1、海 南 大 学课程设计报告课 程： 电子线路课程设计 题 目： 自动换挡数字频率计的设计 学 院： 信息科学技术学院 指导教师： 易家傅 自动换挡频率计设计摘 要数字频率计是主要用来显示被测频率的大小的装置，其广泛应用于许多设计复杂、功能多样的电子设备中，虽然其功能复杂，但是使用起来既简单又方便。本设计以纯电路方式来实现频率计的各项功能，主要涉及的是数字电子电路方面的知识。时基信号为 1MHz，采用晶振电路来实现；电路可以对输入的正弦信号、三角波信号整形成脉冲信号，以实现对其频率的测量；电路的自动换挡功能利用 74LS194 来实现，4 个档位（3 个发光二级管）来实现 1999KHz的测量，
2、当量程大于 1MHz，则显示溢出信号“F” ，示数的显示则采用由 3 个数码管组成的电路来实现；测量的数据误差保持在 1%之内，并具有自检功能。本电路的设计方案很好的实现了课程设计的要求，模块联系紧密，计数精确。关键词：晶振 整形 自动换挡 自检 74LS194AbstractA digital cymometer is the device which messure the frequency and widely used in many design complexity and feature-rich electronic devices. The design approach
3、to achieve pure frequency meter circuit of the function, mainly related to the digital electronic circuit knowledge. Time base signal is 1MHz, using crystal oscillator circuit to achieve; circuit on the input sinusoidal signal, the entire triangular wave signal and a pulse signal, in order to achiev
4、e their frequency of measurement; circuit features automatic shifting to achieve using 74LS194, 4 files bit (three light-emitting diodes) to achieve 1 999KHz measurements, when the range is greater than 1MHz, an overflow signal is “F“; measured data error remains within 1%, and has a self-test funct
5、ion. The circuit design to achieve a good curriculum design requirements, the module closely, count accurate.IKey words: crystal plastic automatic shift self-test 74LS194II目 录1 引 言 -12 课程设计的目的 -22.1 设计说明 -22.2 设计要求 -32.3 量程自动转换的数字式频率计的功能实现 -33 方案比较 -44 自动转换数字频率计电路系统设计 -54.1 电路框架图 -54.2 电路设计 -54.2.1
6、晶振信号电路 -54.2.2 分频器 -64.2.3 门控及时序控制电路 -84.2.4 自动换档电路 -94.2.5 计数、译码、显示电路 -105 测试数据和误差分析 -125.1 测试数据 -125.2 误差分析 -136 课程设计的收获、体会和建议 -146.1 课程设计的收获体会 -146.2 课程设计的建议 -147 附 录 -15参考文献 -1601 引 言在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达 1010E-13 数量级。因此，在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH 值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后
7、用数字频率计来测量，以提高精确度。国际上数字频率计的分类很多。按功能分类，因计数式频率计的测量功能很多，用途很广，所以根据仪器具有的功能，电子计数器有通用和专用之分。(1)通用型计数器：是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。它可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等；若配上相应插件，就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量；配上适当的传感器，还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。(2)专用计数器：指专门用来测量某种单一功能的计数器。如频率计数器，只能专门用来测量高频和微波频率；时间计数器，是以测量时间为基础的计数器，其测时分辨力和准确度很高，可达 ns
8、数量级；特种计数器，它具有特种功能，如可逆计数器、予置计数器、差值计数器、倒数计数器等，用于工业和白控技术等方面。数字频率计按频段可分为四类：低速计数器，最高计数频率10MHz；中速计数器，最高计数频率 10100MHz；高速计数器，最高计数频率100MHz；微波频率计数器，测频范围 180GHz 或更高。数字频率计将模拟电子电路和数字电子电路很好融合到一起，是一个将所学习的理论知识转化为实践的一个很好的载体。12 课程设计的目的本次课程设计主要是配合模拟电子技术和数字电子技术理论课程而设置的一门实践性课程，起到巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想的效果。2
9、.1 设计说明数字频率计用于测量正弦信号、矩形信号等波形的频率，其概念是单位时间里的脉冲个数，如果用一个定时时间 T 控制一个闸门电路，时间 T 内闸门打开，让被测信号通过而进入计数译码，可得到被测信号的频率 fx= ，若 T=1N秒，则 fx=N。原理图如图 2.1 所示。计数器锁存器译码器时钟电路 10进制分频器显示器整形正弦波矩形波自检控制电路闸门1s0.001s图 2.1 数字频率计原理框图22.2 设计要求基本部分(1) 被测信号的频率范围为 1Hz999KHz，分为 4 个档位：1Hz,10Hz,100Hz,1KHz。(2) 具有自检功能，即用仪器内部的标准脉冲校准测量精度。(3)
10、 用 3 为数码管显示测量数据，测量误差小于 10%。(4) 用 3 个发光二极管表示单位，分别对应 4 个高档位。(5) 具有自动换挡功能，即超量程能换高档，欠量程换低档。2.3 量程自动转换的数字式频率计的功能实现量程范围为 1MHz，量程分 1kHz、10kHz 、100kHz 和 1MHz（最大读数分别为 999HZ， 9.99kHz，99.9kHz，999kHz）。量程自动转换：(1)当读数大于 999 时，频率计处于超量程状态。此时显示器发出溢出指示（最高位显示 F，其余各位不显示数字），下一次测量时，量程自动增大一档。(2)读数小于 000 时，频率计处于欠量程状态。下次测量时，
11、量程自动减少一档。显示方式：(1)用记忆显示方式，即计数过程中不显示数据，待计数过程结束后，显示技术结果，并将此显示结果保持到下一次计数结束。显示时间不小于 1 秒。(2)小数点位置随量程变化自动移位。（仿真中用小灯表示）33 方案比较(1)基于单片机的数字频率计设计这种方案最大的好处就是硬件电路设计简单，容易制作 PCB 板，但是它的缺点也是明显的由于单片机本身晶振的问题，在测量高频时单片机难以胜任，在造价方面单片机也会相对高一些。(2)用纯硬件电路实现数字频率计的设计，这种方案虽然电路复杂，但测量范围大，精度高，造价低。综合上述两种方案在技术和经济方面的多重考虑，本设计采用第二种方案，并且
12、本课程为电子线路设计，主要锻炼我们数电与模电的知识，所以才有方案二更为合理。44 自动转换数字频率计电路系统设计4.1 电路框架图电路框架图如图 4.1 所示：图 4.1 量程自动转换的数字频率计的组成框图4.2 电路设计4.2.1 晶振信号电路为了得到高精度、高稳定度的时基信号，需要一个高稳定的高频信号源。产生此信号的电路如图 4.2 所示。图中的 R7，R8 为反馈电阻，为门电路提供合适的工作点，使其工作在线性状态。电容 C3 是耦合电容。采用 1MHz 的晶振，可以到到 1MHz 的振荡信号。输出波形如图 4.3。5图 4.2 石英晶体振荡器图 4.3 输出频率波形4.2.2 分频器分频
13、器电路（如图 4.4 所示）是由多级计数器完成，目的是得到不同的标准时基信号。采用 6 个十进制 74LS90 级联可获得时基为 1s，0.1s ，0.01s ，0.001s (对应的频率分别为 1Hz，10Hz ，100Hz， 1000Hz)。分频后波形如图4.5 所示。6图 4.4 分频器电路图 4.5 分频后输出波形74.2.3 门控及时序控制电路图 4.6 中 由双 JK 触发器构成门控电路（门控电路即提取连续时基信号中的单个高电平脉冲信号的电路），由 D 触发器构成的单稳态触发电路组成 4 时序控制电路。系统通电开始运行时 JK 触发器由 R2 和 C1 自动复位，门控电路开始工作，
14、提取计数时钟脉冲并让闸门开启和使计数器计数后触发时序控制电路，让系统中其他各个功能部分如：量程开关选择电路，译码电路，数码管显示电路、计数器清零和进退位信号锁存器按顺序工作，互不冲突干扰，此后，第 4 个 D 单稳触发器让门控电路复位，触发下一个计数时钟脉冲，即电路循环工作开始。时基信号、门控信号及显示、清零、等待信号的时序关系如图 4.7 所示。图 4.6 门控及时序控制电路8图 4.7 工作时序波形图4.2.4 自动换档电路换档电路由 74LS194（移位寄存器）、双 JK 触发器及门电路构成，图 4.8中 JK 触发器用作进退位信号锁存器，在图 4.9 计数器电路中有三位 10 进制数位
15、，最高位的状态（是否有计数或是否有溢出）作为进位、退位和保持的依据，其状态可用表 1 说明。表 1 JK 触发器 U8A，U8B 控制 74LS194 S0、S1 真值表（设 U8A 的 Q 端为 QA，U8B 的 Q 端为 QB）Qa(有溢出 ) Qb(有计数) S0 S1 74ls1940 0 0 1 左移0 1 0 0 保持1 1 1 0 右移74LS194 芯片脚 SR 接高电平、SL 接低电平，目的是让右移补充项是 1，左移补充项是 0。由于 74LS194 的 Q0、Q1、Q2、 Q3 并非单引脚高电平切换，为了让时基信号单通道（图 4.8 中 A，B，C，D 4 通道）选通，则需
16、要进行简单译码，译码真值表可见表 2。表 2 量程真值表74LS194 Q0 Q1 Q2 Q3 74LS138 对应频率范围 相应灯显示0 0 0 0 Y0 1999Hz 全不亮1 0 0 0 Y1 19.99kHz 灯 11 1 0 0 Y3 10kHz99.9kHz 灯 21 1 1 0 Y7 100kHz999kHz 灯 31 1 1 1 超出范围到 F 输出自动换档电路如图 4.8 所示：9图 4.8 自动换档电路图4.2.5 计数、译码、显示电路频率计的计数、译码、显示电路如图 4.9 所示。根据设计要求超出量程时高位显示 F，低位不显示，因此引入 74LS32 或门进行控制；由于需
17、要有小数点的自动换档显示，因此引入了三个 LED 管；计数器采用了 74LS90，将其接成十进制的计数器；BCD 管显示译码器选用 CD4511，CD4511 用于驱动共阴极LED 数码管，它是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的电路。其 LE 端是锁存控制端，当 LE=0 时选 通，LE=1 时锁存，故用 D 触发器 U25；A 控制LE。同时利用 D 触发器 U25：B 控制 LS90 的清零端。10图 4.9 计数、译码、显示电路设计的总电路图如图 4.10 所示：图 4.10 总电路图115 测试数据和误差分析5.1 测试数据实验测试数据如表 3 所示：表 3 测试数据实际数据 测量数
18、据 误差 误差百分比5Hz 5 Hz 0 0155Hz 154 Hz 1Hz 0.6%400Hz 396Hz 4Hz 1%515Hz 510Hz 5Hz 0.9%980Hz 976Hz 4Hz 0.4%1.5kHz 1.5kHz 0 03kHz 3kHz 0 04.5kHz 4.5kHz 0 05kHz 5kHz 0 09kHz 9kHz 0 012kHz 12.1kHz 100Hz 0.8%20kHz 20kHz 0 055kHz 55kHz 0 075kHz 75.1kHz 100Hz 0.1%95kHz 95.1kHz 100Hz 0.1%120kHz 121kHz 100Hz 0.08
19、%200kHz 200kHz 0 0350kHz 350kHz 0 0500kHz 500kHz 0 0950kHz 951kHz 100 0.1%1.5MHz F综观上述数据所有误差均在要求范围 10%之内，故此方案是可行的。125.2 误差分析表 4 误差分析表高位显示 可能误差（%）0 0 201 0.9 12 0.403 0.334 0.275 0.206 0.167 0.138 0.129 0.10由上述知：在高位数值较低时，低位浮动产生的误差较大。因此在上表中在高位数值较低时给予一个误差范围，在其他情况误差变化不大给予可能误差一个固定数值。另外，若为了得到高精度的测量数据，可引入修
20、改因子 对测量数据进行修正。修改因子 数值等同于可能误差，在高位为 0 或 1 时候对应取值为10%、 0.95%。考虑到测量值总比输入值大，误差为正，可以引入简单修正公式如下：修正值= 测量值/(+1)由误差=（测量值 -实际值）/实际值 类比得：修改因子 =（测量值-修改值）/修改值。从而得到修正公式。采用修正公式可以有效地减少误差，但是在高位较小时，采用修改因子进行修改精度较低。136 课程设计的收获、体会和建议6.1 课程设计的收获体会在之前的学习中，小组成员已经对设计软件比较熟悉。在设计早期，应用Proteus 软件完成对电路的设计。在前期的设计中本组对自动换挡方面的电路设计总是不理
21、想，但通过大家的共同讨论，以及与一些老师的交流，我们设计出了合适的电路。当我们把所设计的所有分块电路组合起来却出现了一些问题，这些问题可能是在设计之初没有考虑到全局的各各方面导致的。由于此时课程设计的时间已经所剩不多，另一方面由于期末考试即将来临，让小组各个成员感到非常大的压力。但是凭借对软件的掌握，对电路原理的透彻理解，让小组非常快地改进了电路。在新的电路原理中仅采用了两个 JK 触发器来替换原换挡电路，极其有效地减少了芯片的数量，提高了效率。在电路功能上，新的电路基本上完成了指标。让我们感到了成功的喜悦。通过该课程设计，小组成员对于数字电子技术的理论知识也有了更深厚的理解，并且体会到了在团
22、队中分工合作的重要性。6.2 课程设计的建议鉴于 Protus 对复杂电路的仿真速度很慢（特别是模拟电路），在进行仿真时可将省去晶振电路和分频电路而是直接由 Protus 所提供的信号发生器来提供信号，这样可以大大提高仿真速度。147 附 录实验仪器如表 5 所示：表 5 实验仪器表芯片名称 数量 芯片名称 数量共阴八段数码管 3 发光二极管 3CD4511 3 74HC00 374LS04 7 10MHz 晶振 174LS20 1 74LS08 274LS73 4 74LS32 474LS194 1 74LS90 9电阻 若干 电容 若干14 脚插槽 24 16 脚插槽 474LS138 115参考文献1阎石主编，数字电子技术基础，第四版，高等教育出版社，1998.2华成英主编，模拟电子技术基础，第四版，高等教育出版社，1998.3林占江主编，电子测量技术，电子工业出版社，2003.4吴丽华，童子权主编，电子测量电路，哈尔滨工业大学出版社，2004.5沙占友主编，新型专用数字仪表原理与应用，机械工业出版社，2006.
