电子线路课程设计报告
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南京理工大学紫金学院电光系
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1 引言
数字式频率计数器是以数字方式对信号参数进行精密测量的仪器。它是一种用十进制数字，显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。衡量频率计数器主要指标是测量范围、测量功能、精度和稳定性。频率计数器的应用非常广泛，它被广泛应用于航天、电子、测控等领域。本次电子线路课程设计是设计并制作一个具有选频特性的简易两位数字式频率计电路。本次设计基本思路是运用数字计数器在单位时间计数信号的变化次数。
1．1 主要技术指标和要求
1.1.1主要技术指标
频率计电路的输入信号为正弦信号：
频率：1Hz~10KHz，
幅度：峰-峰值0.3V~5V。
输入信号整形电路：
（1）设计一个电压放大器，增益5~10倍可调。
（2）设计一个中心频率为200Hz~1KHz的有源带通滤波器，使计数器能够对频率通带内的信号进行正常计数，其余则不计数。
（3）设计一个电压比较器，参考端基准电压为1.0V左右。
计数器电路：
（1）设计一个2位的十进计数器、译码驱动和显示电路。
（2）要求频率计具有自动测频、自动清零、数据显示和数据保持功能。
1.1.2发挥部分
（1）频率计电路要求具有较高的抗干扰性能（采用TLP521光耦隔离器）。.（2）频率计具有A、B双通道自动测频、数据显示和数据保持功能。
（3）频率计实现A、B通道号的显示。
1.1.3实物要求
根据频率计测频原理，结合模电和数电的基础理论知识，完成对简易数字式频率计方案和电路设计和仿真，并在面包板上完成连接、装配、调试和演示。
1.1.4实验仪器
示波器：TDO2022A
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功率函数信号发生器：SP1631A
三路稳压电源：MPS-3003L-3
万用表：UNI-T
1.1.5主要器件及典型电路形式
（1）本次课程设计用器件介绍：
74LS00、74LS04、74LS20、74LS32、74LS160、74LS47、74LS123、 、CD4020、LM339、TLP521、OP07、LM324、七段LED数码管、74LS74、74HCT573发光二极管、开关二极管和三极管等。
（2）典型数字电路形式：
十进计数器、译器显示及驱动电路、逻辑控制电路、比较器、分频器、光电隔离器、时基信号发生器、单稳态信号发生器。
（3）典型模拟电路形式：
放大器、跟随器、二阶有源带通滤波器。
集成运放电路均采用±5V供电。
2 工作原理
2.1简易数字式频率计电路设计
简易数字式频率计电原理图如图1
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图1 简易频率计电原理图
2.2电路工作原理
如图1，本设计主要包括电压放大电路、有源带通滤波电路、整形电路、计数、译码驱动电路和逻辑控制电路等。
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（1）被测正弦波信号通过放大器放大，有源带通滤波器滤波，电压比较器整形后，如果被测信号频率落在滤波器通带内，频率计进行测频，否则频率计不测频。（2）由LM555产生周期约2s的时基信号，是频率计的主要工作时序，在该信号的一个周期的时间内，频率计可以完成清零，计数、显示和计数结果保持，在下一周期时重复上述过程。简易频率计工作波形示意图如图2。
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图2 简易频率计工作波形示意图
（3）用LM555时基信号发生器产生的周期信号的上升沿，触发由74LS123电路构成的单稳态发生器1，产生对计数器清零的脉冲信号，使计数器在工作前归零，该脉冲信号的宽度一般约1ms左右，由该单稳态电路的RC参数值决定。
（4）计数器清零后，需要一个定时脉冲信号控制计数器的计数，可用清零脉冲信号的下降沿，触发另一个单稳电路2，从而产生一个标准的1s定时计数脉冲。在该定时计数脉冲的持续时间内，计数器可以计数，频率计完成对输入被测信号的测频。定时计数脉冲的宽度为1s左右，由单稳态电路2的RC参数值决定。（5）二级十进计数器电路由两个74LS160组成，译码驱动与显示电路由74LS47和七段共阳数码管组成。
3各单元电路设计与安装
3.1放大器、有源带通滤波器和电压比较器设计
（1）放大器设计
该放大器可以把技术指标规定的输入信号放大到足够的电平，以驱动后面的电压比较器，放大器可采用OP07集成运放，如图3所示。
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图3由OP07构成的放大器电路
（2）带通滤波器设计
a.带通滤波电路的设计中心频率为1KHz左右，通带宽度BW=100Hz左右。
b.巴特沃斯滤波器：特点是带内带外最佳平稳，但低阶的过度带比较宽。 c.切比雪夫滤波器：特点是过度带可以很窄，但带内带外幅频震荡比较严重。
d.典型的有源带通滤波器电路如图4。带通滤波器中心频率和带宽的调整：带通滤波器的中心频率和带宽主要是由滤波器中RC元件参数确定，通常可先选定电容器C值，再调节电阻阻值，一般可采用电位器调节。带通滤波器采用集成运放OP07。
e.重要公式：
中心频率：f=1/（2∏RC）
同相比例运算系数：A=Uo/Ui=1+R7/R4
通频带：BW=f1-f2=| 3-A|f
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图4典型的有源带通滤波器电路
（3）比较器设计
比较器电路如图5，电压比较器的主要作用是把输入模拟信号转换成数字信号，使计数器可以对输入信号正确计数，电压比较器参考端的基准电压调整为1.0V左右，当输入端电压大于参考端电压时，该比较器电路实现翻转，完成对输入信号的整形。电压比较器可采用LM339，该芯片中含四个独立的比较器电路，由于其输出端为集电极开路，必须外接4K7上拉电阻才可正常工作。
图5 电压比较器电路
3.2时基电路设计
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a.时基信号电路主要采用NE555集成电路，时基信号周期不小于3秒左右，555时基信号电路及工作波形图如图6。
图6 555 时基信号产生电路及工作波形图
b.当电路稳定工作之后，电路的振荡周期为：T=tw1+tw2
tw1为电容充电时间：tw1=（R1+R2）Cln2
tw2为电容放电时间：tw2=R2Cln2
T=tw1+tw2=（R1+2R2）Cln2=0.7（R1+2R2）C
C.正脉冲与周期的比值则称为占空比，即
q=tw1/T=(R1+2R2)/(R1+2R2)
图7 555 定时器电路
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图8 555定时器防真波形
3.3计数器及译码驱动电路设计
计数器、译码驱动和显示电路可分别采用74LS160、74LS47和LED七段共
阳数码管。74LS47译码驱动的输出是低电平有效，由74LS160组成的十进计
数器电路如图7。
图9 由74LS160组成的十进计数器电路
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图10 译码电路仿真
3.4计数器清零和计数定时信号发生器设计
计数器清零和定时计数信号电路均采用74LS123单稳态电路构成，74LS123内部含两个独立的单稳态电路，图8为由74LS123单稳态电路构成的定时计数和计数器清零电路，在该电路中，通常是固定Ct，调整电路中的Rt值，可以得到不同脉宽的输出信号。
图11 由74LS123单稳态电路构成的定时计数和计数器清零电路
图12 计数与清零接线图
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图13 清零与计数仿真波形
3.5电路设计参考布局图
电路设计完毕，在面包板上搭接电路之前，首先要考虑本设计信号的基本走
向和各元器件在面包板上的相应位置，合理的元器件布局可以方便联线和电路调
试，面包板上频率计电路的元器件布局设计参考如图9。
图14 电路设计参考布局图
4 电路仿真
4.1模电部分电路
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4.2模电部分仿真波形
4.3数电部分电路
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4.4数电部分仿真波形
5电路调试与测试方法
5.1调试前注意事项
在电路调试之前要注意以下事项：
（1）检查芯片位置方向，检查芯片电源和地连线正确。
（2）检查各芯片和器件的连接线是否正确。
（3）检查LED数码管各个管脚连线是否正确。
（4）放大器和滤波器电路采用±5V供电，数字电路电压为+5V。
5.2电路调试方法
为简化和方便整体电路的调试工作，可根据每一个单元电路的技术要求进行相对独立的调试，每部分电路工作正常后，再进行其它电路的调试工作。
（1）放大器特性测试
调整输入信号为频率为1KHz，幅度为峰-峰值300mV：
用示波器观察输入信号和放大器输出信号的波形，调整放大倍数为10。
（2）滤波器特性测试
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调整输入信号为频率为10Hz~10KHz，信号幅度为峰-峰值300mV：
用示波器观察输入信号和滤波器输出端信号的幅度差异，测出-3dB带通滤波电路幅频特性曲线。
（3）电压比较器性能测试
电压比较器的信号输入端，保持输入信号频率为1KHz，幅度为1.5V，调整电压比较器的电平基准电压：
用示波器观察电压比较器输出端应出现具有TTL电平的1KHz脉冲信号。
（4）计数器、译码驱动和显示电路调试
计数器电路在不加输入信号的状态下，计数器、译码驱动和显示电路如接线正确，数码管应该显示00，否则检查连接或更换器件。
（5）时基信号电路性能测试
用示波器观察NE555电路输出端，电路正常时，应输出低频方波信号，占空比为50%。一般电容取值100uF，调节R值，可以得到理想波形。
（6）计数器清零和定时计数信号电路性能测试
计数器清零和定时计数信号发生器均采用单稳态电路构成，74LS123内部含两个独立的单稳态电路，可以分别产生计数器清零脉冲和定时计数信号。
采用NE555电路的时基信号上升沿，作为清零信号电路的输入触发信号，清零信号的宽度由R1、C1值确定，一般调节为1mS左右。
清零信号加到计数器的清零端。
作为定时计数信号电路的输入触发信号，定时计数信用清零信号的下降沿，
号的宽度由R2、C2值确定，一般调节为1S左右，用示波器观察74LS123单稳电路的输入和输出端，应有周期变化的脉冲波形。
定时计数信号应加到计数器的计数控制端。
结 论
本次电子线路课程设计的实验结果符合理论。《电子线路课程设计》是一门 |
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理论和实践相结合的课程。通过对电子系统的设计、实验仿真、安装和调试，
1、了解和掌握电子系统研发产品的基本过程。
2、学会了运用Multisim软件仿真各种电路，对软件有了更深的认识和使用。
3、对以前所学的数电和模电知识有了更深入的理解，并在测试过程中学会
了电路的调试，查找问题并解决问题。
4、本次实验是从理论到实践的过程，从而检验了理论的学习成果，并获得
了理论中无法获得的实际经验。
5、通过本次做课程设计对以后走向工作岗位打下了坚实的基础，对自己在
本岗位上发展提供了良好的机会。
参考文献
[1]蒋立平.数字逻辑电路与系统设计.北京:电子工业出版社.2010[2]张曙光刘在娥.模拟电子技术.北京大学出版社.2010
[3]刘霞等.电子设计与实践.北京：电子工业出版社.2009.4[4]元红妍.张鑫.电子综合设计实验教程.济南：山东大学.2005.7[5]王松武.电子创新设计与实践.北京：国防工业出版社.2010.5[6]周文良.电子电路设计与实践.北京:国防工业出版社.2011.1
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6附录：
6.1电路原理图
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6.2元器件的引脚图和真值表：
6.2.1放大电路、带通滤波电路（OP07）
1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为 |
输出，7接电源+ |
6.2.2电压比较电路（LM339）
3脚接电源正 12脚接地 4、6、8、10脚接反向输入端 5、7、9、11 脚接正向输入端 1、2、13、14脚接输入端
数电部分：
6.2.3时基信号（LM555）
8脚VCC 4 脚RST 7 脚DIS 6 脚THR 2 脚TRI 5 脚CON 1 脚GND
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电子线路课程设计 第16页共19页 6.2.2清零电路、定时电路（74ls123）
6.2.4计数器（74ls160*2）
6.2.5译码电路（74ls47）
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6.2.6共阳七段数码管
g f GND a b
e d GND c dp | a |
| a | ＋5V | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||
b | ||||||||||||||||||||||||||||||
b | ||||||||||||||||||||||||||||||
c | ||||||||||||||||||||||||||||||
c | ||||||||||||||||||||||||||||||
d | ||||||||||||||||||||||||||||||
d | ||||||||||||||||||||||||||||||
e | e | |||||||||||||||||||||||||||||
f | f | |||||||||||||||||||||||||||||
g | ||||||||||||||||||||||||||||||
g | ||||||||||||||||||||||||||||||
dp | dp | |||||||||||||||||||||||||||||
（a） | （b） | |||||||||||||||||||||||||||||
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6.3电子线路课程设计主要元器件清单
元器件型号 数量
1 op07 2
2 LM339 1
3 74LS160 | 2 |
8 51Ω电阻 2（数码管限流）
9 910Ω电阻 2（比较器）
10 510Ω电阻 1（比较器）
11 1kΩ电阻 3（发光二极管用限流）12 4.7kΩ电阻 2（LM339上拉和放大器+）
13 5.1kΩ电阻14 10kΩ 电阻15 15kΩ电阻16 30kΩ电阻 17 51kΩ电阻18 91kΩ电阻 | 2 （放大和比较器） |
19 100kΩ电位器 1（放大器）
20 510kΩ电位器 1（备用）
21 电容103 2 （带通滤波器）22 电容104 1 （555时基电路用）23 电容4.7uf 1 （清零电路）24 电容47uf 1 （定时电路）25 电容100uf 1 （555时基电路）26 发光二极管 绿 1（555时基电路） 黄 1（清零电路） 红 1（定时电路）
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6.4制作好的电路图
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