要用于測(cè)量正弦波、矩形波等周期信號(hào)的頻率值。 2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求 數(shù)字頻率計(jì) （自動(dòng)換擋） 自動(dòng) 輸入信號(hào) 顯示結(jié)果 數(shù)字頻率計(jì)的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測(cè)信號(hào)為外部信號(hào)，送入測(cè)量電路進(jìn)行處理、測(cè)量，自動(dòng)換擋指的是超量程自動(dòng)換高檔，低量程自動(dòng)換低檔。

4、 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3、電氣指標(biāo) （1）被測(cè)信號(hào)波形：正弦波、矩形波。 （2）被測(cè)信號(hào)的頻率范圍：1Hz~999KHz，共分為4個(gè)檔位： 1Hz檔位： 1Hz~999HZ 10Hz檔位： 10Hz~9.99KHZ 100Hz檔位： 100Hz~99.9KHZ 1000Hz檔位：1KHz~999KHZ （3）測(cè)量精度：用3位數(shù)碼管顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，1位數(shù)碼管顯示檔位。測(cè)量誤差小于1%。 （4）具有自檢功能，即用儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)脈沖

5、校準(zhǔn)測(cè)量精度。 （5）具有自動(dòng)換擋功能，即超量程能換高檔，欠量程換低檔。 三、方案比較 方案一： 1、采用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ的脈沖信號(hào)，然后在通過(guò)三個(gè)十進(jìn)制分頻器產(chǎn)生100HZ、10HZ、1HZ的脈沖信號(hào)，用74LS151選擇器選擇閘門(mén)信號(hào)。 2、利用二輸入端四與非施密特觸發(fā)器74LS132作為控制電路產(chǎn)生清零、 鎖存、計(jì)數(shù)信號(hào)來(lái)控制電路分別輸入到計(jì)數(shù)器和鎖存器的對(duì)應(yīng)端口。 3、采用4518十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，送到譯碼器4511BD，4511BD不僅可 以把十進(jìn)制譯成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制，還具有鎖存的功能，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)

6、碼管 就不會(huì)一直閃，等計(jì)數(shù)完成鎖存的是最終結(jié)果。 4、顯示器使用三個(gè)數(shù)碼管，當(dāng)測(cè)量的頻率從999HZ升到1000HZ以后， 個(gè)位數(shù)就被四舍五入了，即產(chǎn)生了誤差，而且量程越大誤差也越大。 5、自動(dòng)換擋選用74160N作為自動(dòng)換擋的核心，A,B,C,D四個(gè)信號(hào)輸入端 全部接地信號(hào)輸入數(shù)字頻率計(jì)后，從最低檔開(kāi)始計(jì)數(shù)，換擋信號(hào)由計(jì)數(shù)部分的最高位 所用的4518芯片最高位進(jìn)位輸出信號(hào)作為換擋部分的CLK信號(hào)。 方案二： 1、采用晶體振蕩器產(chǎn)生8Mhz的脈沖信號(hào)。 2、用三個(gè)JK觸發(fā)器74HC73使閘門(mén)信號(hào)發(fā)生不同的延時(shí)再加上幾個(gè)非

7、門(mén)分別產(chǎn)生清零、計(jì)數(shù)、鎖存信號(hào)。 3、 把鎖存和譯碼分開(kāi)，用HEF404BT做鎖存器、4511BT做譯碼器。 4、 自動(dòng)換擋部分使用幾個(gè)與非門(mén)進(jìn)行組合，鑒別信號(hào)，自動(dòng)換擋 方案三： 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)——這種方案最大的好處就是硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易制作PCB板，但是它的缺點(diǎn)也是明顯的由于單片機(jī)本身晶振的問(wèn)題，在測(cè)量高頻時(shí)單片機(jī)難以勝任，在造價(jià)方面單片機(jī)也會(huì)相對(duì)高一些。 方案選擇：根據(jù)給出的所有元器件，最終選擇了方案二。此方便較易于理解，而且譯碼器4511自帶有鎖存功能，減少了對(duì)三個(gè)計(jì)數(shù)器輸出進(jìn)行鎖存時(shí)的成本。 方案選擇：因此，我們選用方案二。 四、理論分析 1

8、、 基本原理 數(shù)字頻率計(jì)用于測(cè)量正弦信號(hào)、矩形信號(hào)等周期信號(hào)波形的頻率，其概念是單位時(shí)間里的脈沖個(gè)數(shù)，如果用一個(gè)定時(shí)時(shí)間T控制一個(gè)閘門(mén)電路，時(shí)間T內(nèi)閘門(mén)打開(kāi)，讓被測(cè)信號(hào)通過(guò)而進(jìn)入計(jì)數(shù)譯碼，可得到被測(cè)信號(hào)的頻率fx=，若T=1秒，則fx=N。 （1）控制電路原理： 控制電路里面要產(chǎn)生計(jì)數(shù)清零信號(hào)和鎖存控制信號(hào)，清零開(kāi)始鎖存開(kāi)始，清零結(jié)束計(jì)數(shù)開(kāi)始，計(jì)數(shù)結(jié)束鎖存結(jié)束，控制電路還要包括自動(dòng)換擋。 （2）計(jì)數(shù)顯示電路原理： 在閘門(mén)電路導(dǎo)通的情況下，開(kāi)始計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)中有多少個(gè)上升沿。在計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，此時(shí)要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字。 （4）自動(dòng)換擋原理

9、考慮到控制信號(hào)（超量程、欠量程、不超不欠）有3種狀態(tài)，所以要用2位輸入信號(hào)表示，假設(shè)x=10、11（超量程），x=00（欠量程），x=01（不超不欠）；狀態(tài)S0~S3分別表示1秒~0.001秒擋位，用2位輸出表示y=00,y=01,y=10,y=11。得到以下?tīng)顟B(tài)圖。之后我們可以根據(jù)狀態(tài)圖列出真值表，然后用卡諾圖化簡(jiǎn)后得到電路圖。 X=01 X=00 x=01 S1 S0 X=10、11

10、 X=00 X=10、11 x=00 X=01 x=01 S3 S2 X=10、11 X=00 狀態(tài)變換圖表 AB Q1Q0 00 01 11 10 00 00 00 xx 01

11、01 00 01 xx 10 11 10 11 xx 11 10 01 10 xx 11 卡諾圖化簡(jiǎn)： Q1* AB Q1Q0 00 01 11 10 00 0 0 x 0 01 0 0 x 1 11 1 1 x 1 10 0 1 x 1 Q1*=Q1(Q0+B+A)+Q1’Q0A J1=((Q0A)’)’ K1=(((Q0’A’)’)’A’)’

12、 Q0* AB Q1Q0 00 01 11 10 00 0 0 x 1 01 0 1 x 0 11 0 1 x 1 10 1 0 x 1 Q0*=Q0(B+Q1A)+Q0’(A+Q1A+Q1B’) J0=(A’(Q1B’)’)’ K0=((B’(Q1A)’)’)’ 2、整體框圖 計(jì)數(shù)器 鎖存器 譯碼器 時(shí)鐘電路 10進(jìn)制分頻器 顯示器 整形 正弦波 矩形波 自檢 控制電路 閘門(mén)

13、 1s 0.001s 數(shù)字頻率計(jì)原理框圖 五、單元電路設(shè)計(jì)和整體電路圖 1、時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路方案的選擇是保證測(cè)量精度的關(guān)鍵，因此考慮使用石英晶振電路。 2、閘門(mén) 閘門(mén)可以用邏輯門(mén)4011來(lái)實(shí)現(xiàn)。 3、分頻電路 分頻器采用12位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器HEF4040與六個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器4518組成。 分頻器就是把高頻時(shí)鐘信號(hào)降低，變成原頻率1/N的器件，N是分頻系數(shù)（為正整數(shù)）。 以用計(jì)數(shù)器加與門(mén)（或與非門(mén)）搭成。如果是簡(jiǎn)單的2分頻、4分頻、8分頻、16分頻......

14、等分頻系數(shù)為2的n次方的情況，可以不需要與門(mén)，只用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器就能完成分頻。 4052選擇器的真值表： X=X0(A’B’)+X1(A’B)+X2(AB’)+X3(AB) A B X 0 0 X0 0 1 X1 1 0 X2 1 1 X3 4040十二位分頻器： 10端輸入： 輸出端的7號(hào)引腳 4分頻 輸出端的6號(hào)引腳 8分頻 輸出端的5號(hào)引腳 16分頻 輸出端的3號(hào)引腳 32分頻 輸出端的2號(hào)引腳 64分頻 輸出端的4號(hào)引腳 128分頻 輸出端的13號(hào)引腳 256分頻 輸出端的12號(hào)引腳 5

15、12分頻 信號(hào)從10號(hào)引腳輸入，7號(hào)腳為4分頻輸出，6號(hào)腳為8分頻輸出，5號(hào)腳為16分頻輸出，3號(hào)腳為32分頻輸出，2號(hào)腳為64分頻輸出，4號(hào)腳為128分頻輸出，13號(hào)腳為256分頻輸出，12號(hào)腳為512分頻輸出。 分頻器電路圖 4、控制信號(hào)產(chǎn)生電路 把閘門(mén)信號(hào)輸?shù)?040的CLK端，把4040的輸出端A、B輸?shù)?518的輸入端，其輸出就能產(chǎn)生計(jì)數(shù)、鎖存、換擋、清零控制信號(hào)。同時(shí)在七段數(shù)碼顯示管顯示當(dāng)前檔位。 控制信號(hào)產(chǎn)生電路 附：JK觸發(fā)器的真值表： J K Q Q’ 0 0 0 0 0

16、0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 5、計(jì)數(shù)、鎖存、顯示電路 如圖4所示，由于題目所要求的數(shù)碼管數(shù)量和檔位設(shè)置計(jì)數(shù)部分我們采用了三個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器4518鎖存部分用了三個(gè)4511，顯示部分用了三個(gè)7段數(shù)碼管。三個(gè)4518的ENP和ENT端均同時(shí)接計(jì)數(shù)器CP信號(hào)，LOAD端均接高電平，CLR均接清零信號(hào)，第一個(gè)4518的CLK端接的是通過(guò)閘門(mén)的被測(cè)信號(hào)，而第一個(gè)4518的進(jìn)位輸出RCO端接到第二個(gè)的CLK端，第二個(gè)的RCO端則接到第三個(gè)的CLK端。當(dāng)被測(cè)信號(hào)進(jìn)入

17、閘門(mén)接到第一個(gè)4518的CLK端且CP為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，鎖存部分的4511BD兼有鎖存和譯碼的功能，LE端均接鎖存信號(hào)，BI、LT端均接高電平，4511BD的輸入端為4個(gè)二進(jìn)制數(shù)通過(guò)譯碼后輸出高低不同的電平接至數(shù)碼管控制LED燈的亮與暗而使數(shù)碼管顯示不同的十進(jìn)制數(shù)。 計(jì)數(shù)、鎖存、顯示電路 其元件的真值表如下： CD4511真值表 4518真值表： E CLK 觸發(fā) 輸出 高電平 輸入端 高電平 Q0—Q3 輸出信號(hào) 低電平 低電平 Q0---Q3 6、 自動(dòng)換擋電路 考慮到控制信號(hào)（超量程、欠量程、不超不欠）有3種狀態(tài)，所以

18、要用2位輸入信號(hào)表示，假設(shè)x=10、11（超量程），x=00（欠量程），x=01（不超不欠）；狀態(tài)S0~S3分別表示1秒~0.001秒擋位，用2位輸出表示y=00,y=01,y=10,y=11。得到以下?tīng)顟B(tài)圖。之后我們可以根據(jù)狀態(tài)圖列出真值表，然后用卡諾圖化簡(jiǎn)后得到電路圖。 X=01 X=00 x=01 S1 S0 X=10、11

19、 X=00 X=10、11 x=00 X=01 x=01 S3 S2 X=10、11 X=00 設(shè)計(jì)流程： 第一步：首先根據(jù)4518的輸出，我們發(fā)現(xiàn)在次高檔和高檔頻率的計(jì)數(shù)器要進(jìn)位時(shí)其輸出Q3會(huì)由1至0出現(xiàn)下降沿脈沖，將其作為自動(dòng)換擋模塊的觸發(fā)脈沖來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)選擇器選檔。 第二步：假設(shè)高檔和次高檔的進(jìn)位設(shè)為C1C0，C1C0=11

20、時(shí)，表明信號(hào)頻率超量程；C1C0=00,時(shí)，信號(hào)頻率欠量程；C1C0=01時(shí)，信號(hào)頻率不超不欠。 C1C0 X1X0 量程范圍 關(guān)系 C1=X1 C0=X0’ 11 10 超量程 00 01 欠量程 01 00/11 不超不欠 第三步：根據(jù)上面主要思想的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，我們可以畫(huà)出AB和Q1Q0之間關(guān)系的卡諾圖。見(jiàn)下表： 狀態(tài)變換圖表 AB Q1Q0 00 01 11 10 00 00 00 xx 01 01 00 01 xx 10 11 10

21、 11 xx 11 10 01 10 xx 11 卡諾圖化簡(jiǎn)： Q1* AB Q1Q0 00 01 11 10 00 0 0 x 0 01 0 0 x 1 11 1 1 x 1 10 0 1 x 1 Q1*=Q1(Q0+B+A)+Q1’Q0A J1=((Q0A)’)’ K1=(((Q0’A’)’)’A’)’

22、 Q0* AB Q1Q0 00 01 11 10 00 0 0 x 1 01 0 1 x 0 11 0 1 x 1 10 1 0 x 1 Q0*=Q0(B+Q1A)+Q0’(A+Q1A+Q1B’) J0=(A’(Q1B’)’)’ K0=((B’(Q1A)’)’)’ 根據(jù)以上的各邏輯式與JK觸發(fā)器的特性方程對(duì)照，則得出各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程： J1=((Q0A)’)’ J0=(A’(Q1B’)’)’ K1=(((Q0’A’)’)’A’)’

23、 K0=((B’(Q1A)’)’)’ 由上三步驟的分析畫(huà)出自動(dòng)換擋控制電路的邏輯圖如圖以下： 自動(dòng)換擋電路 7、 量程顯示電路 8、 將數(shù)據(jù)選擇器的AB擋作為量程顯示的輸入端 8、總電路圖 六、 電路仿真結(jié)果記錄及分析 仿真結(jié)果如下圖： 輸入信號(hào)186HZ 輸

24、入信號(hào)186kHZ 七、 元器件列表 74HC73 雙JK觸發(fā)器 CD4011 與非門(mén) CD4069 六反相器 HEF4040BT 三態(tài)RS鎖存器 HEF4511BT BCD制7段鎖存器 HEF4518B BCD計(jì)數(shù)器 4052 4選1數(shù)據(jù)選擇器 八、 心得體會(huì) 經(jīng)過(guò)不斷的努力研究，我們小組終于順利設(shè)計(jì)出了數(shù)字頻率計(jì)。這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，每一次的小小突破，都給我們帶來(lái)巨大的喜悅，真可謂皇天不負(fù)苦心人，一個(gè)星期來(lái)的汗水沒(méi)有白流。這次課程設(shè)計(jì)給了我們一次鍛煉自己，提高自己動(dòng)手和思考分析以及解決問(wèn)題的能力，我們不僅收獲了做電路設(shè)計(jì)和仿真上

25、的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也收獲到享受成功時(shí)的那份心情，從苦到甜。三個(gè)星期中，我們?yōu)樽约旱淖髌窂U寢忘食，但樂(lè)在其中、無(wú)怨無(wú)悔。從老師布置題目的第一天起，我們不是在不停地收集和翻閱資料就是在宿舍搞仿真，工作量之大前所未有，以往的實(shí)驗(yàn)都是在老師的指導(dǎo)下完成，可這次實(shí)驗(yàn)主要靠的就是自己的能力，查閱資料，訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，跑圖書(shū)館，咨詢(xún)老師和同學(xué)，可謂八仙過(guò)海各顯神通。 經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們系統(tǒng)地利用了電路，模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的知識(shí)，將三門(mén)學(xué)科有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng)我們的理論知識(shí)，因?yàn)樵谡n堂上我們只是學(xué)習(xí)單一的一門(mén)學(xué)科，沒(méi)有將幾門(mén)學(xué)科結(jié)合起來(lái)，雖然各自的學(xué)科學(xué)習(xí)掌握的情況還不錯(cuò)，但是一旦遇到需要綜合應(yīng)用各個(gè)

26、學(xué)科的知識(shí)時(shí)，我們通常會(huì)表現(xiàn)的手足無(wú)措。實(shí)驗(yàn)中我們體會(huì)到了掌握基礎(chǔ)知識(shí)的重要性，基礎(chǔ)知識(shí)可以讓我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中得心應(yīng)手而不是知其然而不知其所以然，運(yùn)用時(shí)糊糊涂涂造成麻煩。 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我們深深體會(huì)到自己實(shí)際動(dòng)手能力方面的不足，經(jīng)過(guò)這次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)我們的考驗(yàn)，我們學(xué)會(huì)了運(yùn)用很多以前學(xué)過(guò)的知識(shí)，去實(shí)現(xiàn)我們想要做的東西；我們也學(xué)會(huì)了執(zhí)著與堅(jiān)持，因?yàn)橐氆@得成功就得需要很強(qiáng)的毅力。 當(dāng)然最重要的是我們小組團(tuán)結(jié)一致，兩個(gè)人在一起研究和思考，一起提出意見(jiàn)和方法，然后討論出最佳的方案去設(shè)計(jì)，這才是我們成功的關(guān)鍵所在。希望以后能有這樣更多的機(jī)會(huì)來(lái)鍛煉我們，因?yàn)槲覀兯鶎W(xué)的東西要理論與實(shí)踐相結(jié)合的話，需要不斷的去實(shí)踐，在實(shí)踐中找到自己的不足之處，然后有目的的去糾正，這樣學(xué)到的東西才真正有價(jià)值。 雖然我們的作品還存在很多不足，我們做出實(shí)物也有1%的誤差，但是我想這對(duì)提高我們的動(dòng)手能力還是有很大的幫助。很感謝這次的實(shí)驗(yàn)，我們獲益匪淺。