河南城建學(xué)院數(shù)字頻率計(jì)

1、 河南城建學(xué)院數(shù)字頻率計(jì) 電氣與信息工程 學(xué)院 自動(dòng)化 專業(yè)題 目： 數(shù)字頻率計(jì) 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 米啟超 時(shí)間： 2014年 6月16日 2014年 6月 20日 摘要 數(shù)字頻率計(jì)是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器，其功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)，尖脈沖信號(hào)以及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量，因此已經(jīng)成為電路設(shè)計(jì)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(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量就顯得更為重要。測(cè)量頻率的方法有多種,其中數(shù)字計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)

2、量的重要手段之一。其原理為通過(guò)測(cè)量一定閘門時(shí)間內(nèi)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)。本文闡述了設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字頻率計(jì)的過(guò)程。 目錄 1. 概述 1 1.1設(shè)計(jì)目的 1 1.2設(shè)計(jì)要求 1 1.3設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與要求 1 2.總體方案設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì) 22.1設(shè)計(jì)方案  2 2.2硬件設(shè)備6 3 各模塊設(shè)計(jì)6 3.1控制電路波形示意圖 6 3.2單元電路設(shè)計(jì)7 3.2.1衰減放大整形系統(tǒng)8 3.2.2時(shí)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(jì)數(shù)鎖存器11 3.2.6譯碼顯示電路12 3.3數(shù)字頻率計(jì)整體電

3、路 13 4. 心得體會(huì)與總結(jié)  15 5. 參考文獻(xiàn)  17 6. 成績(jī)?cè)u(píng)定 18 1概述1.1設(shè)計(jì)目的：   本課程設(shè)計(jì)是在前導(dǎo)驗(yàn)證認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更高層次的命題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨(dú)立查閱資料、設(shè)計(jì)、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(shí)，解決電子線路中常見(jiàn)實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生累積實(shí)際電子制作經(jīng)驗(yàn)，目的在于鞏固基礎(chǔ)，培養(yǎng)技能，追求創(chuàng)新，走向?qū)嵱谩?#160;1.2設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性兩個(gè)層次，基礎(chǔ)性指基本單元電路設(shè)計(jì)與調(diào)試，系統(tǒng)型指若干個(gè)模擬，數(shù)字基

4、本單元電路組成并完成特定功能的電子電路的設(shè)計(jì)，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(jì)，制作出滿足一定性能指標(biāo)或特定功能的電子電路任務(wù)。      1.3設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與要求：    1) 頻率測(cè)量范圍：1HZ-10KHZ，10KHZ-100KHZ。  2）測(cè)量時(shí)間：T1.5s。  3）被測(cè)信號(hào)幅度:0.5V。 4) 具有四位十進(jìn)制數(shù)字顯示功能。 2 總體方案及硬件設(shè)計(jì)2.1方案設(shè)計(jì)

5、：  頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它可以測(cè)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(hào)整形為方波，并利用計(jì)數(shù)器測(cè)量1s內(nèi)脈沖的個(gè)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(cè)量方法有以下四種。1測(cè)周法 首先把被測(cè)信號(hào)進(jìn)行二分頻，獲得一個(gè)高電平時(shí)間或低電平時(shí)間都是一個(gè)信號(hào)周期的方波信號(hào)，然后用一個(gè)已知周期Ts的高頻方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，在一個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間內(nèi)對(duì)fs信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如圖1-2所示。 圖1-2   測(cè)周法原理若在T時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值為N，則有     &#

6、160; T=N*Ts    即                     f=1/T=1/N*Ts=fs/N 測(cè)周法測(cè)量的誤差與信號(hào)頻率成正比，而與高頻率標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)信號(hào)的頻率成反比。當(dāng)fs為常數(shù)時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率越低，誤差越小，測(cè)量精度也就越高。  由于測(cè)周法所獲得的信號(hào)周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運(yùn)算才能得到信號(hào)頻率，而二進(jìn)制數(shù)據(jù)的求倒數(shù)運(yùn)算中小

7、規(guī)模數(shù)字集成電路卻較難實(shí)現(xiàn)，因此，測(cè)周法不適合本設(shè)計(jì)要求。2測(cè)周期/頻率法 周期/頻率測(cè)量是采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，分別對(duì)被測(cè)信號(hào)f和高頻標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)信號(hào)fs進(jìn)行計(jì)數(shù)，其測(cè)量原理如圖1-3所示 圖1-3     測(cè)周期/頻率法原理 在確定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，若對(duì)被測(cè)信號(hào) f的計(jì)數(shù)值為N1，對(duì)高頻信號(hào) f的計(jì)數(shù)值N2，則所測(cè)的信號(hào)頻率為        f=1/T=N1/N2*Ts=N1*fs/N2  可見(jiàn)，周期/頻率法需要進(jìn)行除法運(yùn)算才能得到信號(hào)頻率，這用

8、中小規(guī)模數(shù)字集成電路卻較難實(shí)現(xiàn)，因此，該方法不適合本設(shè)計(jì)要求。 3. F/V與A/D法 這種頻率測(cè)量方法是先通過(guò)F/V變換，把頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；然后再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到所測(cè)信號(hào)的頻率。4測(cè)頻法                          數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖如下圖所

9、示，他由六個(gè)基本單元電路組成：衰減放大整形系統(tǒng)、時(shí)基電路、邏輯控制電路、閘門電路、計(jì)數(shù)鎖存電路、譯碼顯示電路。 由555定時(shí)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(guò)多級(jí)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(hào)，時(shí)間基準(zhǔn)T成為砸門時(shí)間。寬度為T的方波脈沖控制閘門（與非門）的一個(gè)輸入端B。當(dāng)A端接入一個(gè)信號(hào)源時(shí)，經(jīng)過(guò)衰減器的衰減、放大器的放大作用和555定時(shí)器構(gòu)成的整形系統(tǒng)的整形產(chǎn)生一個(gè)周期為Tx的序列窄脈沖，當(dāng)門控信號(hào)到來(lái)后，閘門開(kāi)啟，周期為Tx的脈沖信號(hào)和周期為T的門控信號(hào)相與非通過(guò)閘門，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)全都為高電平時(shí)相與的結(jié)果保持A

10、的信號(hào)不變，當(dāng)閘門信號(hào)為低電平時(shí)，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(hào)送到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到門控信號(hào)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(jì)數(shù)器也停止計(jì)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(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 本設(shè)計(jì)選擇了測(cè)頻法，由于測(cè)頻法的測(cè)量誤差與信號(hào)頻率有關(guān)：信號(hào)頻率越高，誤差越??；而信號(hào)頻率越低，則測(cè)量誤差越大。用測(cè)頻法所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，在閘門時(shí)間為1s時(shí)，不需要進(jìn)行任何換算，計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)據(jù)就是信號(hào)頻率。另外，在信號(hào)頻率較低時(shí)，如1100Hz，可

11、以通過(guò)增大閘門時(shí)間來(lái)提高測(cè)量精度。  2.2硬件設(shè)計(jì)：原件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注15552定時(shí)器2741232邏輯控制電路374LS90610進(jìn)制計(jì)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21

12、C0.01uF1電容 3各模塊的設(shè)計(jì)： 3.1控制電路波形示意圖  由頻率的算法可知閘門的時(shí)間決定量程，可以通過(guò)閘門時(shí)基選擇開(kāi)關(guān)選擇，T大些，測(cè)量準(zhǔn)度就高些。根據(jù)被測(cè)頻率選擇閘門時(shí)間，顯示器的小數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)閘門顯示數(shù)據(jù)量程。實(shí)驗(yàn)時(shí)若未加小數(shù)點(diǎn)顯示閘門時(shí)間T為1s，被測(cè)信號(hào)頻率通過(guò)計(jì)數(shù)鎖存可直接從計(jì)數(shù)顯示器上讀出。調(diào)試時(shí)觀測(cè)被測(cè)信號(hào)、閘門信號(hào)、清零信號(hào)、鎖存信號(hào)各點(diǎn)波形可得一組完整的數(shù)字頻率計(jì)的波形，各部分的波形如圖示。 3.2單元電路設(shè)計(jì) 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(shuí)器、放大器和施密特觸發(fā)器，他將正弦波輸入信號(hào)

13、V1整形成同頻率方波V0。衰減器由分壓器構(gòu)成，測(cè)試信號(hào)首先通過(guò)衰減開(kāi)關(guān)選擇衰減倍率，幅值過(guò)大的被測(cè)信號(hào)經(jīng)分壓器分壓，送入后級(jí)放大系統(tǒng)以免波形失真。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的設(shè)計(jì)跟隨器起阻抗變換的作用，使輸入阻抗變大，由運(yùn)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(jì)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(hào)進(jìn)行放大。  整形電路由555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，對(duì)放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖信號(hào)。3.2.2時(shí)基電路 

14、        時(shí)基電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)（高電平持續(xù)時(shí)間為1s）。本實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際信號(hào)根據(jù)所提供器件，由555定時(shí)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(dāng)555定時(shí)器接通電源后，電壓經(jīng)變位器和兩個(gè)電阻對(duì)電容經(jīng)行充電，當(dāng)電壓上升到一定電壓（該電壓由變位器的阻值大小決定 ，當(dāng)變位器的阻值為0時(shí)，該值為5/3 V）時(shí)，Uo=0，VT導(dǎo)通，電容通過(guò)R2和VT放電，在放電的過(guò)程中，電容兩端電壓下降，當(dāng)電壓下降到一定時(shí)，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

15、，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(guò)三個(gè)分頻器，使頻率計(jì)的功能更齊全，能夠調(diào)整測(cè)量頻率的范圍，使測(cè)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(shí)機(jī)信號(hào)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的負(fù)跳變用來(lái)產(chǎn)生鎖存信號(hào)，鎖存信號(hào)的負(fù)跳變又用來(lái)產(chǎn)生清零信號(hào)。脈沖信號(hào)可由兩個(gè)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(shí)間常數(shù)決定。  74LS221是一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，每一個(gè)觸發(fā)器的功能如下圖所示：由74LS221組成的邏輯控制電路由如下圖所示，當(dāng)1=1B=1時(shí)，觸發(fā)

16、脈沖從1A端輸入，在觸發(fā)端的負(fù)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(fù)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(hào)，假設(shè)未加重觸發(fā)脈沖時(shí)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=0.45RextCex

17、t  從而可以控制外界電容和電阻的大小來(lái)控制電路的時(shí)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(lái)控制鎖存器的鎖存，還可以利用他的下降沿脈沖來(lái)控制計(jì)數(shù)器的清零（也可用手動(dòng)來(lái)清零），如此，邏輯控制電路便實(shí)現(xiàn)了控制的功能，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(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，輸入端的一端接門控信號(hào)，另一端接整形后的被測(cè)方波信號(hào)。閘門是否開(kāi)通受門控信號(hào)的控制，當(dāng)門控信號(hào)為高電平時(shí)，閘門開(kāi)啟，而門控信號(hào)為低電平時(shí)，閘門關(guān)閉。顯然，只有在閘門開(kāi)啟的時(shí)間內(nèi)，被測(cè)信號(hào)才能通過(guò)閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間就是閘門開(kāi)啟時(shí)間?？?/p>

18、見(jiàn)，門控信號(hào)的寬度一定時(shí)，閘門的輸出值正比于被測(cè)信號(hào)的頻率，計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)再把閘門的輸出結(jié)果顯示出來(lái)，就可以得到被測(cè)信號(hào)的頻率。 3.2.5計(jì)數(shù)鎖存器  計(jì)數(shù)鎖存電路由計(jì)數(shù)器和鎖存器組成。計(jì)數(shù)器由4片74LS90按十進(jìn)制計(jì)數(shù)組成，四個(gè)芯片級(jí)聯(lián)而組成10000進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器是將 個(gè)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(wàn)位的相連，如此組成進(jìn)位，然后將在計(jì)數(shù)清零時(shí)將計(jì)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(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)所得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定的顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值，1s結(jié)束時(shí)，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號(hào)，將

19、此時(shí)計(jì)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(yáng)極）兩種，本實(shí)驗(yàn)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)動(dòng)電流約為10mA，BS202的最大驅(qū)動(dòng)電流約為15mA，該顯示器的外形如下  從鎖存器出來(lái)的信號(hào)是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后被鎖存在鎖存器中的信號(hào)，是二進(jìn)制的數(shù)，在顯示器上不能直接顯示，需要譯碼器將二進(jìn)制的數(shù)譯碼成為十進(jìn)制的數(shù)，然后才能在顯示器上

20、讀出頻率。 3.3數(shù)字頻率計(jì)整體電路：      有前面3.2可知由衰減放大整形系統(tǒng)、時(shí)基電路、邏輯控制電路，閘門電路，計(jì)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(lái)即可組成數(shù)字頻率計(jì)整體電路。 4.心得體會(huì)與總結(jié)經(jīng)過(guò)一周的學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)，我對(duì)于數(shù)字頻率計(jì)的組成與功用有了了解與掌握，并且對(duì)于數(shù)字頻率計(jì)的個(gè)部分電路有了各設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了論證與設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)頻率計(jì)的電路過(guò)程中對(duì)于邏輯控制電路有了更深一步的認(rèn)識(shí)，這次課程設(shè)計(jì)，是一次理論與實(shí)踐的結(jié)合，也可以說(shuō)讓我們平時(shí)的積累得到一次施展，加深了對(duì)電子技術(shù)的理解，明白了所學(xué)知識(shí)的重要性

21、和自己理論知識(shí)的欠缺，增加了自己對(duì)所學(xué)課程的興趣。只有通過(guò)真正的電子器件設(shè)計(jì)，才能更好地了解數(shù)電的用處。在這次課程設(shè)計(jì)中，我體會(huì)到了學(xué)有所用，真正把課堂上數(shù)電的知識(shí)用到了其中，去除了學(xué)習(xí)數(shù)電理論知識(shí)時(shí)的那種朦朧感?？粗O(shè)計(jì)出來(lái)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(xí)的積極性，知道學(xué)以致用，懂得何處為重。當(dāng)然也使我體會(huì)到了設(shè)計(jì)電路的趣味性，爭(zhēng)強(qiáng)了對(duì)專業(yè)的喜歡。  當(dāng)我剛接到這個(gè)課題的時(shí)候，毫無(wú)頭緒，不知從何下手，這就說(shuō)明了學(xué)習(xí)理論知識(shí)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(shí)考驗(yàn)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(cuò)，對(duì)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(wèn)題就是在模擬電路中找不到和理論電路對(duì)應(yīng)的芯片，這對(duì)我的仿真也帶來(lái)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(jiàn)的那種，又會(huì)很難查到它的功能表。甚是撓人。在經(jīng)過(guò)多次的代替，修改，假設(shè)，仿真過(guò)后，解決了部分器件的代替問(wèn)題，