數(shù)字頻率計課程設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、 課題的任務和要求二、 總體方案設計1. 設計思路2.設計方案比較（1）方案一本系統(tǒng)采用可控制的計數(shù)、鎖存、譯碼顯示系統(tǒng)，石英晶體振蕩器及多級分頻系統(tǒng)，帶衰減器的放大整形系統(tǒng)和閘門電路四部分組成。由晶體振蕩器，多級分頻系統(tǒng)及門控電路得到具有固定寬度T的方波脈沖做門控信號，當門控信號到來，閘門開啟，周期為TX的信號脈沖和周期為T的門控信號相與通過閘門，在閘門輸出端產(chǎn)生的脈沖信號送到計數(shù)器，計數(shù)器開始計數(shù)，知道門控信號結(jié)束，閘門關閉。單穩(wěn)1的哲態(tài)送入鎖存器的使能端，鎖存器將計數(shù)器結(jié)果鎖存，計數(shù)器停止計數(shù)并被單穩(wěn)2的暫態(tài)清零。若取閘門的時間T內(nèi)通過閘門的信號脈沖個數(shù)為N

2、，則鎖存器中的鎖存計數(shù)。測量頻率可直接從數(shù)字顯示器上讀出。（2）方案二 純硬件的實現(xiàn)方法，系統(tǒng)采用由時基電路、放大整形電路、邏輯控制電路和數(shù)碼顯示器四部分組成。時基電路的作用是產(chǎn)生一個標準時間信號（高電平持續(xù)時間為1s），經(jīng)過三極管與555構成的施密特整形電路放大整形，由74LS90十進制計數(shù)器和74LS273鎖存器將所測的頻率傳給數(shù)碼管，顯示出來。（3）方案比較 方案一和方案二均可實現(xiàn)課題要求，且方案二可根據(jù)閘門時間選擇量程范圍。而且方案二最大的特點就是全硬件電路實現(xiàn)，電路穩(wěn)定性好、精度高、沒有繁瑣的軟件調(diào)試過程，大大的縮短了測量周期。根據(jù)實際實驗現(xiàn)有的器件及我們所掌握的知識層面，我們選擇采

3、用方案二。3.Xx電路原理框圖數(shù)字頻率計的原理框圖計數(shù)器鎖存器譯碼器多諧振蕩器10進制分頻器顯示器放大整形正弦波矩形波自檢控制電路閘門1s0.001s圖1-1 數(shù)字頻率計原理框圖4Xx電路原理圖（1） 總電路圖圖3-6-1 整體電路圖三、 單元電路設計1. xx電路工作原理1.放大整形電路（1）電路分析：對信號的放大功能由三極管構成放大電路來實現(xiàn)，對信號整形的功能由施密特觸發(fā)器來實現(xiàn)。施密特觸發(fā)器電路是一種特殊的數(shù)字器件，一般的數(shù)字電路器件當輸入起過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當輸入小于這個閾值時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)，而施密特觸發(fā)器不是單一的閾值，而是兩個閾值，一個是高電平的閾值，輸入從低電平向

4、高電平變化時，僅當大于這個閾值時才為高電平，而從高電平向低電平變化時即使小于這個閾值，其仍看成為高電平，輸出狀態(tài)不這；低電平閾值具有相同的特點。 圖3-1-1放大整形電路原理圖3時基電路設計（1）原理： 脈沖形成電路的作用是將待測信號(如正弦波,三角波或者其它呈周期性變化的波形)整形變成計數(shù)器所要求的脈沖信號,其周期不變。本電路采用由555定時器所構成的施密特觸發(fā)器，4位十進制數(shù)顯示;時基電路由 555 定時器及分頻器組成, 555 振蕩器產(chǎn)生脈沖信號,經(jīng)分頻器分頻產(chǎn)生的時基信號,其脈沖寬度分別為: 1s, 0.1s;當被測信號的頻率超出測量范圍時,報警. 電路原理圖如下所示。圖3.1脈沖形成

5、電路圖（下邊）分頻電路 圖3.2 分頻電路74160，是一個4位二進制的計數(shù)器，它具有異步清除端與同步清除端不同的是，它不受時鐘脈沖控制，只要來有效電平，就立即清零，無需再等下一個計數(shù)脈沖的有效沿到來。具體功能如下：1.異步清零功能 只要（CR的非）有效電平到來，無論有無CP脈沖，輸出為“0”。在圖形符號中，CR的非的信號為CT=0，若接成七進制計數(shù)器，這里要特別注意，控制清零端的信號不是N-1（6），而是N（7）狀態(tài)。其實，很容易解釋，由于異步清零端信號一旦出現(xiàn)就立即生效，如剛出現(xiàn)0111，就立即送到（CR的非）端，使狀態(tài)變?yōu)?000。所以，清零信號是非常短暫的，僅是過度狀態(tài)，不能成為計數(shù)的

6、一個狀態(tài)。清零端是低電平有效。2.同步置數(shù)功能 當（LD的非）為有效電平時，計數(shù)功能被禁止，在CP脈沖上升沿作用下D0D3的數(shù)據(jù)被置入計數(shù)器并呈現(xiàn)在Q0Q3端。若接成七進制計數(shù)器，控制置數(shù)端的信號是N（7）狀態(tài)，如在D0D3置入0000，則在Q0Q3端呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)就是0110。 3.3 移位寄存器 圖3.3移位寄存電路74LS194移位寄存器的控制輸入端S1和S0是用來進行移位方向控制的，S0為高電平時，移位寄存器處于向左移位的工作狀態(tài)，二進制數(shù)碼在CP脈沖的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以實現(xiàn)串行輸入；在S1為低電平時，移位寄存器處于向右移位的工作狀態(tài)，二進制數(shù)碼在CP脈沖的控制下逐位移

7、出寄存器(低位在前，高位在后)。在串行輸入、并行輸出的轉(zhuǎn)換中，若將四位二進制數(shù)碼全部送入寄存器內(nèi)（四位寄存器）。由于每個CP脈沖移位寄存器只移一位，四位二進制數(shù)碼需要四個CP脈沖。但若四位二進制數(shù)碼還含有其它檢驗碼(如奇偶校驗碼)，則總數(shù)碼有幾位就需要幾個CP脈沖。 時基電路由兩部分組成: 如圖3-2-1所示，第一部分為555定時器組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生1000Hz的脈沖.振蕩器的頻率計算公式為:f=1.43/(R1+2*R2)*C),因此,我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了R1取430歐姆,R3取500歐姆,電容取1uF.這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。在R1和R3之間接

8、了一個10K的電位器便于在后面調(diào)節(jié)使得555能夠產(chǎn)生非常接近1KHz的頻率。如圖3-2-2所示，第二部分為分頻電路,主要由4518組成（4518的管腳圖，功能表及波形圖詳見附錄），因為振蕩器產(chǎn)生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時基信號要求為0.01s、0.1s和1s。4518為雙BCD加計數(shù)器，由兩個相同的同步4級計數(shù)器構成，計數(shù)器級為D型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)，在單個運算中，EN輸入保持高電平，且在CP上升沿進位，CR線為高電平時清零。計數(shù)器在脈動模式可級聯(lián)，通過將Q³連接至下一計數(shù)器的EN輸入端可實現(xiàn)級聯(lián)，同時后者

9、的CP輸入保持低電平。 如圖3-2-4所示，555產(chǎn)生的1kHz的信號經(jīng)過三次分頻后得到3個頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz的方波。 圖3-2-1 振蕩器原理圖 圖3-2-2 分頻電路原理圖3閘門電路設計 （1）原理 如圖3-3所示，通過74151數(shù)據(jù)選擇器來選擇所要的10分頻、100分頻和1000分頻。74151的CBA接撥盤開關來對選頻進行控制。當CBA輸入001時74151輸出的方波的頻率是1Hz；當CBA輸入010時74151輸出的方波的頻率是10Hz；當CBA輸入011時74151輸出的方波的頻率是100Hz；這里我們以輸出100Hz的信號為例。分析其通過4017后出現(xiàn)的波形圖

10、（4017的管腳圖、功能表和波形圖詳見附錄）。4017是5位計數(shù)器，具有10個譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端，時鐘輸入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制，INH為低電平時，計數(shù)器清零。100Hz的方波作為4017的CP端，如圖3-3，信號通過4017后，從Q1輸出的信號高電平的脈寬剛好為100Hz信號的一個周期，相當于將原信號二分頻。也就是Q1的輸出信號高電平持續(xù)的時間為10ms，那么這個信號可以用來導通閘門和關閉閘門。圖3-3-1 閘門電路原理圖4控制電路設計（1）電路分析 ： 控制電路需要控制幾個模塊。包括計數(shù)電路，鎖存電路，和譯碼顯示電路。通過產(chǎn)生

11、控制信號控制所要控制的模塊，同時會產(chǎn)生清零信號和鎖存信號，使顯示器顯示的測量結(jié)果穩(wěn)定。（1） 計數(shù)電路3、計數(shù)器與分擋電路計數(shù)器的形式較多，由于設計中計數(shù)器數(shù)值由七段LED顯示，應采用十進制計數(shù)器。由于采用3位顯示，至少使用三個十進制計數(shù)器。分擋電路有HZ、KHZ兩擋，可以使用秒脈沖、毫秒脈沖做閘門信號，也可以加長計數(shù)器位數(shù)，顯示時使用多路開關選擇低位、高位實現(xiàn)分擋。 74160 的清除端是異步的。當清除端/MR 為低電平時，不管時鐘端CP 狀態(tài)如何，即可完成清除功能。74160 的預置是同步的。當置入控制器/PE 為低電平時，在 CP 上升沿作用下，輸出端 Q0Q3 與數(shù)據(jù)輸入端 P0P3

12、一致。對于54/74160，當 CP 由低至高跳變或跳變前，如果計數(shù)控制端 CEP、CET為高電平，則/PE 應避免由低至高電平的跳變，而 54/74LS160 無此種限制。74160 的計數(shù)是同步的，靠 CP 同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當 CEP、CET 均為高電平時，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。對于 54/74160，只有當CP 為高電平時，CEP、CET 才允許由高至低電平的跳變，而 54/74LS160的 CEP、CET 跳變與 CP 無關。74160 有超前進位功能。當計數(shù)溢出時，進位輸出端（TC）輸出一個高電平脈沖，其寬度為

13、 Q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成 N 位同步計數(shù)器。對于 54/74LS160，在 CP 出現(xiàn)前，即使 CEP、CET、/MR 發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。 3-4-1計數(shù)電路原理圖（2） 鎖存/譯碼電路4511是 BCD7 段所存譯碼驅(qū)動器，在同一單片結(jié)構上由 COS/MOS 邏輯器件和 npn 雙極型晶體管構成。這些器件的組合，使 4511 具有低靜態(tài)耗散和高抗干擾及源電流高達 25mA 的性能。由此可直接驅(qū)動 LED 及其它器件。 LT 、BI 、LE 輸入端分別檢測顯示、亮度調(diào)節(jié)、存儲或選通一BCD碼等功能。當使用外部多路轉(zhuǎn)換電路時，可多路轉(zhuǎn)換和顯示幾種不同的

14、信號。根據(jù)4511的真值表來連線，并不困難，這里就不做詳解了。3-4-2鎖存/譯碼電路原理圖（2）控制電路總原理圖： 圖3-4-2 控制電路原理圖通過分析我們知道控制電路這部分是本實驗的最為關鍵和難搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個小的模塊，通過控制選擇所要測量的東西。比如頻率，周期，脈寬。同時控制電路還要產(chǎn)生74160的清零信號，4511的鎖存信號?？刂齐娐贰Ｓ嫈?shù)電路和譯碼顯示電路詳細的電路如圖3-5所示。當74153的CBA接001、010、011的時候電路實現(xiàn)的是測量被測信號頻率的功能。當74153的CBA接100的時候?qū)崿F(xiàn)的是測量被測信號周期的功能。當74153的CBA接101的時候?qū)?/p>

15、現(xiàn)的是測量被測信號脈寬的功能。圖3-6是測試被測信號頻率時的計數(shù)器CP信號波形、PT端輸入波形、CLR段清零信號波形、4511鎖存端波形圖。其中第一個波形是被測信號的波形圖、第二個是PT端輸入信號的波形圖、第三個是計數(shù)器的清零信號。第四個是鎖存信號。PT是高電平的時候計數(shù)器開始工作。CLR為低電平的時候，計數(shù)器清零。根據(jù)圖得知在計數(shù)之前對計數(shù)器進行了清零。根據(jù)4511（4511的管腳圖和功能表詳見附錄）的功能表可以知道，當鎖存信號為高電平的時候，4511不送數(shù)。如果不讓4511鎖存的話，那么計數(shù)器輸出的信號一直往數(shù)碼管里送。由于在計數(shù)，那么數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字，由于頻率大，那么會發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直

16、在閃動。那么通過鎖存信號可以實現(xiàn)計數(shù)的時候讓數(shù)碼管不顯示，計完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計數(shù)器計到的數(shù)字的功能。根據(jù)圖可以看到，當PT到達下降沿的時候，此時4511的LE端的輸入信號也剛好到達下降沿。5自動換擋（1)原理圖 圖3-5-1自動換擋原理圖自動換擋時采用可增可減的計數(shù)器74LS192來實現(xiàn)的，然后在結(jié)合D觸發(fā)器和各基本門電路就能做成一個可進可退的自動換擋了，換擋的工作時鐘是在計數(shù)完后才開始工作的，然后顯示器是超量程了或是欠量程了就通過D觸發(fā)器反饋出來的信號在作用在74LS192上就可以實現(xiàn)增減檔位了，本圖是由高檔位向低檔位過渡的，經(jīng)由實踐可得從高檔位開始測量可以減小仿真時間。2. xx電路參

17、數(shù)計算四、 仿真五、 小結(jié)六、 第四章 設計小結(jié)1 設計任務完成情況基本完成只用了2周，但是后續(xù)還是有很多問題出現(xiàn)，比如在震蕩電路的時候，要調(diào)出1KHZ的標準頻率有點困難，一不小心就會導致波形變形嚴重，開始認為這是最簡單的一個環(huán)節(jié)的。接著是整形放大，遇到了2種情況，能放大又整形的不好，能整形放大的又不好，后來仔細研究了一下終于解決這個問題了，這個2個模塊算是整個電路里面比較簡單的地方了。接著是最難的控制電路，花的時間也非常的多，我先設計的是不自動換擋的時候確保能正常計數(shù)了，然后再設計自動換擋來加到控制電路當中，幾經(jīng)調(diào)整最后終于完成了全部任務，小數(shù)點是最后解決的因為是最簡單的。2 問題及改進在設

18、計的555構成多諧振蕩器輸出的方波信號，由于電路里面使用的電容元件，在實驗的時候，隨著實驗室里面溫度的變化，輸出信號的頻率也會發(fā)生變化，這是造成誤差的一個原因，為了在驗收的時候提高測量的準確性，所以在測量前要調(diào)節(jié)電位器，把產(chǎn)生的方波信號接示波器，測量其輸出頻率，調(diào)節(jié)電位器，使輸出的信號非常接近1KHz，這樣的話在后面的測量中會減小誤差。在調(diào)測計數(shù)顯示電路的時候，在連接4511元件的時候忘記了將4511的5端接地，導致數(shù)碼管無法計數(shù)，在實驗的過程中，連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒反應，然后通過示波器一個一個檢測元件的輸入和輸出信號，看看是不是和理論的一樣。找出不符合理論的那部分，對照電路圖進行檢查修改，

19、最后發(fā)現(xiàn)有的芯片的使能端沒有接地，導致元件的功能沒有實現(xiàn)。所以在連接電路的時候要細心，這也是要改進的地方。不然的話就會出現(xiàn)一個又一個的連接上面的問題。在最終測量頻率很低的時候，那么本次電路測量頻率的算法就有了一定的缺點。例如，當被測信號為0.5Hz時，其周期為2s，這時閘門的脈沖仍為1s顯然是不行的。故應該加寬閘門脈沖的寬度假設閘門脈沖寬度加至10S，則閘門導通期間可計數(shù)5次，由于計數(shù)值5是10s的計數(shù)結(jié)果，故在顯示之間必須將計數(shù)值除以10.加寬閘門信號也會帶來一些問題：計數(shù)結(jié)果要進行除以10的運算，每次測量的時間最少要10s，時間過長不符合人們的測量習慣，由于閘門期間計數(shù)值過少，測量的精度也

20、會下降。為了克服測量低頻信號時的不足，可以使用另一種算法。將被測信號送入被測信號閘門產(chǎn)生電路，該電路輸出一個脈沖信號，脈寬與被測信號的周期相等。再用閘門產(chǎn)生電路輸出的閘門信號控制閘門電路的導通與開斷。設置一個頻率精度較高的周期信號（例如10KHz）作為時基信號，當閘門導通時，時基信號通過閘門到達計數(shù)電路計數(shù)。由于閘門導通時間與被測信號周期相同，則可根據(jù)計數(shù)器計數(shù)值和時基信號的周期算出被測信號的周期T。T=時基信號周期*計數(shù)器計數(shù)值。再根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關系，算出被測信號的頻率f。這里面就提供一個思想。沒有通過實踐去驗證。不可避免，這個算法也有它自己的缺陷。還有就是從手動換擋，到只可進或只可退的自動換擋，最后改進成了可進可退的自動換擋，其中的路途是非常曲折的，主要不同的就是換擋計數(shù)器的選擇，例如用了74LS160做出來的