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文檔簡介

-.z.第二章電路的總體設(shè)計(jì)方案2.1方案論證與選擇方案的提出方案一電路整體框架如圖一所示。被測信號(hào)經(jīng)過放大,整形電路將其轉(zhuǎn)換成同頻率的脈動(dòng)信號(hào),送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),閘門的一個(gè)輸入信號(hào)是秒脈沖發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào),秒脈沖信號(hào)源含有個(gè)高穩(wěn)定的石英振蕩器和一個(gè)多級(jí)分頻器共同決定,其時(shí)間是相當(dāng)精確的,計(jì)數(shù)器顯示電路采用七段共陰極LED數(shù)碼管。圖2-1方案一框架圖方案二:本方案采用單片機(jī)程序處理輸入信號(hào)并且將結(jié)果直接送往LED顯示,為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,輸入信號(hào)前進(jìn)行放大整形,在通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入單片機(jī)系統(tǒng),采用這種方法可大大提高測試頻率的精度和靈活性,并且能極大的減少外部干擾,采用VDHL編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字頻率計(jì),除被測信號(hào)的整形部分、鍵輸入部分和數(shù)碼顯示部分以外,其余全部在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn),整個(gè)系統(tǒng)非常精簡,而且具有靈活的現(xiàn)場可更改性。但采用這種方案相對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜度將會(huì)大大提高并且采用單片機(jī)系統(tǒng)成本也會(huì)大大提高。圖2-2方案二框架圖方案三:采用頻率計(jì)專用模塊,即大規(guī)模集成電路將計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼、位和段驅(qū)動(dòng),量程及小數(shù)點(diǎn)選擇等電路集成在一塊芯片中,該方案在技術(shù)上是可行的,可以簡化電路的設(shè)計(jì),當(dāng)對(duì)于設(shè)計(jì)要求中的*些指標(biāo),采用專用模塊來完成比較困難,即擴(kuò)展極為不便。圖2-3方案三框架圖方案的的比較方案一:具有設(shè)計(jì)復(fù)雜度小、電路簡潔、功能實(shí)用且成本低廉等特點(diǎn),其穩(wěn)定性較好基本能滿足設(shè)計(jì)要求。方案二:采用單片機(jī)處理能較高要求,但成本提高且設(shè)計(jì)復(fù)雜,雖然可以達(dá)到很高的精度要求,但是,VHDL編程語言是我們在學(xué)習(xí)過程中沒有接觸過的,短期內(nèi)也很難掌握并且熟練運(yùn)用。方案三:用專用頻率計(jì)設(shè)計(jì)模塊固然設(shè)計(jì)簡單且穩(wěn)定但系統(tǒng)可擴(kuò)展性能較差。方案的選擇綜合三種方案比較:我感覺方案一和我以前學(xué)的專業(yè)知識(shí)更接加近些,電路原理容易理解,所設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)穩(wěn)定性好,基本上能夠滿足設(shè)計(jì)要求,所以我采用第一種設(shè)計(jì)方案。圖2—5數(shù)字頻率計(jì)組成框圖在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)中,數(shù)字頻率計(jì)由信號(hào)輸入電路、分頻電路、放大整形電路、閘門電路、時(shí)基電路、邏輯控制電路、計(jì)數(shù)電路、鎖存電路、譯碼顯示電路,小數(shù)點(diǎn)移位電路,量程選擇開關(guān)等組成。所謂頻率,就是周期性信號(hào)的在單位時(shí)間(1s)內(nèi)變化的次數(shù),若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N,則其頻率可表示為:(2—1)上圖是數(shù)字頻率計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖。被測信號(hào)經(jīng)放大整形電路變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)Ⅰ,其頻率與被測信號(hào)的頻率f*相同。時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)Ⅱ,其高電平持續(xù)的時(shí)間t1=1s,當(dāng)1s信號(hào)來到時(shí),閘門開通,被測脈沖信號(hào)通過閘門,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),直到1s信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉,停止計(jì)數(shù)。若在閘門時(shí)間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N,則被測信號(hào)頻率f*=NHz。邏輯控制電路的作用有兩個(gè):一是產(chǎn)生鎖存脈沖,使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定;二是產(chǎn)生清"0”脈沖Ⅴ,使計(jì)數(shù)器每次測量從零開始計(jì)數(shù)。頻率計(jì)中各信號(hào)波形如圖2—6所示:圖2—6頻率計(jì)中各信號(hào)波形說明:1、脈沖信號(hào)Ⅰ為被測信號(hào)經(jīng)放大整形電路后變成的計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào),其頻率與被測信號(hào)的頻率f*相同,或與被測信號(hào)的頻率呈一定的比例關(guān)系。2、信號(hào)Ⅱ?yàn)闀r(shí)基電路提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào),其高電平持續(xù)時(shí)間為1S,當(dāng)此信號(hào)來到,閘門開通,被測脈沖信號(hào)通過閘門,使計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù);此信號(hào)結(jié)束,則閘門關(guān)閉,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。Ⅱ脈沖信號(hào)又可稱為閘門時(shí)間脈沖,用T表示。3、脈沖信號(hào)Ⅲ為閘門時(shí)間脈沖控制下閘門所輸出的脈沖,因?yàn)橐獙⑺腿胗?jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),所以又將閘門所輸出的Ⅲ信號(hào)稱為計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。若在閘門時(shí)間1S內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N,則被測信號(hào)頻率f*=NHz。4、脈沖信號(hào)Ⅳ即為鎖存信號(hào),是邏輯控制電路產(chǎn)生的,控制鎖存器鎖存計(jì)數(shù)結(jié)果的控制信號(hào),它由時(shí)基信號(hào)Ⅱ結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的負(fù)跳變來產(chǎn)生。5、脈沖信號(hào)Ⅴ是計(jì)數(shù)器的清零信號(hào),也是邏輯控制電路所產(chǎn)生,用于控制計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零,使計(jì)數(shù)器每次測量從零開始計(jì)數(shù)。它是由鎖存信號(hào)Ⅳ結(jié)束產(chǎn)生的負(fù)跳變來產(chǎn)生。在這個(gè)總的電路設(shè)計(jì)中包含有幾個(gè)不同功能的分電路,每個(gè)電路在本設(shè)計(jì)中都有著自己特有的功能,也只有這幾個(gè)分電路組合在一起才使得整個(gè)的電路實(shí)現(xiàn)其所要達(dá)到的功能。所以還是先介紹一下每一個(gè)分電路的功能特點(diǎn)。第三章硬件電路設(shè)計(jì)3.1時(shí)基電路和閘門電路時(shí)基電路時(shí)基電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào),其高電平持續(xù)時(shí)間為1s,由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧蕩器產(chǎn)生。a.555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路,其內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)如圖3—1(a)所示及管腳圖如圖3—1(b)所示:圖3—1(a)555定時(shí)器內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)圖3—1(b)555定時(shí)器管腳圖它由分壓器、比較器、基本R--S觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個(gè)5的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器、提供參考電壓,比較器的參考電壓為,加在同相輸入端,比較器的參考電壓為,加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放、組成。高電平觸發(fā)信號(hào)加在的反相輸入端,與同相輸入端的參考電壓比較后,其結(jié)果作為基本R--S觸發(fā)器端的輸入信號(hào);低電平觸發(fā)信號(hào)加在的同相輸入端,與反相輸入端的參考電壓比較后,其結(jié)果作為基本R—S觸發(fā)器端的輸入信號(hào)?;綬--S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器、的輸出端控制。b.多諧振蕩器工作原理由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3—2(a)所示,其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖3—2(b)所示:圖3—2(a)由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧謝振蕩器圖3—2(b)由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧謝振蕩器工作波形設(shè)電容的初始電壓=0,t=0時(shí)接通電源,由于電容電壓不能突變,所以高、低觸發(fā)端==0<VCC,比較器A1輸出為高電平,A2輸出為低電平,即,(1表示高電位,0表示低電位),觸發(fā)器置1,定時(shí)器輸出此時(shí),定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止,電源經(jīng),向電容C充電,逐漸升高。當(dāng)上升到時(shí),輸出由0翻轉(zhuǎn)為1,這時(shí),觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<期間,定時(shí)器輸出為高電平1。時(shí)刻,上升到,比較器的輸出由1變?yōu)椋?,這時(shí),,觸發(fā)器復(fù)0,定時(shí)器輸出。期間,,放電三極管T導(dǎo)通,電容C通過放電。按指數(shù)規(guī)律下降,當(dāng)時(shí)比較器輸出由0變?yōu)椋?,R-S觸發(fā)器的,Q的狀態(tài)不變,的狀態(tài)仍為低電平。時(shí)刻,下降到,比較器輸出由1變?yōu)?,R---S觸發(fā)器的1,0,觸發(fā)器處于1,定時(shí)器輸出。此時(shí)電源再次向電容C放電,重復(fù)上述過程。表3—1555集成定時(shí)器的功能表本設(shè)計(jì)需要的時(shí)基信號(hào)波形如圖3-3所示圖3-3本設(shè)計(jì)要求的時(shí)基波形振蕩器的輸出波形如圖3-3所示,其中。由公式和,可計(jì)算出電阻及電容的值.若取電容則,取取可得到本設(shè)計(jì)的時(shí)基電路,如圖3—4所示:圖3-4時(shí)基電路閘門電路測量控制電路(閘門電路):用于控制輸入脈沖是否送給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。由一個(gè)數(shù)字邏輯元件與非門來獨(dú)立完成,其一端輸入高電平持續(xù)時(shí)間為1s(0.25s)的時(shí)基信號(hào),另一端輸入經(jīng)過放大整形后的未知頻率的待測信號(hào),與非門的輸出端接低位計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸入端。如圖3-5所示:圖3-5閘門電路閘門電路部分的與非門選用74LS00,74LS00是四2輸入與非門。其管腳圖如圖3-6所示。圖3-674LS00管腳圖表3-274LS00真值表3.2放大和整形電路為了能測量不同電平值與波形的周期信號(hào)的頻率,必須對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行放大與整形處理,使之成為能被計(jì)數(shù)器有效識(shí)別的脈沖信號(hào)。信號(hào)放大與波形整形電路的作用即在于此。放大電設(shè)計(jì)低頻放大電路采用由3DG100構(gòu)成帶電流串聯(lián)負(fù)反饋的分壓式單管共射放大電路比較合適,工作點(diǎn)穩(wěn)定,工作頻率*圍較寬,放大器輸入阻抗比較大。電路結(jié)構(gòu)如圖3-7所示:圖3-7低頻信號(hào)放大電路在圖3-7所示低頻信號(hào)放大電路中,三極管3DG100起電流放大作用,是組成放大器電路的關(guān)鍵元件。直流電源Vcc提供整個(gè)放大電路的能源,并且與電阻R1,R2,Rp確定三極管合適的靜態(tài)工作狀態(tài),即保證三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置,使三極管處于正常放大的狀態(tài)。集電極通過一個(gè)電阻Re接地,通過該電阻的反饋來自動(dòng)調(diào)節(jié)Ube的大小,使Ube基本保持不變。為了增大放大倍數(shù),減少輸入阻抗,在Re的兩端并聯(lián)一個(gè)較大的旁路電容Ce,若Ce兩端的交流壓降可以忽略,則電壓放大倍數(shù)將不會(huì)因此而下降。電容C的作用是隔直流。高頻放大電路采用的是ucp1651芯片對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行放大,放大電路如圖3-8所示:圖3-8高頻信號(hào)放大電路整形電路設(shè)計(jì)整形電路的作用是將輸入的周期性信號(hào),如正弦波、三角波或其他呈周期性變化的波形變換成脈沖波,其周期不變。將其他波形變換成脈沖波的電路有多種,如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等,本設(shè)計(jì)用到是過零比較器,如圖3-9所示:圖3-9被測信號(hào)整形電路在整形電路中比較放大電路采用OP37將輸入得非方波信號(hào)(如正弦波,三角波等)轉(zhuǎn)換為方波加以限幅,消波,在利用7404整形使其轉(zhuǎn)換成TTL電平輸出。輸出波形如圖3-10所示:圖3-10脈沖形成電路波形圖本電路由放大電路與整形電路兩部分組成。對(duì)于輸入幅度比較小的正弦波,三角波,方波信號(hào),要測量其頻率大小,首先要進(jìn)行放大整形,變成同頻率的方波信號(hào),實(shí)現(xiàn)此功能的電路如圖3-11所示:圖3-11放大與整形原理圖3.3邏輯控制電路控制電路是通用電子計(jì)數(shù)器完成邏輯控制的指揮系統(tǒng),控制著主閘門的開啟和關(guān)閉。在控制電路的協(xié)調(diào)指揮下,全機(jī)各部分電路協(xié)調(diào)動(dòng)作,完成各項(xiàng)測量工作。通用電子計(jì)數(shù)器的測量程序是計(jì)數(shù)—顯示—復(fù)零。也就是說,在主門開啟的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù),然后由顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來,接著發(fā)出復(fù)零信號(hào)使儀器又恢復(fù)到測量前的初始工作狀態(tài)。邏輯控制電路用來產(chǎn)生兩種控制信號(hào),一種是控制鎖存器鎖存的脈沖信號(hào),另一種是產(chǎn)生計(jì)數(shù)器的清零信號(hào),這兩種信號(hào)都需要由信號(hào)負(fù)跳變觸發(fā),其中控制鎖存的信號(hào)是由時(shí)基信號(hào)負(fù)跳變觸發(fā),清零信號(hào)則是由鎖存信號(hào)的負(fù)跳變觸發(fā)產(chǎn)生,這里就需要用到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,兩種信號(hào)各由一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器負(fù)責(zé)產(chǎn)生。經(jīng)選擇采用雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123,手動(dòng)復(fù)位開關(guān)S按下時(shí),計(jì)數(shù)器清"0”。其電路如圖3-12所示:圖3-12邏輯控制電路圖圖3-1374LS123管腳圖表3-474LS123功能表設(shè)鎖存信號(hào)和清零信號(hào)的脈沖寬度相同,如果要求=0.02s,則得若取=10K則取標(biāo)稱值3.4鎖存器電路的選擇鎖存器是構(gòu)成各種時(shí)序電路的存儲(chǔ)單元,具有0和1兩種狀態(tài),一旦狀態(tài)確定就能自行保持,即長期保持一位二進(jìn)制碼,直到有外部信號(hào)作用時(shí)才有可能改變。鎖存器是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路,它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行鎖存,使顯示器上獲得穩(wěn)定的測量值。因?yàn)樵?s內(nèi)要計(jì)成千上萬個(gè)輸入脈沖,若不加鎖存器,顯示器上的數(shù)字將隨計(jì)數(shù)器的輸出而變化,不便于讀數(shù)。1s計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí),邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號(hào),將計(jì)數(shù)器此時(shí)的值送譯碼顯示器,因此顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定的。選用8D鎖存器74LS273可以完成上述功能.當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變來到時(shí),鎖存器的輸出等于輸入,即Q=D。從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后,無論D為何值,輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)Qn不變.所以在計(jì)數(shù)期間內(nèi),計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。鎖存器連接如圖3-14所示:圖3-14鎖存器連接電路圖選用三個(gè)8位鎖存器74L273可以完成上述功能。當(dāng)時(shí)鎖存信號(hào)CP的正跳變來到時(shí),鎖存器的輸出等于輸入。從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。高電平結(jié)束后,無論D為何值,輸出端的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變。所以,在計(jì)數(shù)期間內(nèi),計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。D觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表如圖所示:表3-5D觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表3.4.28位數(shù)據(jù)/地址鎖存器74LS27374LS273是帶清除端的八D觸發(fā)器,只有清除端為高電平時(shí)才具有鎖存功能,鎖存控制端為11腳CLK,在上升沿鎖存。74LS273的1腳是復(fù)位CLR,低電平有效,當(dāng)1腳是低電平時(shí),輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全部復(fù)位;

當(dāng)1腳為高電平時(shí),11(CLK)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當(dāng)11腳有一個(gè)上升沿,立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。74LS273的邏輯功能是,當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變來到時(shí),鎖存器的輸出等于輸入,既Q=D。正脈沖結(jié)束后,無論D為何值,輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)Qn不變。74LS237的引腳圖如圖3-15所示圖3-1574LS273管腳圖當(dāng)脈沖CLK的正跳變到達(dá),鎖存器的輸出等于輸入,即Q=D。從而將從而將六個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即個(gè)位、十位、百位、千位、萬位、十萬位的輸出值送到鎖存器的輸出端,正脈沖結(jié)束后,無論D為何值,輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變,所以在計(jì)數(shù)期間計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。3.5譯碼顯示電路設(shè)計(jì)七段數(shù)字顯示器在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中,都需要將數(shù)字量直觀地顯示出來,一方面供人們直接讀取測量和運(yùn)算的結(jié)果;另一方面用于監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作情況。因此,數(shù)字顯示電路是許多的數(shù)字設(shè)備不可缺少的部分。數(shù)字顯示電路通常由譯碼器,驅(qū)動(dòng)器和顯示器等幾個(gè)部分組成,如圖3-16所示:圖3-16數(shù)字顯示框圖下面對(duì)顯示器和譯碼器驅(qū)動(dòng)器分別進(jìn)行介紹。電子顯示技術(shù)的應(yīng)用與研究涉及的*圍很廣,包括各種發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理的研究、實(shí)驗(yàn);各種顯示方式的基本原理及其結(jié)構(gòu)形式,顯示用的材料與器件的選擇和制作工藝;顯示信息的輸入、變換、處理和控制,等等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,隨著經(jīng)濟(jì)、軍事、社會(huì)與人們生活的發(fā)展,信息的種類和數(shù)量不斷增加。人們生活在信息計(jì)會(huì)中,每時(shí)每刻都在獲得*種信息。數(shù)碼顯示器是用來顯示數(shù)字,文字或符號(hào)的器件,現(xiàn)在已有很多種不同類型的產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用與各種數(shù)字設(shè)備中,目前數(shù)碼顯示器件正朝著小型,低功耗,平面化方向發(fā)展。數(shù)碼顯示方式一般有三中:第一種是字形重疊式,它是將不同字符的電極重疊起來,要顯示字符,只需要使相應(yīng)的電極發(fā)光即可,如輝光放電管,邊光顯示管等。第二種是分端式,數(shù)碼是由分布在同一平面上若干端發(fā)光的筆劃組成,如熒光數(shù)碼管等。第三種是點(diǎn)陣式,它由一些按一定規(guī)律排列的可發(fā)光的點(diǎn)陣組成,利用光點(diǎn)的不同的組合便以顯示不同的數(shù)碼,如場發(fā)光記分牌。近年來,由于半導(dǎo)體的制作和加工工藝逐步成熟和完善,發(fā)光二極管(LED:LightEmittingDiode)已日趨在固體顯示中占主導(dǎo)地位。LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展,是與它本身所具有的優(yōu)點(diǎn)分不開的。這些優(yōu)點(diǎn)概括起來是:亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化而易與集成電路匹配、驅(qū)動(dòng)簡單、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊,目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展。由組成半導(dǎo)體的材料不同而可以得到能發(fā)出不同色彩的LED晶點(diǎn)。近幾年,隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,半導(dǎo)體制作工藝日趨成熟,導(dǎo)致LED顯示點(diǎn)尺寸越來越小,解析度越來越高,而可將顯示光的三基色(紅、綠、藍(lán))復(fù)原成全彩色效果,使得發(fā)光二極管(LED)作為顯示器件的應(yīng)用*圍日益擴(kuò)大。為了使數(shù)碼管能將數(shù)碼所代表的數(shù)顯示出來,必須將數(shù)碼經(jīng)譯碼器譯出,然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的段計(jì)數(shù)顯示電路采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)/七段譯碼器和七段LED數(shù)碼管組成8位十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示器。內(nèi)部包含十進(jìn)制計(jì)數(shù)和七段譯碼器兩部分,譯碼輸出可以直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。R為清零端,當(dāng)R=1時(shí)計(jì)數(shù)器全部清零。INH端接閘門控制信號(hào),當(dāng)INH=0時(shí),計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);當(dāng)INH=1時(shí),停止計(jì)數(shù),但顯示的數(shù)字被保留。電路中的RBI與RBO端多級(jí)級(jí)聯(lián),作用是自動(dòng)消隱無效零。例如,計(jì)數(shù)狀態(tài)為"000680”,電路自動(dòng)消隱左邊三位無效零,顯示為"680”,以符合習(xí)慣。LED顯示LED(Light-EmittingDiode,發(fā)光二極管)有七段和八段之分,也有共陰和共陽兩種。LED數(shù)碼顯示管顯示原理和結(jié)構(gòu)單個(gè)LED是由7段發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示單元,有10個(gè)引腳,對(duì)應(yīng)于7個(gè)段、一個(gè)小數(shù)點(diǎn)和兩個(gè)公共端。LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格便宜。圖是八段LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)和原理圖:圖3—16(a)為八段共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖。八段數(shù)碼管由八只發(fā)光二極管組成,編號(hào)是a、b、c、d、e、f、g和dp,分別與同名管腳相連。圖3-17八段LED數(shù)碼管原理和結(jié)構(gòu)八段LED數(shù)碼顯示管原理很簡單,是通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮從而顯示不同字形的。例如,若在共陰LED管的dp、g、f、e、d、c、b、a管腳上分別家上7FH控制電平(即dp上為0伏,不亮;其余為TTL高電平,全亮),則LED顯示管顯示字形"8”。7FH是按dp、g、f、e、d、c、b、a順序排列后的十六進(jìn)制編碼(0為TTL低電平,1為TTL高電平),常稱為字形碼。因此,LED上所顯示的字形不同,相應(yīng)的字形碼也不一樣。八段共陰能顯示的字形及相應(yīng)字形碼如表1所列。該表常放在內(nèi)存中,SGTB為表的起始地址,個(gè)地址偏移量為相應(yīng)字形碼對(duì)表起始地址的項(xiàng)數(shù)。由于"B”和"8”、"D”和"0”字形相同,故"B”和"D”均以小寫字母"b”和"d”顯示。圖3—16(b)為共陽八段LED管的原理圖。圖中,所有發(fā)光二極管陰極共連后接到引腳G,G腳為控制端,用于控制LED是否點(diǎn)亮。若G腳接地、則LED被點(diǎn)亮;若G腳接TTL高電平,則它被熄滅。圖3—16(c)為共陽八段LED數(shù)碼顯示管原理圖。圖中,所有發(fā)光二極管陽極共連后接到G腳。正常顯示時(shí)G腳接+5V,各發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮取決于a~dp各引腳上是否低電平0伏。因此,共陰和共陽所需字形碼恰好相反,如表3—6所列。表3-6八段LED數(shù)碼顯示管字形碼表譯碼顯示電路譯碼器是組合邏輯電路的一個(gè)重要的器件,其可以分為:變量譯碼和顯示譯碼兩類。變量譯碼一般是一種較少輸入變?yōu)檩^多輸出的器件,一般分為2n譯碼和8421BCD碼譯碼兩類。顯示譯碼主要解決二進(jìn)制數(shù)顯示成對(duì)應(yīng)的十、或十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換功能,一般其可分為驅(qū)動(dòng)LED和驅(qū)動(dòng)LCD兩類。在數(shù)字系統(tǒng)中常見的數(shù)碼顯示器通常有:發(fā)光二極管數(shù)碼管(LED數(shù)碼管)和液晶顯示數(shù)碼管(LCD數(shù)碼管)兩種。發(fā)光二極管數(shù)碼管是用發(fā)光二極管構(gòu)成顯示數(shù)碼的筆劃來顯示數(shù)字,由于發(fā)二極管會(huì)發(fā)光,故LED數(shù)碼管適用于各種場合。液晶顯示數(shù)碼管是利用液晶材料在交變電壓的作用下晶體材料會(huì)吸收光線,而沒有交變電場作用下有筆劃不會(huì)聽吸光,這樣就可以來顯示數(shù)碼,但由于液晶材料須有光時(shí)才能使用,故不能用于無外界光的場合(現(xiàn)在便攜式電腦的液晶顯示器是用背光燈的作用下可以在夜間使用),但液晶顯示器有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是耗電相當(dāng)節(jié)省,所以廣泛使用于小型計(jì)算器等小型設(shè)備的數(shù)碼顯示。顯示譯碼器由譯碼輸出和顯示器配合使用,最常用的是BCD七段譯碼器。其輸出是驅(qū)動(dòng)七段字形的七個(gè)信號(hào)。常見產(chǎn)品型號(hào)有74LS48、74LS47等。在本次設(shè)計(jì)中我采用了74LS48。74LS48邏輯功能及說明邏輯功能:燈測試輸入:當(dāng)且時(shí),無論狀態(tài)如何,輸出全部為高電平,都可使被驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的七段同時(shí)點(diǎn)亮,以檢查該數(shù)碼管各段能否正常發(fā)光。利用這個(gè)功能可以判斷顯示器的好壞;消隱輸入:也稱滅燈輸入。為消隱輸入,當(dāng)時(shí),無論及輸入為何值,所有各段輸出均為低電平,顯示器處于熄滅狀態(tài)。為滅零輸出;滅零輸入:可以按數(shù)據(jù)顯示需要,將顯示器所顯示的0予以熄滅,而在顯示時(shí)不受影響。它在實(shí)際應(yīng)用中是用來熄滅多位數(shù)字前后不必要的零位。將滅零輸入端與滅零輸出端配合使用,很容易實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示系統(tǒng)的滅零控制。圖3-1874LS48芯片管腳圖表3-774LS48芯片功能表3.6計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的核心內(nèi)容就是電子計(jì)數(shù)器,近年來大規(guī)模的集成電路得到廣泛的應(yīng)用,在電子計(jì)數(shù)器電路上也是如此,比如現(xiàn)在的ICM7216集成IC就是CMOS工藝制造的專用IC,專用于對(duì)時(shí)間,頻率,周期等參數(shù)的測量.我在這里并不是用這個(gè)集成IC,我用的是小集成塊74LS90。74LS90是異步二—五—十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,它既可以作二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,又可以作五進(jìn)制和十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器連接電路如圖3-19所示:圖3-19計(jì)數(shù)電路圖3-2074LS90引腳排列表3-874LS90功能表通過不同的連接方式,74LS90可以實(shí)現(xiàn)四種不同的邏輯功能;而且還可借助R0(1)、R0(2)對(duì)計(jì)數(shù)器清零,借助S9(1)、S9(2)將計(jì)數(shù)器置9。其具體功詳述如下:1.計(jì)數(shù)脈沖從CP1輸入,QA作為輸出端,為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。2.計(jì)數(shù)脈沖從CP2輸入,QDQLQH作為輸出端,為異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。3.若將CP2和QA相連,計(jì)數(shù)脈沖由CP1輸入,QD、QC、QB、QA作為輸出端,則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。4.若將CP1與QD相連,計(jì)數(shù)脈沖由CP2輸入,QA、QD、QC、QB作為輸出端,則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。5.清零、置9功能。a:異步清零當(dāng)R0(1)、R0(2)均為"1”;S9(1)、S9(2)中有"0”時(shí),實(shí)現(xiàn)異步清零功能,即QDQCQBQA=0000。b:置9功能當(dāng)S9(1)、S9(2)均為"1”;R0(1)、R0(2)中有"0”時(shí),實(shí)現(xiàn)置9功能,即QDQCQBQA=1001.74LS90采用的是8421BCD計(jì)數(shù)方式,計(jì)數(shù)脈沖CP由CP0輸入,Q0接CP1,則該計(jì)數(shù)器先進(jìn)行2進(jìn)制計(jì)數(shù),再進(jìn)行5進(jìn)制計(jì)數(shù),從而完成8421BCD的十進(jìn)制計(jì)數(shù),連接圖如圖3-21所示:圖3-218421BCD碼計(jì)數(shù)3.7分頻器電路設(shè)計(jì)高頻率信號(hào)從輸入端口進(jìn)入,經(jīng)過放大器放大,在經(jīng)過分頻器進(jìn)行10分頻,得到需要的信號(hào)。分頻電路選用集成電路74LS90進(jìn)行設(shè)計(jì)較簡便。74LS90是異步二—五—十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,它既可以作二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,又可以作五進(jìn)制和十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。采用1片74LS90實(shí)現(xiàn)10分頻。10分頻電路如圖3-22所示:圖3-2210分頻電路3.8電源電路設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路用于當(dāng)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)穩(wěn)壓電路利用其反饋使輸出電壓保持穩(wěn)定。對(duì)于整個(gè)電源電路來說穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要的一環(huán),它直接影響一個(gè)穩(wěn)壓電源的好壞。對(duì)于頻率計(jì)電源電路的設(shè)計(jì),我采用一個(gè)7805三端穩(wěn)壓器電源,由三端穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的+5V直流電源供整機(jī)電路使用。電源電路圖如3-23所示:圖3-23電源電路在上述電路中,電路中使用一個(gè)7805來為其他模塊提供穩(wěn)定可靠的電源。電源變壓器將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?,然后通過整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈沖的直流電壓還含有較大的紋波,必須通過濾波電路加以濾除,從而得到平滑的直流電壓。在整流、濾波電路之后,接上7805穩(wěn)壓電路,從而維持輸出穩(wěn)定的直流電壓。二極管DQ起保護(hù)作用。當(dāng)輸入對(duì)地短路時(shí),其點(diǎn)位迅速降為零,而輸出端接有大電容,其電壓仍然接近于源輸出電壓,這時(shí),大電容將通過三端穩(wěn)壓內(nèi)部調(diào)整管釋放電荷,調(diào)整管的PN結(jié)在高電壓下有可能被擊穿,如果裝了二極管D,就能及時(shí)將電容上電荷釋放掉,從而保護(hù)了穩(wěn)壓器。C1和C2用于輸入整流濾波,C3提高7805的紋波抑制能力,C4用來改變IC的瞬態(tài)響應(yīng)。第四章數(shù)字頻率計(jì)技術(shù)指標(biāo)和誤差分析4.1數(shù)字頻率計(jì)技術(shù)指標(biāo)頻率準(zhǔn)確度:一般用相對(duì)誤差來表示,即(4—1)式中為量化誤差,是數(shù)字儀器所特有的誤差,當(dāng)主控門時(shí)間T選定,越低,量化誤差越大為主控門時(shí)間相對(duì)誤差,主要由時(shí)機(jī)電路標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確決定,。頻率測量*圍:在輸入電壓符合規(guī)定要求值時(shí),能夠正常進(jìn)行測量的頻率區(qū)間稱為頻率測量*圍。頻率測量*圍主要由放大整形電路的頻率響應(yīng)決定。本設(shè)計(jì)頻率*圍為1Hz~10MHz。數(shù)字顯示位數(shù):頻率計(jì)的數(shù)字顯示位數(shù)決定了頻率計(jì)的分辨率。位數(shù)越多,分辨率越高。測量時(shí)間:頻率計(jì)完成一次測量所需要的,包括準(zhǔn)備、計(jì)數(shù)、鎖存和復(fù)位時(shí)間??傻玫綌?shù)字頻率計(jì)的總電路圖如圖4-1所示:圖4-1數(shù)字頻率計(jì)整體電路圖4.2電路的誤差分析在測量過程中,誤差是普遍存在的。只要進(jìn)行測量,就會(huì)有測量誤差存在。本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)顯然也是一種測量工具,也存在著其特有的誤差。對(duì)誤差進(jìn)行一定的分析,有助于對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改善。計(jì)數(shù)式測量頻率的測量方法的測量誤差:由 f*= (4—2)可得=-(4—3)從上式可以看出:電

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