數(shù)字式頻率基電路設計報告

1、電了線路課程設計報告 姓名： 學號: 專業(yè)： 日期： 電子線路課程設計第3頁共17頁 1引言 本周我們電氣班的同學一起完成這個課程設計， 設計并制作一個具有選頻特 性的簡易兩位數(shù)字式頻率計電路。 測量頻率的方法有很多種，其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、 測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。 電子計數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信 號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的 頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號的頻率測量。數(shù)字頻率計是計算機、通訊 設備、音頻視頻等科研領域不可缺少的測量儀器。它

2、是一種用十進制數(shù)字顯示被 測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號及其他各 種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設計、安裝、調(diào)試過程中， 由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。 1. 1簡易數(shù)字式頻率計原理 1.1.1電子計數(shù)器測頻原理 周期性信號在單位時間內(nèi)重復出現(xiàn)的次數(shù)，稱為電流/電壓的頻率 頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對信號頻率進行測量的電子測 量儀器，不論頻率計技術指標如何定義，其基本工作原理都類似，頻率測 量原理如圖3。 周期t 總時間T內(nèi) N次重復 圖3 頻率測量基本原理圖 No 若在一定的時間間隔T內(nèi)的計得

3、這個周期性信號的重復次數(shù)個為 時，則被測信號的頻率F為： F = No/T 式中：F為頻率，單位為Hz。No為計數(shù)器計數(shù)值，計數(shù)器計數(shù)定時時間為 T 一般的數(shù)字式頻率計主要由四個部分構成：輸入電路、閘門電路，計 數(shù)顯示電路和控制電路，頻率和周期測量原理框圖如圖4。 圖4頻率和周期測量原理方框圖 在一個頻率測量的周期過程中，被測頻率信號在輸入電路中經(jīng)過放大、 濾波和整形、形成特定的被測脈沖，送到主門的一個輸入端。主門的另外 一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖（定時計數(shù)信號）。在閘門 脈沖開啟主門的期間，特定的被測脈沖才能通過主門，從而進入計數(shù)器進 行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信

4、號的頻率值，內(nèi)部控制電路 則用來完成各種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設置。 1.1.2周期測量原理 周期測量原理框圖如圖4,脈沖寬度測量計算公式： T =No*To 式中：T為被測脈沖寬度，單位為s，To為時標，No為計數(shù)器計數(shù)值。 1.1.3簡易數(shù)字式頻率計方框圖 簡易數(shù)字式頻率計方框圖如圖5。 圖5簡易數(shù)字式頻率計方框圖 電子線路課程設計第12頁共17頁 2 主要技術指標和要求 2.2.1 主要技術指標 頻率計電路的輸入信號為正弦信號： 頻率： 1Hz10KHz， 幅度：峰 - 峰值 300mV。 輸入信號整形電路： (1) 設計一個電壓放大器， 增益 510 倍可調(diào)。 ( 2)設計一個電

5、壓比較器，參考端基準電壓為 1.0V 左右。 (3)設計一個中心頻率為200Hz1KHz的有源帶通濾波器，使計數(shù)器能夠?qū)?頻率通帶內(nèi)的信號進行正常計數(shù)，其余則不計數(shù)。 計數(shù)器電路： (1) 設計一個 2位的十進計數(shù)器、譯碼驅(qū)動和顯示電路。 ( 2)要求頻率計具有自動測頻、自動清零、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保持功能。 2.2.2 發(fā)揮部分 (1) 頻率計電路要求具有較高的抗干擾性能(采用TLP521光耦隔離器)。. ( 2)頻率計具有 A、B 雙通道自動測頻、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保持功能。 (3)頻率計實現(xiàn)A、B通道號的顯示。 2.2.3 實物要求 根據(jù)頻率計測頻原理， 結(jié)合模電和數(shù)電的基礎理論知識， 完成對簡

6、易數(shù)字式 頻率計方案和電路設計和仿真，并在面包板上完成連接、裝配、調(diào)試和演示。 2.2.4 實驗儀器 示波器： TDO2022A 功率函數(shù)信號發(fā)生器： SP1631A 三路穩(wěn)壓電源： MPS-3003L-3 萬用表： UNI-T 2.2.5 主要器件及典型電路形式 ( 1 )本次課程設計用器件介紹 ： 74LS00 、 74LS04、 74LS20、 74LS32、 74LS160 、 74LS47、 74LS123 、 74LS74 、 74HCT573、CD4020、LM339、TLP521、OP07、LM324、七段 LED 數(shù)碼管、 發(fā)光二極管、開關二極管、三極管等。 (2) 典型數(shù)字

7、電路形式： 十進計數(shù)器、譯器顯示及驅(qū)動電路 、邏輯控制電路、比較器、分頻器、光 電隔離器、時基信號發(fā)生器、單穩(wěn)態(tài)信號發(fā)生器。 (3) 典型模擬電路形式： 放大器、跟隨器、二階有源帶通濾波器。 集成運放電路均采用土 5V供電。 2電子線路課程設計內(nèi)容 2.1簡易數(shù)字式頻率計電路設計 簡易數(shù)字式頻率計電原理圖如圖 6。 圖6簡易頻率計電原理圖 2.1.2電路工作原理 如圖6,本設計主要包括電壓放大電路、有源帶通濾波電路、整形電路、計 數(shù)、譯碼驅(qū)動電路和邏輯控制電路等。 （1）被測正弦波信號通過放大器放大，有源帶通濾波器濾波，電壓比較器整形 后，如果被測信號頻率落在濾波器通帶內(nèi)，頻率計進行測頻，否則

8、頻率計不測頻。 （2）由LM555產(chǎn)生周期約2s的時基信號，是頻率計的主要工作時序，在該信號 的一個周期的時間內(nèi)，頻率計可以完成清零，計數(shù)、顯示和計數(shù)結(jié)果保持，在下 一周期時重復上述過程。簡易頻率計工作波形示意圖如圖7. _j1f1 余U U M 1 1 圖7 簡易頻率計工作波形示意圖 （3） 用LM555時基信號發(fā)生器產(chǎn)生的周期信號的上升沿，觸發(fā)由74LS123電路 構成的單穩(wěn)態(tài)發(fā)生器1，產(chǎn)生對計數(shù)器清零的脈沖信號，使計數(shù)器在工作前歸零， 該脈沖信號的寬度一般約1ms左右，由該單穩(wěn)態(tài)電路的RC參數(shù)值決定。 （4）計數(shù)器清零后，需要一個定時脈沖信號控制計數(shù)器的計數(shù)，可用清零脈沖 信號的下降沿，

9、觸發(fā)另一個單穩(wěn)電路 2,從而產(chǎn)生一個標準的1s定時計數(shù)脈沖。 在該定時計數(shù)脈沖的持續(xù)時間內(nèi)，計數(shù)器可以計數(shù)，頻率計完成對輸入被測信號 的測頻。定時計數(shù)脈沖的寬度為1s左右，由單穩(wěn)態(tài)電路2的RC參數(shù)值決定。 （5）二級十進計數(shù)器電路由兩個 74LS160組成，譯碼驅(qū)動與顯示電路由 74LS47 和七段共陽數(shù)碼管組成。 3單元電路設計、元件和參數(shù)選擇 3.1 單元電路設計 3.1.1 放大器、有源帶通濾波器和電壓比較器設計 （1）放大器設計 以驅(qū)動后面的 該放大器可以把技術指標規(guī)定的輸入信號放大到足夠的電平, 電壓比較器，放大器可采用 OP07集成運放，如圖8所示。 IU 圖8由OP07構成的放大

10、器電路 (2) 帶通濾波器設計 帶通濾波電路的設計中心頻率為 1KHz左右，通帶寬度BW=100H左右 巴特沃斯濾波器： 特點是帶內(nèi)帶外最佳平穩(wěn)，但低階的過度帶比較寬。 切比雪夫濾 可以很窄，但帶 嚴重。 典型的有源 波器：特點是過度帶 內(nèi)帶外幅頻震蕩比較 帶通濾波器電路如圖 心頻率和帶寬的調(diào)整: 心頻率和帶寬主要是 由濾波器中RC元件參數(shù)確定，通常可先選定電容器 C值，再調(diào)節(jié)電阻阻值, 9。帶通濾波器中 帶通濾波器的中 般可采用電位器調(diào)節(jié)。帶通濾波器采用集成運放OP07 圖9 典型的有源帶通濾波器電路 (3) 比較器設計 比較器電路如圖10,電壓比較器的主要作用是把輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信

11、號，使計數(shù)器可以對輸入信號正確計數(shù)， 電壓比較器參考端的基準電壓調(diào)整為 1.0V左右，當輸入端電壓大于參考端電壓時，該比較器電路實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，完成對 輸入信號的整形。電壓比較器可采用LM339該芯片中含四個獨立的比較器電路, 由于其輸出端為集電極開路，必須外接 4K7上拉電阻才可正常工作。 模電部分 3.1.2時基電路設計 時基信號電路主要采用NE555集成電路，時基信號周期不小于 3秒左右, 555時基信號電路及工作波形圖如圖11。 圖11 555時基信號產(chǎn)生電路及工作波形圖 3.1.3 計數(shù)器及譯碼驅(qū)動電路設計 計數(shù)器、譯碼驅(qū)動和顯示電路可分別采用 74LS160 74LS47和LED七段 共

12、陽數(shù)碼管。74LS47譯碼驅(qū)動的輸出是低電平有效，由 74LS160組成的十進 計數(shù)器電路如圖12。 I 1 1 L 1. 口：碣磯耳 6 q 4 q 74_5ixn) ?4LSE60t It 兀 6 Pi Q 禺 cii I D 門企礎$ I T 丨！I 圖12由74LS160組成的十進計數(shù)器電路 3.1.4計數(shù)器清零和計數(shù)定時信號發(fā)生器設計 計數(shù)器清零和定時計數(shù)信號電路均采用74LS123單穩(wěn)態(tài)電路構成，74LS123 內(nèi)部含兩個獨立的單穩(wěn)態(tài)電路，圖 13為由74LS123單穩(wěn)態(tài)電路構成的定時計數(shù) 和計數(shù)器清零電路，在該電路中，通常是固定Ct，調(diào)整電路中的Rt值，可以得 到不同脈寬的輸出信

13、號。 -BL W 23單穩(wěn)態(tài)電 744th JU T kL 2尸科 A2 u m jtx -wx nr a- hh li , IVIUHU JIDLC_ir I PEL GNO 555L1 Tim w- wc :數(shù)電部分 -a； *74L r kHi I A 數(shù)和計數(shù)器清零 .L 1.80d R1 32 UCC 口 GUO D 3SEKT3J TCC Q ar/cr cz w u fAELE VIRTLlA 74IL.S16CH an kq m tix. I 4 p.uijir 3.1.5電路設計參考布局圖 電路設計完畢，在面包板上搭接電路之前，首先要考慮本設計信號的基本走 向和各元器件在面包

14、板上的相應位置，合理的元器件布局可以方便聯(lián)線和電路調(diào) 試，面包板上頻率計電路的元器件布局設計參考如圖 16。 iJh m碼 wr MhT* 圖16電路設計參考布局圖 4仿真結(jié)果 數(shù)電部分 T J II1 I.?. JT 11 1Jf 1 1 1 1 1 j V 1 5功能與測試結(jié)果 一個星期的電路實踐，我們進行了電路的設計，軟件的仿真，最后在面包板 電子線路課程設計第14頁 共 17 頁 上撘接線路并檢驗結(jié)果。 我設定的調(diào)試與測試放大器部分把初始波形放大 6 倍左右，由于高低通電路 對信號有削弱作用， 因此濾波器出來的正弦波縮小了 3倍左右，經(jīng)過比較器， 通 過設定合理的基準電壓后， 最后形成

15、了方波。 剛開始有些失真， 經(jīng)過調(diào)試就沒問 題了。經(jīng)過 555的周期為 2 秒，清零為 2 毫秒，定時為 1秒，保持的時間差不多 在一秒左右。整個電路實現(xiàn)了頻率計的功能。 6 安裝與調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題、故障排除方法及改進措施 為簡化和方便整體電路的調(diào)試工作， 可根據(jù)每一個單元電路的技術要求進行 相對獨立的調(diào)試，每部分電路工作正常后，再進行其它電路的調(diào)試工作。 6.1 調(diào)試前注意事項 在電路調(diào)試之前要注意以下事項： （1）檢查芯片位置方向，檢查芯片電源和地連線正確。 （2）檢查各芯片和器件的連接線是否正確。 （3）檢查LED數(shù)碼管各個管腳連線是否正確。 （ 4）放大器和濾波器電路采用 5V 供電，

16、數(shù)字電路電壓為 +5V。 6.2 出現(xiàn)的問題 在安裝和調(diào)試過程中遇到了一些問題： 第一：剛開始整個布局是根據(jù)老師的課件設計的， 但是在搭線的過程中還是 出現(xiàn)飛線情況。 第二：在用電壓時，要先調(diào)好再接入，否則電壓過大會燒壞器件。 第三：在測試時示波器上的方波出現(xiàn)了相移，最后將一個 15KQ拿掉之后， 相移消失了。調(diào)試過程也出現(xiàn)了失真，最后經(jīng)過修改電阻大小得以解決。 第四：在測試74LS123上的清零和定時時間時，定時時間太短，不足一秒， 于是將電容換成了大電容，電阻也換了個大電阻解決了問題。 第五：在老師的提醒下，兩個數(shù)碼管接了外接電阻。 第六：在調(diào)試過程中， 常不出現(xiàn)波形， 主要是元器件的引腳

17、要根據(jù)實際情況 連接，注意接地和接高電壓 結(jié)論 這次實踐，我們設計并制作一個具有選頻特性的簡易兩位數(shù)字式頻率計電 路。首先在 Multisim 軟件中，利用一系列芯片仿真模擬，驗證了頻率計的工作 特點。后半段時間， 在安裝和調(diào)試的過程中我通過實際的操作更加理解了數(shù)電模 電，兩者結(jié)合， 也鍛煉了我們的動手能力。 因此讓我更加堅信理論學習永遠離不 開實際的操作。 本次電路設計不但讓我知道了如何搭頻率計， 用面包板， 也讓我 知道了它的工作原理以及里面各個芯片的工作特性， 電子線路設計給我們上了生 動的一課。 參考文獻 1 謝自美. 電子線路綜合設計 . 武漢: 華中科技大學出版社 . 2006 2

18、 郭勇. 余小平. 電子系統(tǒng)綜合設計 . 北京: 北京大學出版社 . 2007 3 蔣立平. 數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設計 . 北京: 北京電子工業(yè)出版社 . 2008 4 高吉祥 . 電子技術基礎實驗與課程設計 . （2 版）. 北京 : 電子工業(yè)出版社 2005 5 謝自美 . 電子線路設計 . 實驗測試（第二版）武漢：華中科技大學出版社 2000 6 胡宴如. 耿蘇燕. 模擬電子技術基礎北京：高等教育出版社 . 2003 附錄 元器件引腳圖，真值表 OP07 電子線路課程設計第19頁共17頁 OP07的功能介紹：OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于 OP07具有

19、非常低的輸入失調(diào)電壓（對于 OP07A最大為25訓）,所以OP07在很多應用場合 不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA ）和開環(huán)增益高（對 OP07特別適用于高增 于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得 益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。 Offset Null 1 12 3 4 Offset Null 2 了 Vcc* 6 Output N.C. L匸匚 Inerting Input Non-tndmg Input LM339是四電壓比較器集成電路。 該電路的特點如下： 工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，

20、單電源：236V，雙電源：土 1土 18V ; 消耗電流小，lcc=1.3mA ; 輸入失調(diào)電壓小，VIO= 土 2mV ; 共模輸入電壓范圍寬，Vic=0VCC-1.5V ; 輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容； 輸出可以用開路集電極連接“或”門； 采用雙列直插14腳塑料封裝（DIP14 ）和微形的雙列14腳塑料封裝（SOP14） LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸 入端一個稱為同相輸入端，用“ +表示，另一個稱為反相輸入端，用-“表示。用作比較兩個 電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339

21、輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“ +”電壓高于-“端時，輸 出管截止，相當于輸出端開路。當-“端電壓高于“ +”時，輸出管飽和，相當于輸出端接低 電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀 態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不 接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻， 選3-15K ）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止 時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。 C utput 2 C utput

22、l Iiverttig lip ut 1 N on-diverting ipu.t 1 liverttig iput2 N cntLveitiig 14 Qutput3 13 Output 4 12 Hon Jawniig iput4 3 0 Iiveithu iiput4 9 N on -rv itti g iyput 3 y iveitig iiput3 www, Dz：3w Cou NE555 NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及 運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩 頻率也不大相同；而555是一個用途很廣且相

23、當普遍的計時IC,只需少數(shù)的電 阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈沖信號。 1- Ground 2- Trigger Output 4- R.eset 5_ Control Vokage 6- Ttlreshold Discharge B_ Vrc（4） fo Tonyvin Hwn Ground Trigger Output Reset Vec Discharge Th re shold Control fig. 2 8-pin v package fig. 1. B-pin T package NE555引腳位功能配置說明下: 圖1-2 NE555各腳功能-管腳圖 Pin 1 （接地）-地線（或共同接地），通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 （觸發(fā)點）-這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣 電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC。 Pin 3 （輸出）-當時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少 1.7 伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回