分频器22

《消费类电子产品的设计与制作》课程设计（论文）

题目:《数字频率计的设计与制作》

学院：电气与电子信息工程学院

专业名称：电子信息工程

学号：200840210122

学生姓名：熊望意

指导教师：夏术泉、王海华

课设时间：2010-2011学年第1学期第9，11，12 周

1 课程设计题目

数字频率计的设计与制作

2 课程设计任务与要求

2.1基本任务

主要设计放大器，电源，分频电路以及计数器四大部分,着重设计放大器部分。

2.2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组重点设计放大器电路，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。我们在此次设计中重点讲述放大器的相关的工作原

理以及它的改造。

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。

3 设计过程

3.1设计原理

在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。

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。

3.2 设计技术指标

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

3.3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

3.4 设计方案

（1）放大器部分——信号放大(外加波形整形)

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。

放大器的设计

我们常用的放大器有单运放UA741，双运放LM358,四运放LM324。

在UA741工作的时候，如果信号太强就有可能会把芯片堵塞，在输入

信号的负半周，输出为0 ，即使输入回到正半周了以后也不会有信号

输出，为了克服这个问题，我们在原有的电路上做了一点小的变动。

即在原有的UA741放大器的基础上，再在正输入端外加一个与R1等大

的电阻R3和一个+5V 的电压，目的是当有负信号通过放大器时，使的

被测信号

波形整体向上平移了，就不会使其产生堵塞的现象。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。

……

（2）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。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。

（3）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

（4）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

图3 分频器的输出波形

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。

对100 Hz 全波整流输出信号， 由7位二进制计数器74HC4024组

成的100进制计数器进行分频。计数脉冲下降沿有效。在74HC4024的 Q 7、

Q 6、Q 3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能保持高电平一段时间（10 ms ）。

（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。在这里我们频率计数器由两块双十进制计数器74HC4518组成，

(b )

(a

)

最大计数值为9999 Hz。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非

端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非同100 Hz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（10 ms）以后再进

行。

（7）锁存器

电路中采用双JK触发器74HC109中的一个触发器组成T触发器。

它将分频输出脉冲整形为脉宽为1 s、周期为2 s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1 s的时间内计数。从触发

器 Q非端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。

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。

4 实物制作与调试

1．所需仪器设备

所需仪器设备有示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪和直流稳压电源。

2.数字电路系统设计与制作的一般方法

通过对前面两个具体数字电路系统的设计与制作，我们对数字电路设计有了一定的认识。数字电路系统的设计与教材中讨论的组合逻辑电路的设计有较大的区别。组合逻辑电路与一般时序逻辑电路的设计是根据设计任务要求，用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路，用一般的集成门电路或集成触发器电路来实现。而本章设计的数字

电路系统具有复杂的逻辑功能，难以用真值表、逻辑表达式来完整地描述其逻辑功能，用前面介绍的方法来设计，显然是复杂而困难的。本设计最关心的问题是通过对各种基本数字电路的认识与了解，利用现有的数字电路器件来设计与实现具有各种复杂逻辑关系的数字系统。

（一）数字电路系统设计的一般方法

数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路、脉冲产生电路和电源等。

输入电路主要作用是将被控信号加工变换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。比如在本章设计制作的数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。有些模拟信号则通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。

控制电路的功能是将信息加工运算并为系统各部分提供所需的各种控制。比如本章设计制作的多路可编程控制器，其定时器即为一控制电路。正是在它的作用下，计数脉冲才按一定的时间周期（定时器的定时时间）一

组一组地送给地址计数器，形成时间控制。在数字频率计中，从JK触发器两个反相输出端输出的信号也是控制信号，它既控制了被测信号送至计数器的时间，同时又控制了锁存器在计数完毕后对数据进行锁存。产生这种信号输出的电路即为控制电路。数字电路系统中，各种逻辑运算、判别电路等，都是控制电路，它们是整个系统的核心。设计控制电路是数字系统设计的最重要的内容，必须充分注意不同信号之间的逻辑性与时序性。

输出电路是完成系统最后逻辑功能的重要部分。数字电路系统中存在各种各样的输出接口电路。其功能可能是发送一组经系统处理的数据，或显示一组数字，或将数字信号进行转换，变成模拟输出信号。比如数字频率计的显示译码与数码管电路，多路可编程控制器的并行移位寄存器及驱动电路等，都属于系统的输出电路。

设计输出电路，必须注意与负载在电平、信号极性、拖动能力等方面进行匹配。

时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统

都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。

电源为整个系统工作提供所需的能源，为各端口提供所需的直流电平。在数字电路系统中，TTL电路对电源电压要求比较严格，电压值必须在一定范围内。CMOS电路对电源电压的要求相对比较宽松。设计电源时，必须注意电源的负载能力，电压的稳定度及波纹系数等。

（二）确定总体设计方案

根据系统逻辑功能画出系统的原理框图，将系统分解。确定贯串不同方框间各种信号的逻辑关系与时序关系。方框图应能简洁、清晰地表示设计方案的原理。）

（三）绘制单元电路并对单元电路仿真

选择合适的数字器件，用电子CAD软件绘出各逻辑单元的逻辑电路图。标注各单元电路输入输出信号的波形。原理图中所用的元件应使用标准标号；电路的排列一般按信号流向由左至右排列；重要的线路放在图的上方，次要线路放在图的下方，主电路放在图的中央位置;当信号通路分开画时，在分开的两端必须作出标记，并指出断开处的引出与引入点。然后利用电子CAD软件中的数字电路仿真软件对电路进行仿真测试，以确定电路是否准确无误。当电路中采用TTL、CMOS、运放、分立元件等多种器件时，如果采用不同的电源供电，则要注意不同电路之间电平的正确转换，并绘制出电平转换电路。

（四）分析电路

可能设计的单元电路不存在任何问题，但组合起来后系统却不能正常工作，因此，必须充分分析各单元电路，尤其是对控制信号要从逻辑关系、正反极性、时序几个方面进行深入考虑，确保不存在冲突。在深入分析的基础上通过对原设计电路的不断修改，获得最佳设计方案。

（五）完成整体设计

在各单元电路完成的基础上，用电子CAD软件将各单元电路连接起来，画出符合软件要求的整机逻辑电路图。

（六）逻辑仿真

整体电路设计完毕后，再次在仿真软件上对整个试验系统进行逻辑仿真，验证设计。

3. 数字电路系统的安装与调试

数字试验系统整体电路设计完毕后，还必须通过试验板的安装与调试，纠正设计中因考虑不周出现的错误或不足。检测出实际系统正常运行的各项技术指标、参数、工作状态、输出驱动情况、动作情况与逻辑功能。因此，系统装调工作是验证理论设计，进一步修正设计方案的重要实践过程。

1）制作PCB

如果整体电路是利用电子CAD软件按其要求绘制的，则可以利用该软件绘制PCB图，制作出印刷电路板。采用PCB制作数字电路系统可以保证试验系统工作可靠，减少不必要的差错，大大节省电路试验时间。 2）检测器件

在将器件安装到PCB上之前，对所选用的器件进行测试是十分有必要的，它可以减少因器件原因造成的电路故障，缩短工作时间。

A. 器件检测用数字集成电路检测仪对所要用的IC进行检测，以确保每个器件完好。

B 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。

C 电源测试

将与变压器连接的电源插头插入220 V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＋5 V。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13.5(a)所示波形。

D 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U

1(74HC4024)与U

3A

组成的基准时间计数器与由U

2A

组成的T′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U

1、U

3

, U

2

各脚

的电平或信号波形进行检测，消除故障。

E 输入检测信号

从被测信号输入端输入幅值在1 V左右，频率为1 kHz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，则做进一步检测。

F 输入放大与整形电路检测

(74HC14)的输出波形。正常情况下，可以用示波器观测整形电路U

1A

观测到与输入频率一致、信号幅值为5 V左右的矩形波。

G 控制门检测

（74HC11）输出信号波形。正常时，每间隔1 s时间，检测控制门U

3C

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。

H 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。正常情况时，各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。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, 通过分析找出原因，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。

I 锁存电路的检测

依次检测74HC374锁存器各引脚的电平与波形。正常情况时，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1 s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。

J 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。

3）安装元器件

将各种器件安装到PCB上是一件不太困难的工作。安装时，集成电路最好通过插座与电路板连接，这便于不小心损坏器件后进行更换。数字电路的布线一般比较紧密、焊点较小，在焊接过程中注意不要出现挂锡或虚焊。

4）电路调试

电路的调试可分两步来进行，一是单元电路的调试，然后是总调。只有通过调试使单元电路到达预定要求，总调才能顺利进行。调试时应注意： （1）充分理解电路的工作原理和电路结构，对电路输入输出量之间的逻辑关系，正常情况下信号的电平、波形、频率等做到心中有数。据此设计出科学的调试方法，包括选用的仪器设备，调试的步骤、每个步骤中检测的部位、如何人为设置电路工作状态进行测试等。

（2）可以先进行静态测量，确定IC的电源、地、控制端的静态电平等直流工作状态是否正常后再进行动态测量，如果电路装配工艺比较好，也可以在动态测量发现问题后再进行静态测量。进行静、动态测量时应尽量保证测试条件与电路的实际工作状态相吻合。

（3）在寻找故障时，可以按信号的流程对电路进行逐级测量，或由前往后, 或由后向前；也可以根据电路的特点从关键部位入手进行；或根据通电连接后系统的工作状态直接从电路的某一部分着手进行。 （4）明确每次测量的意义，要了解什么，希望解决什么问题，一定要做到心中有数。从测量中掌握的各种数据、现象、观测到的信号波形等入手，通过分析、试验（调整）再开始新的测量, 如此循环往复进行，就可以发现与排除故障，达到预定的设计目标。

（5）在对电路进行检测、试验或调整的过程中，应掌握一些实用的检测方法，如对换法（将检测好的器件或电路代替怀疑有故障的器件或电路）、对比法（通过测量将故障电路与正常电路的状态、参数等进行逐项对比）、对分法（把有故障的电路根据逻辑关系分成两部分，确定是哪一部分有问题，然后再对有故障的电路再次对分，直至找到故障所在）、信号注入法（根据电路的逻辑关系，人为设置输入端口电平或注入数字信号，观测电路的响应，判断故障所在）、信号寻迹法（从信号的流向入手，通过在电路中跟踪寻找信号，找出故障所在）。在数字电路中，由于不存在大功率、大电流、高电压的工作状态，电路故障一般都是装

配过程中出现的挂锡、虚焊、元件插错等原因造成的，除非IC插反了方

向或电源接错了极性，一般情况下，有源器件损坏的可能性较小。

5 结论

在此次课程设计中，遇到的问题如下：

1）在所用的所有芯片中，不是每一个芯片引脚都会用上，把这些没有用上的引脚做悬空处理的话，会对电路造成一定的磁干扰，使得实验误差比较大。

为了有效防止这种状况的发生，我们应该将所有的没有用上的引脚都接地，这样处理之后就不会对电路造成太大的影响。

2）数码管的光线亮度太强，有可能会把数码管烧坏。整个电路通过4511把将5伏的电压直接加在了数码管上面，这样数码管所承受的电压太大，并且7805温度很高，为了处理好这个问题，我们可以在数码管上接一个电阻，再与地相连，这样就可以分压，数码管也不会再烧坏。

3）我们用示波器来测量关键点处的波形，我们发现在分频处出现的波形与我们理论的波形相差较大。在实验室中，发现电路没有问题，但是电路不会实现计数功能，最后我们换了另外一片芯片，发现电路开始正常工作，由此我们可以得出我们实验所使用的芯片不能正常工作，已经损坏。

4）我们在焊接电路板的时候很容易造成虚焊的情况，在焊的时候应该在3秒之内焊好一个焊点，否则容易将焊点融化。为了不造成虚焊，我们最好把焊点的锡焊成45度角，这样力是向内的，以后就不容易松动。

5）在焊电路板的时候为了我们方便焊接，应该从底层的小器件开始焊锡，从矮到高这样有利于我们工作。

6）在UA741后面的稳压二级管上面并联一个1K欧的一个电阻来分压使得输入的电压变低。

在此次课程设计中，我们不仅回顾了如何去焊好一个焊点，而且更加熟悉了焊锡的技巧，加深了焊锡的熟练度。在自己亲手制作的过程中我们也体会到了乐趣，动手能力也逐步提高，在实践中发现问题，思考问题，让后再一起解决问题。不仅如此，在此次课程设计中，老师的教学方法也很独特，将全班分为12个小组，且每一个小组负责的内容都不一样，并且让学生自由讨论，然后派一个代表去讲述他们所理解的内容，并且发表一下他们的修改方案，触动了我们自主学习，自己去利用网络资源来辅助我们的设计。这次的课程设计与以往学习的模电与数电

联系比较紧密，再一次带领我们回顾了以往所学过的知识，温故而知新，进一步加深了对触发器，锁存器，计数器的工作原理的了解；对于模电中的集成运放以及半波整流电路有了一个更为深刻的理解。这次的课程设计比较有实际意义。附录

附录1：电路原理图

附录2：生成PCB图

附录3：使用元器件一览表（序号、名称、型号、规格、数量、备注）

附录4：参考文献

参考资料：

［1］康华光．电子技术基础．北京：高等教育出版社, 1987 ［2］李亚伯．数字电路与系统．北京：电子工业出版社, 1997 ［3］陈晰．数字电路技术基础．北京：电子工业出版社, 1999 ［5］李元．数字电路与逻辑设计．南京：南京大学出版社, 1997 大学出版社, 1989

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设计．西安：西安电子科技大学出版社, 1998

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