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學號
課程設計
（ 2021級本科）
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二 〇 二 四 年 月 設計依據： 數字頻率計通過在一定時間間隔T內計數周期性信號的重復變化次數N，來計算頻率，公式為 f = N/T 。這要求頻率計能夠準確地產生時間基準信號，并能將被測信號轉換為可以計數的脈沖信號。一個典型的數字頻率計包括放大整形電路、閘門電路、計數器電路、鎖存器、時基電路、邏輯控制、譯碼顯示電路等部分。這些組成部分共同工作，實現對輸入信號頻率的測量。在設計過程中，選擇合適的元器件至關重要。例如，計數器和定時器的選擇會影響測量精度和響應速度。信號整形電路通常采用比較器實現，而顯示電路可以采用LED數碼管、LCD等顯示器件。設計時需要確定數字頻率計的測量范圍和精度。測量范圍決定了頻率計能夠測量的最低頻率和最高頻率，而精度則決定了測量的準確性。 設計內容及要求： 數字頻率計采用數字集成電路設計實現數字頻率計，采用虛擬仿真軟件進行仿真調試并采用Protel 99/AltiumDesigner軟件繪出硬件電路圖和PCB版圖。 設計要求： (1) 說明頻率計電路的工作原理； (2) 該頻率計能夠檢測出輸入的正弦波、三角波和方波信號頻率，并在LED上顯示該波形頻率；測量頻率范圍為0-9999Hz； (3) 最大讀數為9999Hz，閘門信號采樣時間為1s； (4) 測量誤差小于±0.1%； (5) 分析影響頻率測量的因素； (6) 添加其它功能（可選） (7) 采用虛擬軟件進行仿真調試。 (8)采用Protel 99/Altium Designer軟件繪制PCB版圖。
摘要 數字頻率計是直接用十進制的數字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置，它可以測量正弦波、方波和三角波。所謂頻率就是在單位時間（1s）內周期信號的變化次數。若在一定時間間隔T內測得周期信號的重復變化次數為N，則其頻率為f=N/T。 數字頻率計主要由555單穩態電路（時基電路）、計數器芯片74LS160D （計數電路）和譯碼芯片74LS48D和數碼管（譯碼顯示電路）構成。 脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測信號的頻率fX。，時間基準信號發生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則們控電路的輸出信號持續時間亦準確的等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數器譯碼顯示電路。秒信號結束時閘門關閉，技計數器得的脈沖數N是在1秒時間內的累計數，所以被測頻率fX=·N·Hz。 時基信號發生器提供標準的時間脈沖信號，其高電平持續時間為1S。在時基脈沖的上升沿到來，計數器開始計數，并把計數結果輸送到譯碼器來控制七段顯示器，這樣就可以得到被測信號的數字顯示的頻率。 關鍵詞：555單穩態電路、計數器芯片74LS160D、譯碼芯片74LS48D、數碼管 目錄
1. 概述 在電子技術中，頻率是最基本的參數之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種，其中數字計數器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現測量過程自動化等優點，是頻率測量的重要手段之一。其原理為通過測量一定閘門時間內信號的脈沖個數。本文闡述了設計了一個簡單的數字頻率計的過程。頻率計的基本原理是用一個頻率穩定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內待測信號的脈沖個數，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本文。數字頻率計是用數字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。電子系統非常廣泛的應用領域內，到處可見到處理離散信息的數字電路。數字電路制造工業的進步，使得系統設計人員能在更小的空間內實現更多的功能，從而提高系統可靠性和速度。如配以適當的傳感器，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉速，聲音的頻率以及產品的計件等等。因此，數字頻率計是一種應用很廣泛的儀器。數字集成電路廣泛用于計算機、控制與測量系統，以及其它電子設備中。一般說來，數字系統中運行的電信號，其大小往往并不改變，但在實踐分布上卻有著嚴格的要求，這是數字電路的一個特點。數字集成電路作為電子技術最重要的基礎產品之一，已廣泛地深入到各個應用領域。 2. 設計目的 了解數字頻率計測量頻率與測量周期的基本原理; 熟練掌握數字頻率計的設計與調試方法及減小測量誤差的方法。 本設計與制作項目可以進一步加深我們對數字電路應用技術方面的了解與認識，進一步熟悉數字電路系統設計、制作與調試的方法和步驟。 針對電子線路課程要求，對我們進行實用型電子線路設計、安裝、調試等各環節的綜合性訓練，培養我們運用課程中所學的理論與實踐緊密結合，獨立地解決實際問題的能力。 3. 電路設計 3.1 時基電路 時基電路的功能是產生一個高電平持續時間為1S的信號送到計數電路以及一個周期為1S的信號送到邏輯控制電路。它由555單穩態電路組成。555芯片內部的三個5K電阻將5V直流電源電壓，其中2/3(約3.3V)供給比較器CMP1的同相端，1/3(約1.6V)供給比較器CMP2的反相端。比較器CMP1的反相端經過電容C1接地，在電路剛剛上電時，由于電容C1兩 端的電壓不能突變，反相端的電壓比同相端低，因此比較器CMP1輸出高電平H(由于RS觸發器是數字邏輯，因此后級電路按高電平H與低電平L來區別)。而對于比較器CMP2，同相端默認電平是高電平(負脈沖觸發)，比反相端電壓1.6V高，因此，比較器CMP2輸出也為高電平H。 由于R=H，S=H,RS觸發器處于狀態保持，我們假設555定時芯片處于復位狀態，此時觸發器輸出為高電平H(也可以是低電平，最后的結果是一樣的)，經過一個反相器NOT后，則電路輸出為低電平L。 在單穩態工作模式下，555定時器作為單次觸發脈沖發生器工作。當觸發輸入電壓降至VCC的1/3時開始輸出脈沖。輸出的脈寬取決于由定時電阻與電容組成的RC網絡的時間常數。當電容電壓升至VCC的2/3時輸出脈沖停止。根據實際需要可通過改變RC網絡的時間常數來調節脈寬。 出脈寬t，即電容電壓充至VCC的2/3所需要的時間由下式給出: t= RC 1n(3) ≈1.1RC
圖1 時基電路圖 3.2 分頻器 分頻器采用4011BD 5V芯片，該芯片包含四個2輸入的NAND門，可以配置為二進制計數器。通過適當的連接，可以實現對輸入信號的分頻。
圖2 分頻器電路圖 3.3 計數器 芯片74ls160是十進制計，也就是說只能記住十個數字。74LS160是常用的四位二進制可預設的同步加法計數器，該同步可預設的十進計數器由四個d型觸發器和幾個門電路構成，內部有先進位置，具有計數、設置數、禁止、直接(異步)清零等功能。 計數器的功能是對閘門送來的被測信號的頻率進行測量計數。根據精度要求，采用4個十進制計數器級聯，構成N=10000進制計數器。十進制計數器仍采用74LS160實現。閘門電路的輸出送到每個74LS160的CP端，計數器在后輸出信號的控制下對被測信號進行脈沖送數。
圖3 計數電路圖 3.4 譯碼顯示電路 顯示驅動器采用74LS48D芯片，這是一個BCD到七段顯示譯碼器。它將計數器的二進制輸出轉換為七段顯示器所需的信號。
圖4 顯示驅動器電路圖 3.5 時鐘信號源 時鐘信號源由功能發生器（XFG1）提供，可以設置不同的頻率、占空比和幅度，以適應不同的測量需求。
圖5 時鐘電路圖
4. 實驗原理圖 按照原理圖搭建電路，確保所有元件正確連接。
圖7 總體電路圖 5.嘉立創EDA系統原理 嘉立創原理圖的設計過程包括： 1.添加元件：從嘉立創EDA的元件庫中搜索并選取所需的元器件，將其放置到原理圖繪制區域。 2.連接線路：根據電路原理，使用導線將各個元器件的引腳連接起來，完成電氣連接。 3.檢查與調整：進行設計規則檢查，確保原理圖符合電氣規則和設計要求。
圖8 電路原理圖 6．PCB板設計圖 PCB板的設計過程包括： 1.布線：根據信號流向和電氣規則進行布線，盡量減少信號線的長度和交叉，電源線和地線應盡量短而粗。 2.添加淚滴：在導線與焊盤或導孔的連接處添加淚滴，增強連接的可靠性。 3. PCB布局：將元器件按照功能分區放置，優先考慮主控芯片、大器件及供電接口，同時注意濾波電容靠近主控芯片擺放。布局時，應保證同一功能的電路盡量靠近，以簡化連線。 4鋪銅：對PCB的頂層和底層進行鋪銅處理，以增加散熱性能和抗干擾能力，但需注意避免在電感等特殊元件下鋪銅。 5.檢查與優化：進行DRC檢查，確保PCB設計符合設計規則，沒有短路、開路、間距違規等問題。根據檢查結果進行修改和優化。
圖9 PCB板圖 7.結論 這次設計中，我鍛煉了自己的自學能力和解決問題的能力。在這個過程中遇到了很多問題，比如如何畫圖，如何組織那種專業語言，上網、到圖書館查找相關的資料。雖然很費勁，但是其樂無窮。通過此次的設計，我發現到這個設計對數字電子技術的學習要求非常高，我相信在今后的學習和工作中它也占據著非常重要的地位。課堂中的學習是遠遠不夠的，我們還需要自己吸收和再學習，不斷的探索和研究。這樣在以后的學習工作中才能節節進步，不斷創新。不但如此，我想要完成一個任務，不能只局限于自己所學的知識中，要各個方面都有涉獵，提高自己的綜合能力，這樣才能取得長足的進步。 最后，通過此次的設計，我還領略到了團隊精神的可貴。我覺得我的的專業知識學習的不扎實，在設計的過程中，會遇到各種問題。這時我就會向同組同學請教，共同完成這個設計。盡管如此，設計中仍會有我們未發現的問題，感謝老師的悉心指正。 對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財富，經歷是一份擁有。這次設計將成為我學習旅途中一個美好的回憶! 參考文獻 [1] 康華光，張林.電子技術基礎模擬部分（第7版）, 高等教育出版社,2021 [2] 劉暢生等.集成電路應用手冊,西安電子科技大學出版社,2003 [3] 康華光，張林.電子技術基礎數字部分（第7版）, 高等教育出版社,2021
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