【數(shù)字頻率計(jì)】自動(dòng)換擋頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1、海 南 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課 程： 電子線路課程設(shè)計(jì) 題 目： 自動(dòng)換擋數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 指導(dǎo)教師： 易家傅 15自動(dòng)換擋頻率計(jì)設(shè)計(jì)摘 要數(shù)字頻率計(jì)是主要用來顯示被測(cè)頻率的大小的裝置，其廣泛應(yīng)用于許多設(shè)計(jì)復(fù)雜、功能多樣的電子設(shè)備中，雖然其功能復(fù)雜，但是使用起來既簡(jiǎn)單又方便。本設(shè)計(jì)以純電路方式來實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的各項(xiàng)功能，主要涉及的是數(shù)字電子電路方面的知識(shí)。時(shí)基信號(hào)為1MHz，采用晶振電路來實(shí)現(xiàn)；電路可以對(duì)輸入的正弦信號(hào)、三角波信號(hào)整形成脈沖信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其頻率的測(cè)量；電路的自動(dòng)換擋功能利用74LS194來實(shí)現(xiàn)，4個(gè)檔位（3個(gè)發(fā)光二級(jí)管）來實(shí)現(xiàn)1999KHz的測(cè)量，當(dāng)量程大

2、于1MHz，則顯示溢出信號(hào)“F”，示數(shù)的顯示則采用由3個(gè)數(shù)碼管組成的電路來實(shí)現(xiàn)；測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差保持在1%之內(nèi)，并具有自檢功能。本電路的設(shè)計(jì)方案很好的實(shí)現(xiàn)了課程設(shè)計(jì)的要求，模塊聯(lián)系緊密，計(jì)數(shù)精確。關(guān)鍵詞：晶振 整形 自動(dòng)換擋 自檢 74LS194AbstractA digital cymometer is the device which messure the frequency and widely used in many design complexity and feature-rich electronic devices. The design approach to achiev

3、e pure frequency meter circuit of the function, mainly related to the digital electronic circuit knowledge. Time base signal is 1MHz, using crystal oscillator circuit to achieve; circuit on the input sinusoidal signal, the entire triangular wave signal and a pulse signal, in order to achieve their f

4、requency of measurement; circuit features automatic shifting to achieve using 74LS194, 4 files bit (three light-emitting diodes) to achieve 1 999KHz measurements, when the range is greater than 1MHz, an overflow signal is "F" measured data error remains within 1%, and has a self-test funct

5、ion. The circuit design to achieve a good curriculum design requirements, the module closely, count accurate.Key words: crystal plastic automatic shift self-test 74LS194目 錄1引 言12課程設(shè)計(jì)的目的22.1設(shè)計(jì)說明22.2設(shè)計(jì)要求32.3量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的數(shù)字式頻率計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)33方案比較44自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字頻率計(jì)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)54.1電路框架圖54.2電路設(shè)計(jì)54.2.1晶振信號(hào)電路54.2.2分頻器64.2.3門控及時(shí)序控制電路8

6、4.2.4自動(dòng)換檔電路94.2.5計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路105 測(cè)試數(shù)據(jù)和誤差分析125.1 測(cè)試數(shù)據(jù)125.2 誤差分析136課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)和建議146.1課程設(shè)計(jì)的收獲體會(huì)146.2課程設(shè)計(jì)的建議147附 錄15參考文獻(xiàn)161引 言在電子測(cè)量領(lǐng)域中，頻率測(cè)量的精確度是最高的，可達(dá)1010E-13數(shù)量級(jí)。因此，在生產(chǎn)過程中許多物理量，例如溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動(dòng)、位移、速度、加速度，乃至各種氣體的百分比成分等均用傳感器轉(zhuǎn)換成信號(hào)頻率，然后用數(shù)字頻率計(jì)來測(cè)量，以提高精確度。國際上數(shù)字頻率計(jì)的分類很多。按功能分類，因計(jì)數(shù)式頻率計(jì)的測(cè)量功能很多，用途很廣，所以根據(jù)儀器具有的功能，電

7、子計(jì)數(shù)器有通用和專用之分。(1)通用型計(jì)數(shù)器：是一種具有多種測(cè)量功能、多種用途的萬能計(jì)數(shù)器。它可測(cè)量頻率、周期、多周期平均值、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等；若配上相應(yīng)插件，就可測(cè)相位、電壓、電流、功率、電阻等電量；配上適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎€可進(jìn)行長度、重量、壓力、溫度、速度等非電量的測(cè)量。(2)專用計(jì)數(shù)器：指專門用來測(cè)量某種單一功能的計(jì)數(shù)器。如頻率計(jì)數(shù)器，只能專門用來測(cè)量高頻和微波頻率；時(shí)間計(jì)數(shù)器，是以測(cè)量時(shí)間為基礎(chǔ)的計(jì)數(shù)器，其測(cè)時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度很高，可達(dá)ns數(shù)量級(jí)；特種計(jì)數(shù)器，它具有特種功能，如可逆計(jì)數(shù)器、予置計(jì)數(shù)器、差值計(jì)數(shù)器、倒數(shù)計(jì)數(shù)器等，用于工業(yè)和白控技術(shù)等方面。數(shù)字頻率計(jì)按頻段可分為四類：低

8、速計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率10MHz；中速計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率10100MHz；高速計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率100MHz；微波頻率計(jì)數(shù)器，測(cè)頻范圍180GHz或更高。數(shù)字頻率計(jì)將模擬電子電路和數(shù)字電子電路很好融合到一起，是一個(gè)將所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的一個(gè)很好的載體。2課程設(shè)計(jì)的目的本次課程設(shè)計(jì)主要是配合模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)理論課程而設(shè)置的一門實(shí)踐性課程，起到鞏固所學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)綜合能力，培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)能力，提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。2.1設(shè)計(jì)說明數(shù)字頻率計(jì)用于測(cè)量正弦信號(hào)、矩形信號(hào)等波形的頻率，其概念是單位時(shí)間里的脈沖個(gè)數(shù)，如果用一個(gè)定時(shí)時(shí)間T控制一個(gè)閘門電路，時(shí)間T內(nèi)閘門打開，讓被測(cè)

9、信號(hào)通過而進(jìn)入計(jì)數(shù)譯碼，可得到被測(cè)信號(hào)的頻率fx=，若T=1秒，則fx=N。原理圖如圖2.1所示。計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼器時(shí)鐘電路10進(jìn)制分頻器顯示器整形正弦波矩形波自檢控制電路閘門1s0.001s圖2.1 數(shù)字頻率計(jì)原理框圖2.2設(shè)計(jì)要求基本部分(1) 被測(cè)信號(hào)的頻率范圍為1Hz999KHz，分為4個(gè)檔位：1Hz,10Hz,100Hz,1KHz。(2) 具有自檢功能，即用儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)脈沖校準(zhǔn)測(cè)量精度。(3) 用3為數(shù)碼管顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量誤差小于10%。(4) 用3個(gè)發(fā)光二極管表示單位，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)高檔位。(5) 具有自動(dòng)換擋功能，即超量程能換高檔，欠量程換低檔。2.3量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的數(shù)字式頻率計(jì)

10、的功能實(shí)現(xiàn)量程范圍為1MHz，量程分1kHz、10kHz、100kHz和1MHz（最大讀數(shù)分別為999HZ，9.99kHz，99.9kHz，999kHz）。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換：(1)當(dāng)讀數(shù)大于999時(shí)，頻率計(jì)處于超量程狀態(tài)。此時(shí)顯示器發(fā)出溢出指示（最高位顯示F，其余各位不顯示數(shù)字），下一次測(cè)量時(shí)，量程自動(dòng)增大一檔。(2)讀數(shù)小于000時(shí)，頻率計(jì)處于欠量程狀態(tài)。下次測(cè)量時(shí)，量程自動(dòng)減少一檔。顯示方式：(1)用記憶顯示方式，即計(jì)數(shù)過程中不顯示數(shù)據(jù)，待計(jì)數(shù)過程結(jié)束后，顯示技術(shù)結(jié)果，并將此顯示結(jié)果保持到下一次計(jì)數(shù)結(jié)束。顯示時(shí)間不小于1秒。(2)小數(shù)點(diǎn)位置隨量程變化自動(dòng)移位。（仿真中用小燈表示）3方案比較(1

11、)基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)這種方案最大的好處就是硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易制作PCB板，但是它的缺點(diǎn)也是明顯的由于單片機(jī)本身晶振的問題，在測(cè)量高頻時(shí)單片機(jī)難以勝任，在造價(jià)方面單片機(jī)也會(huì)相對(duì)高一些。(2)用純硬件電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，這種方案雖然電路復(fù)雜，但測(cè)量范圍大，精度高，造價(jià)低。綜合上述兩種方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的多重考慮，本設(shè)計(jì)采用第二種方案，并且本課程為電子線路設(shè)計(jì)，主要鍛煉我們數(shù)電與模電的知識(shí)，所以才有方案二更為合理。4自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字頻率計(jì)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1電路框架圖電路框架圖如圖4.1所示：圖4.1 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖4.2電路設(shè)計(jì)4.2.1晶振信號(hào)電路為了

12、得到高精度、高穩(wěn)定度的時(shí)基信號(hào)，需要一個(gè)高穩(wěn)定的高頻信號(hào)源。產(chǎn)生此信號(hào)的電路如圖4.2所示。圖中的R7，R8為反饋電阻，為門電路提供合適的工作點(diǎn)，使其工作在線性狀態(tài)。電容C3是耦合電容。采用1MHz的晶振，可以到到1MHz的振蕩信號(hào)。輸出波形如圖4.3。圖4.2 石英晶體振蕩器圖4.3 輸出頻率波形4.2.2分頻器分頻器電路（如圖4.4所示）是由多級(jí)計(jì)數(shù)器完成，目的是得到不同的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)。采用6個(gè)十進(jìn)制74LS90級(jí)聯(lián)可獲得時(shí)基為1s，0.1s ，0.01s ，0.001s (對(duì)應(yīng)的頻率分別為1Hz，10Hz，100Hz， 1000Hz)。分頻后波形如圖4.5所示。圖4.4

13、0;分頻器電路圖4.5 分頻后輸出波形4.2.3門控及時(shí)序控制電路圖4.6中 由雙JK觸發(fā)器構(gòu)成門控電路（門控電路即提取連續(xù)時(shí)基信號(hào)中的單個(gè)高電平脈沖信號(hào)的電路），由D觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路組成4時(shí)序控制電路。系統(tǒng)通電開始運(yùn)行時(shí)JK觸發(fā)器由R2和C1自動(dòng)復(fù)位，門控電路開始工作，提取計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖并讓閘門開啟和使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后觸發(fā)時(shí)序控制電路，讓系統(tǒng)中其他各個(gè)功能部分如：量程開關(guān)選擇電路，譯碼電路，數(shù)碼管顯示電路、計(jì)數(shù)器清零和進(jìn)退位信號(hào)鎖存器按順序工作，互不沖突干擾，此后，第4個(gè)D單穩(wěn)觸發(fā)器讓門控電路復(fù)位，觸發(fā)下一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖，即電路循環(huán)工作開始。時(shí)基信號(hào)、門控信號(hào)及顯示、清零、等待信號(hào)的時(shí)序

14、關(guān)系如圖4.7所示。圖4.6 門控及時(shí)序控制電路圖4.7 工作時(shí)序波形圖4.2.4自動(dòng)換檔電路換檔電路由74LS194（移位寄存器）、雙JK觸發(fā)器及門電路構(gòu)成，圖4.8中JK觸發(fā)器用作進(jìn)退位信號(hào)鎖存器，在圖4.9計(jì)數(shù)器電路中有三位10進(jìn)制數(shù)位，最高位的狀態(tài)（是否有計(jì)數(shù)或是否有溢出）作為進(jìn)位、退位和保持的依據(jù)，其狀態(tài)可用表1說明。表1 JK觸發(fā)器U8A，U8B控制74LS194 S0、S1真值表（設(shè)U8A的Q端為QA，U8B的Q端為QB）Qa(有溢出)Qb(有計(jì)數(shù))S0S174ls1940001左移0100保持1110右移  74LS194芯片腳

15、SR接高電平、SL接低電平，目的是讓右移補(bǔ)充項(xiàng)是1，左移補(bǔ)充項(xiàng)是0。由于74LS194 的Q0、Q1、Q2、Q3并非單引腳高電平切換，為了讓時(shí)基信號(hào)單通道（圖4.8中A，B，C，D 4通道）選通，則需要進(jìn)行簡(jiǎn)單譯碼，譯碼真值表可見表2。表2 量程真值表74LS194 Q0 Q1 Q2 Q374LS138對(duì)應(yīng)頻率范圍相應(yīng)燈顯示 0 0 0 0Y01999Hz全不亮 1 0 0 0Y119.99kHz燈1 1 1 0 0Y310kHz99.9kHz燈2 1 1 1 0Y7100kHz999kHz燈3 1 1 1 1超出范圍到F輸出自動(dòng)換檔電路如圖4.8所示：圖4.8 

16、自動(dòng)換檔電路圖4.2.5計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路頻率計(jì)的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路如圖4.9所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求超出量程時(shí)高位顯示F，低位不顯示，因此引入74LS32或門進(jìn)行控制；由于需要有小數(shù)點(diǎn)的自動(dòng)換檔顯示，因此引入了三個(gè)LED管；計(jì)數(shù)器采用了74LS90，將其接成十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器；BCD管顯示譯碼器選用CD4511，CD4511用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管，它是將鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身的電路。其LE端是鎖存控制端，當(dāng)LE=0時(shí)選 通，LE=1時(shí)鎖存，故用D觸發(fā)器U25；A控制LE。同時(shí)利用D觸發(fā)器U25：B控制LS90的清零端。圖4.9 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路設(shè)計(jì)的總電路圖如圖4.10

17、所示：圖4.10 總電路圖5 測(cè)試數(shù)據(jù)和誤差分析5.1 測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示：表3 測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差誤差百分比5Hz5 Hz00155Hz154 Hz1Hz0.6%400Hz396Hz4Hz1%515Hz510Hz5Hz0.9%980Hz976Hz4Hz0.4%1.5kHz1.5kHz003kHz3kHz004.5kHz4.5kHz005kHz5kHz009kHz9kHz0012kHz12.1kHz100Hz0.8%20kHz20kHz0055kHz55kHz0075kHz75.1kHz100Hz0.1%95kHz95.1kHz100Hz0.1%120kHz121kHz1

18、00Hz0.08%200kHz200kHz00350kHz350kHz00500kHz500kHz00950kHz951kHz1000.1%1.5MHzF綜觀上述數(shù)據(jù)所有誤差均在要求范圍10%之內(nèi)，故此方案是可行的。5.2 誤差分析表4 誤差分析表高位顯示可能誤差（%）00 2010.9 120.4030.3340.2750.2060.1670.1380.1290.10由上述知：在高位數(shù)值較低時(shí)，低位浮動(dòng)產(chǎn)生的誤差較大。因此在上表中在高位數(shù)值較低時(shí)給予一個(gè)誤差范圍，在其他情況誤差變化不大給予可能誤差一個(gè)固定數(shù)值。另外，若為了得到高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，可引入修改因子對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。修改

19、因子數(shù)值等同于可能誤差，在高位為0或1時(shí)候?qū)?yīng)取值為10%、0.95%?？紤]到測(cè)量值總比輸入值大，誤差為正，可以引入簡(jiǎn)單修正公式如下：修正值=測(cè)量值/(+1)由誤差=（測(cè)量值-實(shí)際值）/實(shí)際值 類比得：修改因子=（測(cè)量值-修改值）/修改值。從而得到修正公式。 采用修正公式可以有效地減少誤差，但是在高位較小時(shí)，采用修改因子進(jìn)行修改精度較低。6課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)和建議6.1課程設(shè)計(jì)的收獲體會(huì)在之前的學(xué)習(xí)中，小組成員已經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)軟件比較熟悉。在設(shè)計(jì)早期，應(yīng)用Proteus軟件完成對(duì)電路的設(shè)計(jì)。在前期的設(shè)計(jì)中本組對(duì)自動(dòng)換擋方面的電路設(shè)計(jì)總是不理想，但通過大家的共同討論，以及與一些老師的交流，我們?cè)O(shè)計(jì)出了合適的電路。當(dāng)我們把所設(shè)計(jì)的所有分塊電路組合起來卻出現(xiàn)了一些問題，這些問題可能是在設(shè)計(jì)之初沒有考慮到全局的各各