河南城建學(xué)院數(shù)字頻率計

1、 河南城建學(xué)院數(shù)字頻率計 電氣與信息工程 學(xué)院 自動化 專業(yè)題 目： 數(shù)字頻率計 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 米啟超 時間： 2014年 6月16日 2014年 6月 20日 摘要 數(shù)字頻率計是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器，其功能是測量正弦信號，方波信號，尖脈沖信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量，因此已經(jīng)成為電路設(shè)計的常用原器件之一，有它不可取代的地位。在電子技術(shù)中，頻率與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)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(shù)字計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測

2、量的重要手段之一。其原理為通過測量一定閘門時間內(nèi)信號的脈沖個數(shù)。本文闡述了設(shè)計了一個簡單的數(shù)字頻率計的過程。 目錄 1.概述1 1.1設(shè)計目的1 1.2設(shè)計要求1 1.3設(shè)計技術(shù)指標與要求1 2.總體方案設(shè)計及硬件設(shè)計22.1設(shè)計方案 2 2.2硬件設(shè)備6 3各模塊設(shè)計6 3.1控制電路波形示意圖 6 3.2單元電路設(shè)計7 3.2.1衰減放大整形系統(tǒng)8 3.2.2時基電路8 3.2.3邏輯控制電路9 3.2.4閘門電路10 3.2.5計數(shù)鎖存器11 3.2.6譯碼顯示電路12 3.3數(shù)字頻率計整體電路 13 4. 心得體會與總結(jié) 15 5. 參考文獻 17 6. 成績評定 18 1概述1.1設(shè)

3、計目的： 本課程設(shè)計是在前導(dǎo)驗證認知實驗的基礎(chǔ)上，進行更高層次的命題設(shè)計實驗，要求學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨立查閱資料、設(shè)計、安裝和調(diào)試特定功能的電子電路。培養(yǎng)學(xué)生利用模擬、數(shù)字電路知識，解決電子線路中常見實際問題的能力，使學(xué)生累積實際電子制作經(jīng)驗，目的在于鞏固基礎(chǔ)，培養(yǎng)技能，追求創(chuàng)新，走向?qū)嵱谩?.2設(shè)計要求： （1）以電子技術(shù)基礎(chǔ)的基本理論為指導(dǎo)，將設(shè)計實驗分為基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性兩個層次，基礎(chǔ)性指基本單元電路設(shè)計與調(diào)試，系統(tǒng)型指若干個模擬，數(shù)字基本單元電路組成并完成特定功能的電子電路的設(shè)計，調(diào)試； （2）熟悉蒼蠅電子儀器操作使用和調(diào)試方法； （3）拓展電子電路的應(yīng)用領(lǐng)域，能設(shè)計，制作出滿足一定性能指標

4、或特定功能的電子電路任務(wù)。1.3設(shè)計技術(shù)指標與要求： 1)頻率測量范圍：1HZ-10KHZ，10KHZ-100KHZ。 2）測量時間：T1.5s。 3）被測信號幅度:0.5V。 4)具有四位十進制數(shù)字顯示功能。 2總體方案及硬件設(shè)計2.1方案設(shè)計： 頻率計是直接用十進制來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它可以測量正弦波、方波和三角波的頻率。利用施密特觸發(fā)器將輸入信號整形為方波，并利用計數(shù)器測量1s內(nèi)脈沖的個數(shù)，利用鎖存器鎖存，穩(wěn)定顯示在數(shù)碼管上。常用的頻率測量方法有以下四種。1測周法首先把被測信號進行二分頻，獲得一個高電平時間或低電平時間都是一個信號周期的方波信號，然后用一個已知周期Ts的高頻

5、方波信號作為計數(shù)脈沖，在一個信號周期的時間內(nèi)對fs信號進行計數(shù)，如圖1-2所示。 圖1-2測周法原理若在T時間內(nèi)的計數(shù)值為N，則有 T=N*Ts 即f=1/T=1/N*Ts=fs/N測周法測量的誤差與信號頻率成正比，而與高頻率標準計數(shù)信號的頻率成反比。當fs為常數(shù)時，被測信號頻率越低，誤差越小，測量精度也就越高。 由于測周法所獲得的信號周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運算才能得到信號頻率，而二進制數(shù)據(jù)的求倒數(shù)運算中小規(guī)模數(shù)字集成電路卻較難實現(xiàn)，因此，測周法不適合本設(shè)計要求。2測周期/頻率法周期/頻率測量是采用兩個計數(shù)器，分別對被測信號f和高頻標準計數(shù)信號fs進行計數(shù)，其測量原理如圖1-3所示 圖1-3測

6、周期/頻率法原理在確定的檢測時間內(nèi)，若對被測信號f的計數(shù)值為N1，對高頻信號f的計數(shù)值N2，則所測的信號頻率為 f=1/T=N1/N2*Ts=N1*fs/N2 可見，周期/頻率法需要進行除法運算才能得到信號頻率，這用中小規(guī)模數(shù)字集成電路卻較難實現(xiàn)，因此，該方法不適合本設(shè)計要求。3. F/V與A/D法這種頻率測量方法是先通過F/V變換，把頻率信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；然后再通過A/D轉(zhuǎn)換把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行計數(shù)，從而得到所測信號的頻率。4測頻法 數(shù)字頻率計的原理框圖如下圖所示，他由六個基本單元電路組成：衰減放大整形系統(tǒng)、時基電路、邏輯控制電路、閘門電路、計數(shù)鎖存電路、譯碼顯示電路

7、。由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器在接通電源后，由于電容的充放電，使輸出的波形為矩形脈沖，在經(jīng)過多級分頻系統(tǒng)及門控電路得到具有固定寬度T的方波脈沖作門控信號，時間基準T成為砸門時間。寬度為T的方波脈沖控制閘門（與非門）的一個輸入端B。當A端接入一個信號源時，經(jīng)過衰減器的衰減、放大器的放大作用和555定時器構(gòu)成的整形系統(tǒng)的整形產(chǎn)生一個周期為Tx的序列窄脈沖，當門控信號到來后，閘門開啟，周期為Tx的脈沖信號和周期為T的門控信號相與非通過閘門，當兩個信號全都為高電平時相與的結(jié)果保持A的信號不變，當閘門信號為低電平時，相與結(jié)果為低電平，即在示波器上不顯示波形。在閘門的輸出端產(chǎn)生的脈沖信號送到計數(shù)器，計數(shù)

8、器開始計數(shù)，直到門控信號結(jié)束為止，閘門關(guān)閉。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1的暫態(tài)送入鎖存器的使能端，使鎖存器將結(jié)果鎖存，這樣送到顯示器的讀書就為穩(wěn)定值，計數(shù)器也停止計數(shù)并被單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2的暫態(tài)清零，以便下次測量數(shù)據(jù)的準確性。本設(shè)計選擇了測頻法，由于測頻法的測量誤差與信號頻率有關(guān)：信號頻率越高，誤差越??；而信號頻率越低，則測量誤差越大。用測頻法所獲得的測量數(shù)據(jù)，在閘門時間為1s時，不需要進行任何換算，計數(shù)器所計數(shù)據(jù)就是信號頻率。另外，在信號頻率較低時，如1100Hz，可以通過增大閘門時間來提高測量精度。 2.2硬件設(shè)計：原件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注15552定時器2741232邏輯控制電路374LS90610進

9、制計數(shù)器474LS2732鎖存器5CC45114譯碼器68421數(shù)碼器4數(shù)碼管7R5.1K2電阻8R51K2電阻9R10K2電阻10R41K1電阻11R1K1電阻12R100K1電阻13R100K2電位器14Rext3.3K2電阻15Cext0.01uF2電容16C0.003uF1電容17C10uF1電容18C47uF1電容19LED48二極管20C0.1uF1電容21C0.01uF1電容 3各模塊的設(shè)計： 3.1控制電路波形示意圖 由頻率的算法可知閘門的時間決定量程，可以通過閘門時基選擇開關(guān)選擇，T大些，測量準度就高些。根據(jù)被測頻率選擇閘門時間，顯示器的小數(shù)點對應(yīng)閘門顯示數(shù)據(jù)量程。實驗時若未

10、加小數(shù)點顯示閘門時間T為1s，被測信號頻率通過計數(shù)鎖存可直接從計數(shù)顯示器上讀出。調(diào)試時觀測被測信號、閘門信號、清零信號、鎖存信號各點波形可得一組完整的數(shù)字頻率計的波形，各部分的波形如圖示。 3.2單元電路設(shè)計3.2.1衰減放大整形系統(tǒng) 衰減放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟誰器、放大器和施密特觸發(fā)器，他將正弦波輸入信號V1整形成同頻率方波V0。衰減器由分壓器構(gòu)成，測試信號首先通過衰減開關(guān)選擇衰減倍率，幅值過大的被測信號經(jīng)分壓器分壓，送入后級放大系統(tǒng)以免波形失真。由運算放大器構(gòu)成的設(shè)計跟隨器起阻抗變換的作用，使輸入阻抗變大，由運算放大器構(gòu)成的同相放大器的的放大倍數(shù)為（Rf=R1）/R1，改變R1的大小可

11、以改變放大倍數(shù)。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，整形后的方波送到后的方波到閘門以便計數(shù)。 放大電路由3DG100和電阻電容組成，目的是將一定頻率的周期信號進行放大。 整形電路由555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖信號。3.2.2時基電路 時基電路的作用是產(chǎn)生一個標準的時間信號（高電平持續(xù)時間為1s）。本實驗中的標準實際信號根據(jù)所提供器件，由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器和3片74LS90構(gòu)成分頻器產(chǎn)生。其完整電路如下： 當555定時器接通電源后，電壓經(jīng)變位器和兩個電阻對電容經(jīng)行充電，當電壓上升到一定電壓（該電壓由變位器的阻值大小決定 ，當變位器的阻值為0時

12、，該值為5/3V）時，Uo=0，VT導(dǎo)通，電容通過R2和VT放電，在放電的過程中，電容兩端電壓下降，當電壓下降到一定時，VT管又截止，輸出電壓又由0變?yōu)?，即從低電頻跳變?yōu)楦唠婎l，也就形成了下降沿，如此的，電容周而復(fù)始的充放電即形成了連續(xù)的矩形脈沖，然后通過三個分頻器，使頻率計的功能更齊全，能夠調(diào)整測量頻率的范圍，使測試范圍可以更廣。3.2.3邏輯控制電路 根據(jù)上面所示的波形，在時機信號結(jié)束時產(chǎn)生的負跳變用來產(chǎn)生鎖存信號，鎖存信號的負跳變又用來產(chǎn)生清零信號。脈沖信號可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221產(chǎn)生，他們的脈沖寬度有電路的時間常數(shù)決定。 74LS221是一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，每一個觸發(fā)器的功能

13、如下圖所示：由74LS221組成的邏輯控制電路由如下圖所示，當1=1B=1時，觸發(fā)脈沖從1A端輸入，在觸發(fā)端的負跳變作用下，輸出端1Q可獲得一正脈沖，采用相同的連接在2A端可獲得負脈沖。 由芯片74LS221的功能可利用他的可重觸發(fā)性加寬門控信號，假設(shè)未加重觸發(fā)脈沖時輸出端的脈沖寬度為Tw1，加重觸發(fā)脈沖后的脈沖變?yōu)門w2，則： Tw2=T+Tw1 Tw1=0.45RextCext 從而可以控制外界電容和電阻的大小來控制電路的時間常數(shù)，邏輯控制電路可以利用它產(chǎn)生的上升沿脈沖來控制鎖存器的鎖存，還可以利用他的下降沿脈沖來控制計數(shù)器的清零（也可用手動來清零），如此，邏輯控制電路便實現(xiàn)了控制的功能，

14、控制電路圖如下所3.2.4閘門電路 閘門電路由與非門組成，該電路有兩個輸入端和一個輸出端，輸入端的一端接門控信號，另一端接整形后的被測方波信號。閘門是否開通受門控信號的控制，當門控信號為高電平時，閘門開啟，而門控信號為低電平時，閘門關(guān)閉。顯然，只有在閘門開啟的時間內(nèi)，被測信號才能通過閘門進入計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)時間就是閘門開啟時間?？梢?，門控信號的寬度一定時，閘門的輸出值正比于被測信號的頻率，計數(shù)顯示系統(tǒng)再把閘門的輸出結(jié)果顯示出來，就可以得到被測信號的頻率。3.2.5計數(shù)鎖存器 計數(shù)鎖存電路由計數(shù)器和鎖存器組成。計數(shù)器由4片74LS90按十進制計數(shù)組成，四個芯片級聯(lián)而組成10000進制的計數(shù)器，

15、計數(shù)器是將 個位的Q4與十位的CPA相連，十位的與百位的相連，百位的與千位的相連，千位的與萬位的相連，如此組成進位，然后將在計數(shù)清零時將計數(shù)結(jié)果送入鎖存器，從而可以讀出穩(wěn)定的讀數(shù)。鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時所得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定的顯示此時計數(shù)器的值，1s結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號，將此時計數(shù)器的值送到譯碼顯示器電路圖如下：3.2.6譯碼顯示電路 七段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器分為BS201/202(共陰極)和BS211和212（共陽極）兩種，本實驗采用共陰極的譯碼器，所謂共陰極就是把發(fā)光二極管的陰極都連到一起接地，與其搭配的譯碼器輸出高電平為有效其中，BS201每段的最大驅(qū)

16、動電流約為10mA，BS202的最大驅(qū)動電流約為15mA，該顯示器的外形如下 從鎖存器出來的信號是計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)后被鎖存在鎖存器中的信號，是二進制的數(shù)，在顯示器上不能直接顯示，需要譯碼器將二進制的數(shù)譯碼成為十進制的數(shù)，然后才能在顯示器上讀出頻率。3.3數(shù)字頻率計整體電路： 有前面3.2可知由衰減放大整形系統(tǒng)、時基電路、邏輯控制電路，閘門電路，計數(shù)鎖存電路，譯碼顯示電路單元電路按前面的整體方圖按一定的順序組合起來即可組成數(shù)字頻率計整體電路。 4.心得體會與總結(jié)經(jīng)過一周的學(xué)習與設(shè)計，我對于數(shù)字頻率計的組成與功用有了了解與掌握，并且對于數(shù)字頻率計的個部分電路有了各設(shè)計的方案進行了論證與設(shè)計。在設(shè)計

17、頻率計的電路過程中對于邏輯控制電路有了更深一步的認識，這次課程設(shè)計，是一次理論與實踐的結(jié)合，也可以說讓我們平時的積累得到一次施展，加深了對電子技術(shù)的理解，明白了所學(xué)知識的重要性和自己理論知識的欠缺，增加了自己對所學(xué)課程的興趣。只有通過真正的電子器件設(shè)計，才能更好地了解數(shù)電的用處。在這次課程設(shè)計中，我體會到了學(xué)有所用，真正把課堂上數(shù)電的知識用到了其中，去除了學(xué)習數(shù)電理論知識時的那種朦朧感。看著設(shè)計出來的那滿滿的電路圖，有一種莫名的成就感，也從一定程度上提高了以后學(xué)習的積極性，知道學(xué)以致用，懂得何處為重。當然也使我體會到了設(shè)計電路的趣味性，爭強了對專業(yè)的喜歡。 當我剛接到這個課題的時候，毫無頭緒，

18、不知從何下手，這就說明了學(xué)習理論知識的有限性。查了一兩天的資料后就有了大致方案，隨著研究的一步步深入，理論電路得到完善。而做模擬仿真，著實考驗了我，之中有太多的苦與甜。連接電路，不能有絲毫的馬虎和急躁，一根之錯，對調(diào)試的影響甚大，只有耐下性子，才能提高效率，最終才能成功。我最糾結(jié)的問題就是在模擬電路中找不到和理論電路對應(yīng)的芯片，這對我的仿真也帶來了很大不便。首先，得找到可以代替的芯片，然而一般可以代替的芯片也不一定有。找到了呢，很不常見的那種，又會很難查到它的功能表。甚是撓人。在經(jīng)過多次的代替，修改，假設(shè)，仿真過后，解決了部分器件的代替問題，但還有兩虛擬單穩(wěn)觸發(fā)器確實讓我感覺沒有希望。最后導(dǎo)致現(xiàn)實譯碼器無法出數(shù)據(jù)，即使用示波器檢修了電路的各個部分。 通過這次課程設(shè)計，我有些收獲，但也有遺憾與不足。更有深刻的感觸，做設(shè)計，必須得細心，耐心，用心。也要求團結(jié)合作，提高效率。還需要很強的分析能力，既能統(tǒng)籌大方案，當然也不會遺漏小細節(jié)。所以我們要培養(yǎng)自己的獨立分析能力，遇到困難不要急躁，提高自己的團隊協(xié)作能力。當然也要感謝老師給我們這樣的設(shè)計機會，讓我們懂得更多!參考文獻 1. 梁宗善電子技術(shù)基礎(chǔ)課