課程設(shè)計(jì)--數(shù)字頻率計(jì)_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、<p><b>  目 錄</b></p><p>  引 言- 1 -</p><p>  摘 要- 1 -</p><p>  第一章 設(shè)計(jì)要求- 1 -</p><p>  1.1 整體功能要求- 1 -</p><p>  1.2 技術(shù)指標(biāo)及要求- 1 -

2、</p><p>  第二章 整體方案設(shè)計(jì)- 1 -</p><p>  2.1設(shè)計(jì)原理及原理框圖- 1 -</p><p>  2.2 整體電路設(shè)計(jì)- 2 -</p><p>  第三章 單元電路設(shè)計(jì)- 3 -</p><p>  3.1 邏輯控制電路- 3 -</p><p>

3、  3.2 鎖存器- 3 -</p><p>  3.3 脈沖形成電路- 3 -</p><p>  3.4 閘門(mén)電路- 4 -</p><p>  3.5被測(cè)信號(hào)幅度擴(kuò)展電路- 5 -</p><p>  3.6 測(cè)量頻率范圍擴(kuò)展電路- 5 -</p><p>  3.7 整體電路圖- 6 -</p

4、><p>  第四章 設(shè)計(jì)小結(jié)- 8 -</p><p>  4.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況- 8 -</p><p>  4.2 心得體會(huì)- 8 -</p><p>  參考文獻(xiàn)- 8 -</p><p>  附 錄- 8 -</p><p><b>  引 言</

5、b></p><p>  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)量頻率的辦法有多種,其中數(shù)字頻率計(jì)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)量的重要手段之一。</p><p><b>  摘 要</b></p><

6、p>  數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號(hào)的頻率,而且還可以測(cè)量它們的周期。本課程設(shè)計(jì)介紹了簡(jiǎn)易頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案及其基本原理,并著重介紹了頻率計(jì)各單元電路的設(shè)計(jì)思路,原理及仿真,整體電路的的工作原理,控制器件的工作情況。整個(gè)設(shè)計(jì)配以仿真電路圖和波形圖加以輔助說(shuō)明,便于讀者理解頻率計(jì)的工作情況。設(shè)計(jì)共有三大組成部分:一是原理電路的設(shè)計(jì),本部分詳細(xì)講解了電路的理

7、論實(shí)現(xiàn),是關(guān)鍵部分;二是各單元電路的設(shè)計(jì)思路,原理及仿真,這部分是為了分析電路是否按理論那樣正常工作,便于理解。最后是對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的總結(jié)。 </p><p><b>  關(guān)鍵字</b></p><p>  頻率計(jì) 555定時(shí)器 控制電路 譯碼顯示</p><p>  第一章 設(shè)計(jì)要求</p><p>  1.1

8、 整體功能要求</p><p>  設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡(jiǎn)易頻率測(cè)量電路,用以測(cè)量正弦波、方波、三角波等周期信號(hào)的頻率值和周期并實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示。</p><p>  1.2 技術(shù)指標(biāo)及要求</p><p>  1.2.1 測(cè)量范圍:10Hz — 99.99KHz</p><p>  1.2.2 測(cè)量精度:-10Hz — +10Hz</p>

9、<p>  1.2.3 輸入信號(hào):正弦波、方波、三角波等</p><p>  1.2.4 輸入信號(hào)幅值:20mV — 5V</p><p>  1.2.5 顯示方式:4位LED數(shù)碼</p><p>  第二章 整體方案設(shè)計(jì)</p><p>  2.1設(shè)計(jì)原理及原理框圖</p><p>  數(shù)字頻率計(jì)是直

10、接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號(hào)的頻率,而且還可以測(cè)量它們的周期。</p><p>  所謂“頻率”,就是周期性信號(hào)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(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N,則其頻率可表示為。因此,數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻率時(shí)的原理圖如圖2.1.1所示。其中脈沖形成電路的作用是將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào),其重復(fù)頻率等于被測(cè)頻率。時(shí)間基準(zhǔn)

11、信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的地間脈沖信號(hào),若其周期為1s,則門(mén)控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦標(biāo)準(zhǔn)地等于1s。閘門(mén)電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制,當(dāng)秒信號(hào)來(lái)到時(shí),閘門(mén)開(kāi)通,被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)閘門(mén)送到計(jì)數(shù)譯碼器顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門(mén)關(guān)閉,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)。所以被測(cè)頻率Hz。</p><p>  圖2.1.1 數(shù)字頻率計(jì)原理框圖</p><p>  2.2 整體電

12、路設(shè)計(jì)</p><p>  如圖二所示,數(shù)字頻率計(jì)的工作過(guò)程是:被測(cè)信號(hào)經(jīng)脈沖形成電路整形,變成如①所示脈沖波形,其周期與被測(cè)信號(hào)的周期相同。實(shí)際電路輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)②,設(shè)其高電平持續(xù)時(shí)間為1s,則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間就為1s,計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N(如③所示)就是被測(cè)信號(hào)的頻率。邏輯控制單元的作用有兩個(gè):其一,產(chǎn)生清零脈沖④,使計(jì)數(shù)器每次從零開(kāi)始計(jì)數(shù);其二,產(chǎn)生鎖存信號(hào)⑤,使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定不變。這些信號(hào)之間的時(shí)序

13、關(guān)系如圖二(b)所示。</p><p> ?。╝)數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖 (b)工作時(shí)序波形</p><p>  圖2.2.1 數(shù)字頻率計(jì)的工作過(guò)程</p><p>  數(shù)字頻率計(jì)由時(shí)基電路、控制電路、閘門(mén)電路、計(jì)數(shù)鎖存電路、脈沖形成電路和譯碼顯示電路組成。</p><p>  第三章 單元電路設(shè)計(jì)</p>

14、<p>  3.1 邏輯控制電路</p><p>  根據(jù)圖2.2.1(b)所示的時(shí)序波形,在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)②結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)跳變作用來(lái)產(chǎn)生鎖存信號(hào)⑤,同時(shí)鎖存信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器又用來(lái)產(chǎn)生清零信號(hào)④,鎖存信號(hào)的脈沖寬度由本身電路的時(shí)間常數(shù)所決定。因此這兩個(gè)脈沖信號(hào)④和⑤可以由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生,其電路圖如圖3.1.1所示。</p><p>  設(shè)鎖存信號(hào)⑤的脈沖寬度tw=1.1RC。

15、若取R=1000kΩ,C=0.01μF,則tw=1.1RC=0.011s。</p><p><b>  3.2 鎖存器</b></p><p>  鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)的計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存,使顯示器上獲得穩(wěn)定的測(cè)量值。因?yàn)橛?jì)數(shù)器在1s內(nèi)要計(jì)成千上萬(wàn)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)。如圖2.2.1所示,1s的計(jì)數(shù)時(shí)間結(jié)

16、束時(shí),邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號(hào)⑤,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。</p><p>  選用8D鎖存器74LS273可以LEAR CL完成上述鎖存功能。74LS273的功能如表3.2.1所示。</p><p>  當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變來(lái)到時(shí),鎖存器的輸出等于輸入,即Q=D。從而將4個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即個(gè)位、十位、百位及千位的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后,無(wú)論

17、輸入值D為何值,輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來(lái)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。</p><p>  表 表3.2.1 74LS273功能表 </p><p>  圖3.1.1 控制電路</p><p>  3.3 脈沖形成電路</p><p>  脈形成電路的作用是將輸入的周期性信

18、號(hào),如正弦波、三角波或者其他承周期性變化的波形變換成脈沖波,其周期不變。</p><p>  其他波形變換成脈沖的電路有多種,如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等,其中施密特觸發(fā)器的應(yīng)用較多。采用集成電路555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,電路如圖3.3.1(a)所示。</p><p>  圖中R1與R2的作用是將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)。因?yàn)?55構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平UT+=(2/3)Uc

19、c,下觸發(fā)電平UT-=(1/3)Ucc,如圖3.3.1(b)所示。</p><p> ?。╝)原理圖 (b)波形圖</p><p>  圖3.3.1 脈沖形成電路</p><p>  輸入信號(hào)的直流電平Uxo應(yīng)滿(mǎn)足下列關(guān)系:(1/3)Ucc<Uxo<2/3Ucc。</p><p>  輸入信號(hào)

20、的幅度Uxm與直流電平Uxo和回差△UT有關(guān),一般來(lái)說(shuō),△UT越小,對(duì)輸入信號(hào)的幅度Uxm要求越小。如果需要減小回差,可以在555的控制端CO接入一個(gè)正電源電壓。如果去+Ucc=+5V,則回差△UT=1.67V。對(duì)于圖3.3.1(b)所示波形,若取Uxo=(1/3)Ucc+(1/2)△UT=2.5V,則輸入信號(hào)的幅度Uxm>(1/2)△UT=0.83V。為使Uxo=2.5V,對(duì)于圖3.3.1(a)所示電路,取R1=R2=10 kΩ

21、。</p><p>  如Ux輸入一個(gè)頻率為60Hz的交流電源,則Uo的輸出波形如圖3.3.2(b)所示。</p><p> ?。╝)Ux的輸入波形</p><p>  (b) Uc輸出波形</p><p>  圖3.3.2 脈沖形成電路仿真波形</p><p><b>  3.4 閘門(mén)電路</b&

22、gt;</p><p>  如圖3.4.1所示,閘門(mén)電路的作用是控制計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)(1s正脈沖)來(lái)到時(shí),閘門(mén)開(kāi)通,被測(cè)信號(hào)的脈沖通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖結(jié)束時(shí)(為低電平時(shí))閘門(mén)關(guān)閉,計(jì)數(shù)器無(wú)時(shí)鐘脈沖輸入。由此可見(jiàn)閘門(mén)電路的邏輯功能可以由一個(gè)與非門(mén)來(lái)完成,如圖3.4.1所示。</p><p>  設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為1s的脈沖是由定時(shí)器555構(gòu)成的多謝振蕩器電路產(chǎn)生的(

23、當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的精度要求較高時(shí),應(yīng)通過(guò)晶體振蕩器分頻獲得),若取振蕩器的頻率=1/(t1+ t1)=0.8Hz,則振蕩器的輸出波形如圖3.4.2所示,其中t1=1s,t2=0.25s。</p><p>  利用式t1=0.7(R1+R2)C;t2=0.7R2C.若取電容C=10μF,則R2=35.7 kΩ,取標(biāo)稱(chēng)值為36 kΩ;R2=106.9 kΩ,取R1=107 kΩ。門(mén)電路的輸入輸出各點(diǎn)波形如圖3.4.2示。&

24、lt;/p><p>  圖3.4.1 邊準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生與閘門(mén)電路 圖3.4.2 閘門(mén)電路各點(diǎn)波形</p><p>  3.5被測(cè)信號(hào)幅度擴(kuò)展電路 </p><p>  采用圖3.5.1所示電路,可以擴(kuò)展被測(cè)信號(hào)的幅度范圍。輸入信號(hào)Ux先經(jīng)過(guò)限幅器,再經(jīng)施密特觸發(fā)器整形。當(dāng)輸入信號(hào)的幅度較小時(shí),限幅器的二極管均截止,不起限幅作用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入信號(hào)的幅

25、值應(yīng)該控制在20mV到5V的范圍內(nèi)。</p><p>  圖3.5.1 幅度范圍擴(kuò)大電路</p><p>  3.6 測(cè)量頻率范圍擴(kuò)展電路</p><p>  圖3.7.1所示的數(shù)字頻率計(jì)電路,其測(cè)量的最高頻率只能為9.999kHz,完成一次測(cè)量的時(shí)間約為1.25s。而根據(jù)設(shè)計(jì)要求測(cè)量頻率的范圍為10Hz到99.99KHz,所以還需增加頻率擴(kuò)展電路。</p&

26、gt;<p>  頻率范圍擴(kuò)展電路如圖3.6.1所示,該電路可實(shí)現(xiàn)頻率量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。其工作原理是:當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率升高,千位計(jì)數(shù)器已滿(mǎn),需要升量程時(shí),計(jì)數(shù)器的最高位產(chǎn)生進(jìn)位脈沖Q3,送到由74LS92與兩個(gè)D觸發(fā)器共同構(gòu)成的進(jìn)位脈沖采集電路。第一個(gè)D觸發(fā)器的1D端接高電平,當(dāng)Q3的下跳沿來(lái)到時(shí),74LS92的Q0端輸出高電平,則第一個(gè)D觸發(fā)器的1Q端產(chǎn)生進(jìn)位脈沖并保持到清零脈沖到來(lái)。該進(jìn)位脈沖使多路數(shù)據(jù)選擇器74LS15

27、1的地址計(jì)數(shù)器74LS90加1多路數(shù)據(jù)選擇器將選通下一路輸入信號(hào),即上一次頻率的1/10的分頻信號(hào),由于此時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸入脈沖的頻率是被測(cè)頻率的1/10,故要將顯示器的數(shù)乘以10才能得到被測(cè)頻率值,這可通過(guò)移動(dòng)顯示器上小數(shù)點(diǎn)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖3.6.1所示,若被測(cè)信號(hào)不經(jīng)過(guò)分頻(100輸出),顯示器上的最大值為9.999kHz,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,經(jīng)過(guò)101分頻后,顯示器上的最大值為99.99kHz,即小數(shù)點(diǎn)每向右移動(dòng)一位,頻率的測(cè)量范圍擴(kuò)

28、大10倍。</p><p>  圖3.6.1 頻率范圍擴(kuò)展電路</p><p><b>  3.7 整體電路圖</b></p><p>  圖3.7.1 數(shù)字頻率計(jì)整體邏輯電路圖</p><p>  第四章 設(shè)計(jì)小結(jié)</p><p>  4.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況</p><

29、p>  通過(guò)為期兩周的課程設(shè)計(jì),基本完成了本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求,剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候,由于控制電路這部分比較難,所以在連接電路的時(shí)候, 就會(huì)停下來(lái)設(shè)計(jì)控制電路,為了提高效率,在實(shí)際的操作中,線連接好時(shí)基電路,分頻電路測(cè)試通過(guò)后,再把顯示電路和計(jì)數(shù)電路連好,調(diào)節(jié)測(cè)試符合要求,最后做好控制電路的連接。最后完成的一塊電路板,它所實(shí)現(xiàn)的功能就是可以測(cè)試被測(cè)信號(hào)的頻率, 周期和脈寬。</p><p><b>  

30、4.2 心得體會(huì)</b></p><p>  次實(shí)習(xí)讓我們體味道到設(shè)計(jì)電路、連接電路、調(diào)測(cè)電路過(guò)程中的苦與樂(lè),設(shè)計(jì)是我們將來(lái)必需的技能,這次實(shí)習(xí)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì),從到圖書(shū)館及網(wǎng)上查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試再到最后電路的成型,都對(duì)我們所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)。在實(shí)習(xí)的中發(fā)現(xiàn)了以前所學(xué)數(shù)字電路、模擬電路的知識(shí)掌握不牢。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,遇到了一些以前沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)的元件,但是通過(guò)查找

31、資料來(lái)學(xué)習(xí)這些元件的功能和使用。制作過(guò)程是考驗(yàn)一個(gè)人耐心的過(guò)程,不能有絲毫的急躁、馬虎。</p><p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p><p>  【1】謝自美 電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試 華中科技大學(xué)出版社 2006.8</p><p>  【2】路 勇 電子電路實(shí)驗(yàn)及仿真 清華大學(xué)出版社 2004.1&

32、lt;/p><p>  【3】康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 高等教育出版社 2000.6 </p><p><b>  附 錄</b></p><p><b>  1.555定時(shí)器</b></p><p><b> ?。?)電路結(jié)構(gòu)</b></p>&l

33、t;p>  555定時(shí)器的內(nèi)部電路由分壓器、電壓比較器A1和A2、簡(jiǎn)單SR鎖存器、放電三極管T以及緩沖器G組成,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖附圖1所示。三個(gè)5k歐姆的電阻串聯(lián)組成分壓器,為比較器A1、A2提供參考電壓。當(dāng)控制電壓端(5)懸空時(shí),比較器A1和A2的基準(zhǔn)電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc。</p><p>  6腳是比較器A1的信號(hào)輸入端,稱(chēng)為閾值輸入端;2腳是比較器A2的信號(hào)輸入端,稱(chēng)為觸發(fā)輸入端。如果

34、控制電源端(5)外接電壓v1,則比較器A1、A2的基準(zhǔn)電壓就變?yōu)関1和v2/2.比較器A1、A2的輸出控制SR鎖存器和放電三極管T的狀態(tài)。</p><p>  放電三極管T為外接電路提供放電通路,在使用定時(shí)器時(shí),該三極管的集電極(7腳)一般都要外接上拉電阻。</p><p>  4腳為直接復(fù)位輸入端,當(dāng)輸入為低電平時(shí),不管其他輸入端的狀態(tài)如何,輸出端3輸出都為低電平。</p>

35、<p>  當(dāng)v1>2/Vcc,v2>Vcc/3時(shí),比較器A1輸出低電平,比較器A2輸出高電平,簡(jiǎn)單SR鎖存器輸出端置0,放電三極管T導(dǎo)通,輸出端3為低電平。</p><p>  附圖1 555定時(shí)器結(jié)構(gòu)圖</p><p>  當(dāng)v1<2/3Vcc,v2<1/3Vcc時(shí),比較器A1輸出高電平,A2輸出低電平,簡(jiǎn)單SR鎖存器置1,放電三極管截止,輸出端輸

36、出高電平。</p><p>  當(dāng)v1<2/3Vcc,v2>1/3Vcc時(shí),簡(jiǎn)單SR鎖存器R=1,S=1,鎖存器狀態(tài)不變,電路保持原狀態(tài)不變。</p><p><b>  (2)電路功能表</b></p><p>  附表1 555定時(shí)器真值表</p><p>  2. 74LS90計(jì)數(shù)器功能表</p

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