簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)

1、 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 電路CAD 課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)名稱(chēng) 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 裝訂線專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)號(hào) 姓名 成績(jī) 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì) 摘 要 在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分緊密的聯(lián)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，其中電子計(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)，是測(cè)量頻率的重要手段之一。電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻有兩種方式：一是直接測(cè)頻法；二是間接測(cè)頻法，如周期測(cè)頻法。本文闡述了基于通用集成電路設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字頻率計(jì)的過(guò)程。AbstractBe one of the mo

2、st fundamnetal parameter in electron technology medium frequency, parameter measurement scheme, measurement result all have very close something to do with a lot of electricity and, the frequency measurement looks like being more important therefore right away. The method measuring frequency has var

3、ious, among them the electronic counter measures frequency having accuracy height, usage is conveient, measurement is prompt, easy to realize measurement process automation waits for merit and, is one of the important means that frequency measures. The electronic counter frequency having two kinds w

4、ay :Measure frequency law first directly ;Two is indirect measure frequency law, if the period measure frequency law. 裝訂線目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求3二、方案設(shè)計(jì)與論證3三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算41. 我所設(shè)計(jì)的電路單元42.各部分單元電路原理圖 53. 計(jì)頻電路部分64. 計(jì)頻電路部分電路原理圖 75. 單元電路總結(jié)8四、總原理圖及元器件清單91總原理9 2說(shuō)明 10 3元器件清單 10五、結(jié)論與心得10六、設(shè)計(jì)后思考10參考文獻(xiàn)11裝訂線 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易

5、數(shù)字頻率，該頻率計(jì)測(cè)量頻率小于10kHz。要求如下1. 要求測(cè)量數(shù)據(jù)顯示3秒以上；2. 被測(cè)信號(hào)為幅值小于10V的脈沖或幅值小于10V的正弦交流電壓；3. 該系統(tǒng)框圖如圖1所示。電源電路計(jì)數(shù)器鎖存電路譯碼顯示電路輸入電路圖1 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)原理框圖二、方案設(shè)計(jì)與論證由于本次設(shè)計(jì)內(nèi)容要求將正弦波或三角波轉(zhuǎn)化為方波來(lái)進(jìn)行計(jì)頻，所以在本次電路中加入了整形電路部分，時(shí)基電路部分采用脈沖信號(hào)發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)，閘門(mén)電路部分與鎖存部分電路整合到了計(jì)時(shí)部分電路中，并將計(jì)頻電路部分單獨(dú)列為一框圖。邏輯控制電路由若干與非門(mén)及與門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如下：計(jì)數(shù)器整形電路時(shí)基電路閘門(mén)電路被測(cè)信號(hào)鎖存器譯碼顯示器邏輯控制電路圖

6、2 數(shù)字頻率計(jì)原理框圖圖2中，各單元電路的工作原理下：（1）整形電路：將輸入頻率為周期的信號(hào)（如正弦波、三角波等）進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。（2）時(shí)基電路：作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào) (高電平持續(xù)時(shí)間為1s)。 （3）閘門(mén)電路：閘門(mén)開(kāi)通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)閘門(mén)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到1s信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門(mén)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。若在閘門(mén)時(shí)間1S內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則被測(cè)信號(hào)頻率fx=NHz。邏輯控制電路：作用有兩個(gè)：一是產(chǎn)生鎖存脈沖信號(hào)，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生“0”脈沖（清零信號(hào)），使計(jì)數(shù)器每次測(cè)量從零開(kāi)始計(jì)數(shù)裝訂線（4）計(jì)數(shù)器：對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行記錄。（5）鎖存器：在邏輯控制電路控制下鎖存信號(hào)

7、。（6）譯碼器：譯碼器的主要任務(wù)是將計(jì)數(shù)器的輸出工作狀態(tài)，翻譯成數(shù)字并顯示出來(lái)。（7）邏輯控制電路：對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，并控制鎖存器。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1. 我所設(shè)計(jì)的電路單元（1）計(jì)數(shù)電路部分 經(jīng)過(guò)分析決定將電路設(shè)計(jì)為三部分，這是計(jì)時(shí)電路部分。頻率計(jì)測(cè)量的是被測(cè)信號(hào)1s內(nèi)的周期數(shù)，因此需通過(guò)此計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一秒鐘的控制，當(dāng)一秒鐘到時(shí)需控制計(jì)頻電路停止計(jì)數(shù)，鎖存數(shù)據(jù)，并且該計(jì)數(shù)器也要顯示出計(jì)頻完成。此部分是通過(guò)一個(gè)100Hz的交流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，需要74160芯片。當(dāng)計(jì)數(shù)到100時(shí)最高位數(shù)碼管顯示1，其余顯示0。通過(guò)與門(mén)的控制使計(jì)數(shù)一直停留在100。當(dāng)100到達(dá)時(shí)，最高位數(shù)碼管的4腳是高電

8、平，與電源電壓通過(guò)與非門(mén)，變成低電平輸入16腳，使最低位芯片斷電，停止計(jì)數(shù)，這樣整個(gè)計(jì)數(shù)器就保持在了100。同時(shí)通過(guò)與非門(mén)的控制輸入計(jì)頻部分的7腳、10腳，控制計(jì)頻電路。此時(shí)正好為1s。經(jīng)過(guò)查找資料，決定選用74160芯片。此芯片為同步加法計(jì)數(shù)器，引腳排列如圖3所示。CT74LS160的邏輯功能如下：CLR=0時(shí)異步清零。RCO=0CLR =1、LOAD=0時(shí)同步并行置數(shù)。RCCLR=LOAD=1且ENT=ENP=1時(shí)，按照BCD碼進(jìn)行同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)。RCO=QD.QACLR= LOAD =1且ENT=ENP=0時(shí)，計(jì)數(shù)器狀態(tài)保持不變。圖3 74160芯片74160芯片價(jià)格便宜，容易買(mǎi)到。而且

9、功能強(qiáng)大，抗干擾能力強(qiáng)。后來(lái)想到，其實(shí)不用用3個(gè)74160芯片，1個(gè)2個(gè)都行，只需要將交流電源的頻率改 裝訂線 成對(duì)應(yīng)的就行，1個(gè)芯片就設(shè)置成1Hz，2個(gè)芯片就設(shè)置成10Hz，只要能實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)一秒就行。同時(shí)，不需要那么多與門(mén)電路，可以跟計(jì)頻器一樣，通過(guò)15腳的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片信號(hào)的鎖存。以上兩種情況還可以減小延時(shí)造成的影響。（2）整流電路部分 此部分是將正弦波、三角波等各種波形轉(zhuǎn)換成矩形波，形成矩形脈沖，輸入計(jì)頻電路。主要應(yīng)用了555定時(shí)器，用信號(hào)發(fā)生儀發(fā)出脈沖信號(hào)，作為輸入信號(hào)。2. 各部分單元電路原理圖（1）計(jì)數(shù)電路部分原理圖如圖5圖5 計(jì)數(shù)電路部分原理圖上圖顯示的結(jié)果為計(jì)數(shù)停止時(shí)的結(jié)果（2）

10、整流電路部分原理圖如圖6圖6 整流電路部分原理圖在電路中加入示波器方便觀察波形，便于仿真，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真結(jié)果見(jiàn)圖7、8。 裝訂線 圖7 正弦波轉(zhuǎn)化為矩形波圖8 三角波轉(zhuǎn)化為矩形波從仿真結(jié)果可以看出實(shí)驗(yàn)成功3. 計(jì)頻電路部分（3）計(jì)頻電路單元本單元采用四片7610芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)從09999Hz的頻率記錄。本單元可以進(jìn)行擴(kuò)展，如果進(jìn)行更高頻率的測(cè)量，只需添加芯片即可。如，測(cè)量范圍到99999Hz，只需添加一片芯片即可。另外需要4個(gè)數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)值的顯示。Vcc提供電源，輸入各芯片的16腳。根據(jù)芯片的邏輯功能，當(dāng)1腳、9腳為高電平， 裝訂線 且7腳、10腳為高電平時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。第一個(gè)芯片的7腳、10

11、腳通過(guò)計(jì)數(shù)部分來(lái)控制。當(dāng)輸入的為低電平時(shí)，停止計(jì)數(shù)，并且鎖存數(shù)據(jù)。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的鎖存。右邊的芯片，即高位靠低位芯片15腳的輸出來(lái)控制是計(jì)數(shù)還是鎖存數(shù)據(jù)。通過(guò)與門(mén)電路送入高位芯片的7、10腳。通過(guò)邏輯功能分析可以很好的理解芯片的工作原理。用EWB5.0中的邏輯分析儀來(lái)測(cè)試74160的邏輯功能，A、B、C、D、E分別對(duì)應(yīng)1、2、7、10、15腳。其結(jié)果見(jiàn)圖4。圖4 74160的真值表該單元的計(jì)時(shí)時(shí)間通過(guò)計(jì)時(shí)電路部分來(lái)控制，而需測(cè)量的脈沖信號(hào)由整形電路部分輸送，通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)端2腳送入該單元。這個(gè)單元是通過(guò)查找資料得來(lái)的，該原理圖簡(jiǎn)單直觀，易于理解。但原來(lái)的原理圖上有很多問(wèn)題。比如最低位上的數(shù)據(jù)不能鎖

12、存。原來(lái)是計(jì)數(shù)部分發(fā)來(lái)的脈沖送入16腳，這樣的話相當(dāng)于計(jì)時(shí)時(shí)間到了以后最低位芯片斷電，致使最低位數(shù)據(jù)不能鎖存。現(xiàn)在將16腳直接接高電平，而將7、10腳接在計(jì)時(shí)電路送來(lái)的脈沖上，這樣，就可以實(shí)現(xiàn)最低位的鎖存。另外，通過(guò)自己的類(lèi)推以及仔細(xì)思索，將電路擴(kuò)展，得到了10kHz的頻率計(jì)。4. 計(jì)頻電路部分電路原理圖（3）計(jì)頻電路部分原理圖如圖9裝訂線圖9 計(jì)頻部分電路分析：圖9為頻率8000Hz時(shí)的示數(shù)。5. 單元電路總結(jié)本設(shè)計(jì)由三部分組成，分別是計(jì)時(shí)電路部分、計(jì)頻電路部分和整形電路部分。三部分緊密相連。本次設(shè)計(jì)的原理很簡(jiǎn)單，通俗易懂。計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)到1s時(shí)停止計(jì)時(shí)，同時(shí)控制計(jì)頻電路停止計(jì)頻。被測(cè)信號(hào)通過(guò)

13、整形電路進(jìn)入測(cè)頻電路。四、總原理圖及元器件清單1總原理圖圖12 總原理圖 裝訂線圖13 PCB電路版圖2說(shuō)明計(jì)時(shí)電路部分、計(jì)頻電路部分和整形電路部分三部分組成整個(gè)原理圖。計(jì)時(shí)電路利用交流電源作為脈沖信號(hào)，該交流電源頻率為100Hz，計(jì)時(shí)到1s時(shí)停止計(jì)時(shí)，同時(shí)通過(guò)與非門(mén)控制計(jì)頻電路停止計(jì)頻。被測(cè)信號(hào)通過(guò)整形電路進(jìn)入測(cè)頻電路時(shí)鐘端2腳。完成測(cè)頻。3元器件清單表1 頻率計(jì)電路原理圖中的元件清單元件序號(hào)主要參數(shù)封裝數(shù)量備注C110nFRAD0.21IC67408DIP141IC174160DIP161IC274160DIP161SSGD37_seg_hexSIP41IC47408DIP141SSGD1

14、7_seg_hexSIP41IC374160DIP161IC77408DIP141IC87400DIP141SSGD27_seg_hexSIP41IC97408DIP141IC5555DIP81CLK1100SIP21裝訂線五、設(shè)計(jì)心得在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,讓我學(xué)會(huì)如何分析問(wèn)題,如何解決問(wèn)題,以及如何總結(jié)問(wèn)題。在這次設(shè)計(jì)當(dāng)中，感觸最深的便是實(shí)踐聯(lián)系理論的重要性，當(dāng)遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí)，只要認(rèn)真思考，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，一步一步的去探索。通過(guò)本次對(duì)簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)：首先，對(duì)先修課程數(shù)字電路邏輯和模擬電子計(jì)數(shù)的鞏固：其次，對(duì)電路CAD課程有了更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。并且熟練地運(yùn)用EWB軟件，Protel99se軟件，以及如何將EWB電路生成適用于Protel99se的網(wǎng)絡(luò)表.NET文件，最后實(shí)現(xiàn)PCB圖。還有，熟悉了各仿真器件的操作過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們也遇到很多問(wèn)題，在與同學(xué)的探討下和老師的輔導(dǎo)下，我們也將其修改后得到所預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。頻率計(jì)計(jì)頻=1/100*計(jì)數(shù)數(shù)*計(jì)頻數(shù)。六、設(shè)計(jì)后思考：為什么計(jì)數(shù)電路中用到三個(gè)74160？計(jì)數(shù)電路中若是用一個(gè)74160的話，計(jì)數(shù)只能從