消费类电子产品设计课程设计频率计设计任务书(08电信本)_电子产品单元课程设计

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课程设计任务书

2009 ～2010 学年第 1 学期

学生姓名： 全班34人 专业班级： 08级电信本 指导教师： 夏术泉、王海华 工作部门： 电气学院

一、课程名

消费类电子产品设计

二、设计题目

数字频率计的设计与制作

三、课程设计内容（含技术指标）

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（1S）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的1S时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。

设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下： 1．频率测量范围： 10 ～ 9999Hz。

2．输入信号波形：任意周期信号。输入电压幅度 >300mV。3．电源： 220V、50Hz 4.系统框图

从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图1所示的电路框图。

图1 数字频率计框图

下面介绍框图中各部分的功能及实现方法（1）电源与整流稳压电路

框图中的电源采用50Hz的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流

电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。

（2）全波整流与波形整形电路

本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过0.5Hz，即在1％的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对50Hz交流市电进行全波整流，得到如图2（a）所示100Hz的全波整流波形。波形整形电路对100Hz信号进行整形，使之成为如图2(b)所示100Hz的矩形波。波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。

图2 全波整流与波形整形电路的输出波形

（3）分频器

分频器的作用是为了获得1S的标准时间。电路首先对图2所示的100Hz信号进行100分频得到如图3（a）所示周期为1S的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图3（b）所示占空比为50％脉冲宽度为1S的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1S时间内通过控制门的被测脉冲的数目。

图3 分频器的输出波形

分频器可以采用教材中介绍过的方法，由计数器通过计数获得。二分频可以采用触发器来实现。

（4）信号放大、波形整形电路

为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。

（5）控制门

控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。

（6）计数器

计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为9999Hz，应采用4位十进制计数器。可以选用现成的10进制集成计数器。

（7）锁存器

在确定的时间（1S）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁

存器可以采用一般的8位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。

（8）显示译码器与数码管

显示译码器的作用是把用BCD码表示的10进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。

选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。5.实际参考电路

根据系统框图，设计出的电路如图4所示。

图4 数字频率计电路图

图中，稳压电源采用7805来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求。

对100Hz全波整流输出信号的分频采用7位二进制计数器74HC4024组成100进制计数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在74HC4024的Q7、Q6、Q3端通过与门加入反馈清零信号，当计数器输出为二进制数 1100100（十进制数为100）时，计数器异步清零。实现 100 进制计数。为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时保持一段时间（10mS）为高电平。

电路中采用双JK触发器74HC109中的一个触发器组成触发器，它将分频输出脉冲整形为脉宽为1S、周期为2S的方波。从触发器Q端输出的信号加至控制门，确保计数器只在1S的时间内计数。从触发器Q端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。

被测信号通过741组成的运算放大器放大20倍后送施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出，通过由74HC11组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。

频率计数器由两块双十进制计数器74HC4518组成，最大计数值为9999Hz。由于计数器受控制门控制，每次计数只在JK触发器Q端为高电平时进行。当JK触发器Q端跳变至低电平时，Q端的由低电平向高电平跳变，此时，8D锁存器74HC374(上升沿有效)将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可对计数器清零。由于74HC4518为异步高电平清零，所以将JK 触发器的Q同100Hz脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（10mS）以后再进行。

显示译码器采用与共阴数码管匹配的CMOS电路74HC4511，4个数码管采用共阴方式，以显示4位频率数字，满足测量最高频率为9999Hz的要求。

2．方法与步骤 1）器件检测

用数字集成电路检测仪对所要用的IC进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对LED数码管进行检测，检测方法由自己确定。

2）电路连接

在自制电路板上将IC插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接IC等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插IC。

3）电源测试

将与变压器连接的电源插头插入220V电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为＋5V。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图2(a)所示波形。

4）基准时间检测

关闭电源后，插上全部IC。依次用示波器检测由U1(74HC4024)与U3A组成的基准时间计数器与由U2A 组成的触发器的输出波形，并与图3所示波形对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对U1、U3、U2各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。

5）输入检测信号

从被测信号输入端输入幅值在1V左右频率为1KHz左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。

6）输入放大与整形电路检测

用示波器观测整形电路U1A(74HC14)的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率

六、课

一致、信号幅值为5V左右的矩形波。如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不对，则应检测这一部分电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。

7）控制门检测

检测控制门U3C(74HC11)输出信号波形，正常时，每间隔1S时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常，并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。

8）计数器电路的检测

依次检测4个计数器74HC4518时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差10倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。

9）锁存电路的检测

依次检测74HC374锁存器各引脚的电平与波形。正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。其中，第11脚的电平每隔1S钟跳变一次。如不正常，则应检查电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。

10）显示译码电路与数码管显示电路的检测

检测显示译码器74HC4511各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析找出故障。

四、进度安排

1．第1周第1天，布置课程设计任务，介绍设计思路；第2天-第5天，查资料并消化，具体电路设计，教师指导。

2．第2周第1天-第2天，PC板设计；第3天-第5天，每组学生代表介绍电路设计情况，教师对设计电路进行点评，提出修改意见。

3．第3周第1天-第3天，实物制作，并记录调试情况；第4天-第5天，整理设计资料、调试数据，写设计报告。

五、基本要求

1．按每3人分组，要求方案中每组设计重点不同。具体是第1-2组重点设计秒信号发生电路，第3-6组重点设计计数电路，第7-8组重点设计显示电路，第9-10组重点设计小信号放大电路和稳压电源电路，各组设计一种实现方案，不得相互抄袭。

2．硬件制作实物完成情况，演示设计与调试的结果。3．设计方案与说明书。4．课程设计报告或总结。

程设计考核．总成绩分优、良、中、及格、不及格5个等次，其中考勤占10%，设计方案占20%，实物占50%，报告占20%。．交设计方案与说明书。3 ．交课程设计报告或总结。