數(shù)字頻率計課程設(shè)計報告書

1、.課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目數(shù)字頻率計設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進(jìn)行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當(dāng)被測信號在特定時間段T 內(nèi)的周期個數(shù)為N 時，則被測信號的頻率 f=N/T 。用中小規(guī)模數(shù)字集成電路和半導(dǎo)體顯示器件實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)指標(biāo)：頻率測量范圍： 109999Hz輸入電壓幅度： 300mV3V輸入信號波形：任意周期信號顯示位數(shù)： 4 位電源：220V50Hz三、設(shè)計計劃電子技術(shù)課程設(shè)計共1 周：第 1 天：針對選題查閱資料，確定設(shè)計方案；第 2 天：電路原理設(shè)計，進(jìn)行元器件及參數(shù)選擇；第 34 天：電路仿真，畫電路原理圖；第 5 天：編寫整理

2、設(shè)計說明書。四、設(shè)計要求1. 系統(tǒng)工作原理說明；2. 畫出系統(tǒng)電路原理圖；3. 對所設(shè)計的電路全部或部分進(jìn)行仿真，使之達(dá)到設(shè)計任務(wù)要求；4. 寫出設(shè)計說明書。指導(dǎo)教師：時間：年月日.李正建 : 數(shù)字頻率計目錄0 綜述 . .11方案論證 .52原理及技術(shù)指標(biāo) .63單元電路設(shè)計及參數(shù)計算.83.1時基電路 . .83.2放大整形電路 . .93.3邏輯控制電路 . .93.4計數(shù)器 . .103.5鎖存器 . .123.6譯碼電路 . .134仿真 .135設(shè)計小結(jié) .145.1設(shè)計任務(wù)完成情況 .145.2問題及改進(jìn) .145.3心得體會 .156參考書目 .152.摘要數(shù)字頻率計是一種用十

3、進(jìn)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，方波信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計。頻率測量中直接測量的數(shù)字頻率計主要由四個部分構(gòu)成：時基（ T）電路、輸入電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成方波信號，加到與非門的另一個輸入端上 . 該與非門起到主閥門的作用 , 在與非門第二個人輸入端上加閥門控制信號 , 控制信號為低電平時閥門關(guān)閉 , 無信號進(jìn)入計數(shù)器 ; 控制信號為高電頻時

4、 , 閥門開啟整形后的信號進(jìn)入計數(shù)器 , 若閥門控制信號取 1s, 則在閥門時間 1s 內(nèi)計數(shù)器得到的脈沖數(shù) N就是被測信號的頻率 .在普通的電子測量儀器中，示波器在進(jìn)行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準(zhǔn)確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實(shí)時快速的跟蹤捕捉到被測信號頻率的變化。正是由于頻率計能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。本課程次設(shè)計是 基于 TTL 系列芯片的簡易數(shù)字頻率計 , 數(shù)字頻率計應(yīng)用所學(xué)的數(shù)字電路和模擬電路的知識進(jìn)行設(shè)計。 在設(shè)計過程中，所有電路仿真均基于 Mulstisim 仿真軟件。關(guān)鍵詞：周期；頻率；

5、時基電路;鎖存器;計數(shù)器 ;數(shù)碼管;.李正建 : 數(shù)字頻率計0 綜述數(shù)字頻率計主要應(yīng)用于計算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研領(lǐng)域。它是一種用十進(jìn)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，方波信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精度高，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計.4.1 方案論證數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間 （ 1S）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的1S 時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得

6、相對穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。信號的頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其表達(dá)式為f=N/T ，其中 f 為被測信號的頻率，N 為計數(shù)器所累計的脈沖個數(shù)，T 為產(chǎn)生 N 個脈沖所需的時間。計數(shù)器所記錄的結(jié)果，就是被測信號的頻率。如在1s 內(nèi)記錄 1000 個脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。測量頻率的基本方法有三種: 直接測量法 , 直接和間接測量相結(jié)合的方法和多周期同步測量. 直接測量法最簡單 , 但測量誤差較大; 后兩種方法測量精度雖高

7、, 但電路復(fù)雜 , 為簡便起見 , 采用直接測量法.李正建 : 數(shù)字頻率計2 原理及技術(shù)指標(biāo)交流電信號或脈沖信號的頻率是指單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電振動的次數(shù)或脈沖個數(shù)。用數(shù)學(xué)模型可表示為： f= 錯誤 ! 未指定書簽。N 式中 f 為頻率。 N為電振動次數(shù)或脈沖數(shù)。 T 為產(chǎn)生 N次電振動或脈沖所t需要的時間。第一步把各種被測信號通過放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)頻率測量的另一必備環(huán)節(jié)是時基電路。時基電路就是產(chǎn)生時間標(biāo)準(zhǔn)信號的電路裝置。通常要求精確穩(wěn)定，所以采用1MHz或 5MHz石英晶體振蕩器做成標(biāo)準(zhǔn)時間信號發(fā)生器。一般計數(shù)器則采用十位計數(shù)器，N進(jìn)制的計數(shù)器也就是N 分頻器，其N 進(jìn)位信

8、號也可作為N分頻信號。如圖 2.1 所示為數(shù)字頻率計系統(tǒng)原理總框圖，被測量信號經(jīng)過放大與整形電路傳入十進(jìn)制計數(shù)器，變成矩形波信號，此時數(shù)字頻率計與被測信號的頻率相同，時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號，此時利用所獲得的基準(zhǔn)信號來觸發(fā)控制電路，進(jìn)而得到一定寬度的閘門信號，計數(shù)時1S 內(nèi)，閘門開通，被測量的脈沖信號通過閘門，其計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng) 1s 至 1.25S 閘門關(guān)閉， 停止計數(shù) , 所得的數(shù)字N就是其頻率 .數(shù)碼顯示器邏 輯譯碼器控 制電路鎖存器計數(shù)器閘門電路時基電路放大與整形電路V圖 2.1 數(shù)字頻率計系統(tǒng)原理方框圖邏輯控制電路的一個重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時基信號輸入，使6

9、.圖 2.2邏輯控制電路計數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時間，以便觀測和讀取數(shù)據(jù)。簡而言之， 控制電路就是通過循環(huán)打開主控門計數(shù)，關(guān)上主控門顯示，然后清零，這個過程來完成頻率的計數(shù)?？刂齐娐啡鐖D2.1.b所示 .李正建 : 數(shù)字頻率計3 單元電路設(shè)計及參數(shù)計算3.1 時基電路用于獲得穩(wěn)定的時間基準(zhǔn)信號，以此來控制主控門的開啟時間，電路見圖3.1.vO圖 3.1 時基電路本設(shè)計中采取用555 定時器組成的多諧振蕩器如圖3.1所示。接通電源后，電容被充電，當(dāng)vC 上升到 2VCC時，使 vO 為低電平， 同時放電三極管 T 導(dǎo)通，此時電容 C 通過 R2 和 T 放電， vC 下降。 當(dāng) vC3下降到 V

10、CC 時，vO 翻轉(zhuǎn)為高電平。 電容器 C 放電所需的時間為t pL R2C ln 20.7R2 C 當(dāng)放電結(jié)束時，3T 截 止 ， VCC 將 通 過 R1 、 R2 向 電 容 C 充 電 ， vC 由 VCC 上 升 到 2VCC 所 需 的 時 間 為33tpH( RR )C ln 2 0.7( RR )C 當(dāng) v 上升到2VCC 時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，1212C38.于是在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為11.43ft pLt pH(R12R2 )C3.2 放大整形電路由于輸入的信號可以是正弦波，方波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為方波

11、，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成方波。對信號的放大功能由三極管構(gòu)成放大電路來實(shí)現(xiàn)，對信號整形的功能由施密特觸發(fā)器來實(shí)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(dāng)輸入起過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當(dāng)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，輸入從低電平向高電平變化時，僅當(dāng)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(diǎn)。為保證測量精度，在整形電路的輸入端加一前置放大器。對幅值較低的被測信號

12、經(jīng)放大后再送入整形器整形。如圖3.2.2為放大整形電路原理圖。此電路采用晶體管3DG100與 74LS00 等組成，其中3DG100為放大器，可對周期信號進(jìn)行放大再傳入整形器中對信號進(jìn)行整形。3.2 放大整形電路3.3 邏輯控制電路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)生控制信號控制.李正建 : 數(shù)字頻率計所要控制的模塊，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. 輯控制電路的作用主要是控制主控門的開啟和關(guān)閉，同時也控制整機(jī)邏輯關(guān)系。本次設(shè)計采用74LS123N組成邏輯控制電路，先啟動脈沖置成1，其余觸發(fā)器置成0，此時時基電路傳入脈沖， 控制

13、電路開始工作。被測信號通過閘門進(jìn)入計數(shù)電路，于是計數(shù)器譯碼器開始計數(shù)，記下所測信號頻率值。當(dāng)控制電路轉(zhuǎn)為其他狀態(tài)時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止工作，數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測頻率值。直到有一次循環(huán)，計數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失，到此為止，頻率計完成一次測量。脈沖信號可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123N 產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。由74LS123N 的功能得出，當(dāng)1 RD1B1、觸發(fā)脈沖從1A 端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端 1Q 可獲得一負(fù)脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖2.2 所示的波形和的要求，手動復(fù)位開關(guān)S 按下時，計數(shù)器清零。邏輯控制電路如圖3.2 所示：邏輯控制電路圖3.33.

14、4 計數(shù)器為了提高計數(shù)速度，可采用同步計數(shù)器。采用4 個 74LS90D二- 五 - 十進(jìn)制計數(shù)器，該芯片無需額10.外的元器件就可實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)，所以首選。 計數(shù)器依次從個位開始計數(shù)，向上為發(fā)出進(jìn)位信號而是高位開始計數(shù)。 其特點(diǎn)是計數(shù)脈沖作為時鐘信號同時接于各位觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端，在每次時鐘脈沖沿到來之前，根據(jù)當(dāng)前計數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準(zhǔn)備好適當(dāng)?shù)臈l件。當(dāng)計數(shù)脈沖沿到來時，所有應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時翻轉(zhuǎn)，同時也使用所有應(yīng)保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由石英晶體多諧振蕩器電路產(chǎn)生，經(jīng)整形分頻后， 產(chǎn)

15、生一個標(biāo)準(zhǔn)的時基信號，作為閘門開通的基準(zhǔn)時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達(dá)到了測量頻率的目的 . 由于頻率計的測量范圍1 9999Hz，因此采用十進(jìn)制計數(shù)器74LS90D，它不僅可用于對脈沖進(jìn)行計數(shù)，還可用于分頻；此電路則需分頻，N 位進(jìn)制計數(shù)器就是 N 分頻器。被測信號由閘門開通送入計數(shù)器，記錄所測信號頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測得頻率值；待閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止工作；電路則繼續(xù)工作進(jìn)行下次循環(huán)，計數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，頻率計完成一次測量。數(shù)字頻率計測周期基本原理如圖3.3 所示3.4 數(shù)字頻率計測周期基本原理圖當(dāng)被測信號的頻率較低

16、時，采用直接測頻方法由量程誤差一起的測量誤差太大，為了提高測低頻.李正建 : 數(shù)字頻率計時的準(zhǔn)確度，應(yīng)先測周期TX ，然后計算 f x1。TX被測信號經(jīng)過放大整形電路變成方波，加到門控電路產(chǎn)生閘門信號，如TX10ms ，則閘門打開的時間也為 10ms，在此期間內(nèi)，周期為 TS 的標(biāo)準(zhǔn)脈沖通過閘門進(jìn)入計數(shù)器計數(shù)。若TX 1 s 。則計數(shù)器記得的脈沖數(shù) NTX=10000 個。若以毫秒為單位，則顯示器上的讀數(shù)為10.000 。TS以上分析可見，頻率計測周期的基本原理正好與測頻相反，即被測信號用來控制閘門電路的開通與關(guān)閉，標(biāo)準(zhǔn)時基信號作為計數(shù)脈沖。3.5 鎖存器鎖存器是構(gòu)成各種時序電路的存儲單元電路

17、，其具有0 和 1 兩種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持， 鎖存器是一種脈沖電平敏感的存儲單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。在確定的時間內(nèi) （ 1s）, 計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值. 鎖存器的作用通過觸發(fā)脈沖控制 . 將測得的數(shù)據(jù)寄存起來, 送顯示譯碼器 . 鎖存器可以采用8 位并行輸入寄存器. 為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定 , 采用邊沿觸發(fā)方式的器件.在確定的時間內(nèi)計數(shù)器的技術(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測量的數(shù)據(jù)寄存起來，送入譯碼顯示器。鎖存器可以采用一般的8 位并行輸入寄存器。此電路采用74LS273N鎖存器， 其

18、作用是將計數(shù)器在1s 結(jié)束時鎖記得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。當(dāng)1s 計數(shù)結(jié)束時，通過邏輯電路產(chǎn)生信號送入鎖存器，將此時計數(shù)的值送入譯碼顯示器。選用兩個8 位鎖存器74LS273N可以完成上計數(shù)功能。當(dāng)時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計數(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)的Q不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。12.圖 3.4 鎖存器芯片3.6 譯碼電路在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計數(shù)完成后，此時要使數(shù)

19、碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字。采用七段共陽數(shù)碼管顯示, 譯碼顯示器的作用是把計數(shù)器產(chǎn)生的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號, 從而獲得數(shù)字顯示. 圖 3.53.5數(shù)碼管顯示及其控制電路4 仿真所有單元電路調(diào)制所需值, 本此設(shè)計采用mulstisim1.0仿真運(yùn)行 . 測信號經(jīng)由三極管組成的放大器放大后， 送到由 555 構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的輸入端進(jìn)行整形，使之成為計數(shù)器所要求的脈沖信號。由于.李正建 : 數(shù)字頻率計放大電路的電源值為5V, 所以輸入信號比較大時，會出現(xiàn)線性失真，放大后的信號不會太大，超過5V。當(dāng)時基脈沖處于高電平時，閘門電路打開， 計數(shù)器對輸入的脈沖進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)輸入信號頻率

20、為345 時所測得信號頻率值如下圖顯示344, 在誤差范圍之內(nèi), 本次設(shè)計成功.5 設(shè)計小結(jié)5.1設(shè)計任務(wù)完成情況通過為期一周的課程設(shè)計，我對于數(shù)字頻率計的組成與功用有了了解與掌握，并且對于數(shù)字頻率計的個部分電路有了各設(shè)計的方案進(jìn)行了論證與設(shè)計。在設(shè)計頻率計的電路過程中對于邏輯控制電路有了更深一步的認(rèn)識，了解并掌握了芯片74LS123N的功能與連接，并且對于譯碼顯示器、計數(shù)器與鎖存器的工作有了認(rèn)識與了解。5.2問題及改進(jìn)在仿真的過程中，連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒反應(yīng)，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(jìn)行檢查修改，最后發(fā)現(xiàn)并聯(lián)電阻取值過大導(dǎo)致數(shù)碼管無法顯示元件的功能沒有實(shí)現(xiàn)。所以在連接電路的時候要細(xì)心，這也