簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目： 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì) 姓 名： 院 （系）： 電氣信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)12-02 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 孫君曼 成 績(jī)： 時(shí)間： 2014 年 02 月 17 日至 2014 年 06 月 10 日鄭州輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)題目 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì) 專(zhuān)業(yè) 電氣工程12 -02 學(xué)號(hào) 姓名 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：主要內(nèi)容1閱讀相關(guān)科技文獻(xiàn)。2學(xué)習(xí)protel軟件的使用。3學(xué)會(huì)整理和總結(jié)設(shè)計(jì)文檔報(bào)告。4學(xué)習(xí)如何查找器件手冊(cè)及相關(guān)參數(shù)。技術(shù)要求1. 要求測(cè)量頻率范圍1Hz100KHz，量程分為4檔，即1、10、100、1000。2

2、. 要求被測(cè)量信號(hào)可以是正弦波、三角波和方波。3. 要求測(cè)試結(jié)果用數(shù)碼管表示出來(lái)，顯示方式為4位十進(jìn)制。主要參考資料1何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，浙江大學(xué)出版社，2001年6月2姚福安，電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐，山東科學(xué)技術(shù)出版社，2001年10月3王澄非，電路與數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)實(shí)踐，東南大學(xué)出版社，1999年10月4李銀華，電子線路設(shè)計(jì)指導(dǎo)，北京航空航天大學(xué)出版社，2005年6月5康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)，高教出版社，2003完 成 期 限： 2014 年 6 月 18 日 指導(dǎo)教師簽章： 專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人簽章： 2014 年 2 月 16 日摘要在當(dāng)代電子設(shè)備中運(yùn)用中，經(jīng)常要測(cè)量一個(gè)波形的頻率，然后對(duì)其進(jìn)行分析研究

3、。為了測(cè)量頻率，就要用到頻率計(jì)。在傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器中，示波器在進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)測(cè)量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準(zhǔn)確的測(cè)量頻率并顯示被測(cè)信號(hào)的頻譜，但測(cè)量速度較慢，無(wú)法實(shí)時(shí)快速的跟蹤捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化。正是由于頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化，因此，頻率計(jì)擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)包括時(shí)基電路、整形電路、控制電路和計(jì)數(shù)顯示電路四部分組成。由時(shí)基電路產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)控制閥門(mén)，調(diào)節(jié)時(shí)基電路中的電阻可產(chǎn)生需要的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。信號(hào)輸入整形電路中，經(jīng)過(guò)整形，輸出一方波，通過(guò)閥門(mén)后，計(jì)時(shí)器對(duì)其計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)完畢，時(shí)基電路輸出一個(gè)上升沿，使鎖存器打開(kāi)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果輸入譯碼器

4、，從而讓顯示器顯示，達(dá)到測(cè)量頻率的目的。關(guān)鍵詞：頻率計(jì)、時(shí)基電路、分頻、計(jì)數(shù)、邏輯顯示目錄第一章 系統(tǒng)概述1第一節(jié) 設(shè)計(jì)方案的選擇1一、計(jì)數(shù)法1二、計(jì)時(shí)法2第二節(jié) 整體方框圖及原理2第二章 數(shù)字頻率計(jì)的硬件設(shè)計(jì)4第一節(jié) 單元電路設(shè)計(jì)4一、整形電路4二、時(shí)基電路4三、計(jì)數(shù)器6四、鎖存器7五、譯碼顯示器8第二節(jié) 芯片功能介紹8一、74LS48的引腳及功能表9二、555的引腳及功能表10三、74LS90 引腳圖及功能表11四、74LS00引腳圖及功能表12五、74LS273引腳圖及功能表13第三章 結(jié)論14個(gè)人總結(jié)14參考文獻(xiàn)15簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)第一章 系統(tǒng)概述第一節(jié) 設(shè)計(jì)方案的選擇信號(hào)的頻率就是信號(hào)

5、在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，其表達(dá)式為f=N/T，其中f為被測(cè)信號(hào)的頻率，N為技術(shù)其所累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)，T為產(chǎn)生N個(gè)脈沖所需的時(shí)間。技術(shù)其所記錄的結(jié)果，就是被測(cè)信號(hào)的頻率。如在1s內(nèi)記錄1000個(gè)脈沖，則被測(cè)信號(hào)的頻率為1000HZ。測(cè)量頻率的基本方法有兩種：計(jì)數(shù)法和計(jì)時(shí)法，或稱(chēng)測(cè)頻法和測(cè)周期法。一、計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)法又稱(chēng)測(cè)頻法，是將被測(cè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)定時(shí)閘門(mén)加到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如果閘門(mén)打開(kāi)的時(shí)間為T(mén)，計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值為N1，則被測(cè)頻率為f=N1/T。改變時(shí)間T，則可改變測(cè)量頻率范圍。如圖1-1所示。計(jì)數(shù)值N1T被測(cè)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)閘門(mén)圖1-1測(cè)頻法測(cè)量原理設(shè)在T期間，計(jì)數(shù)器的精確計(jì)數(shù)值應(yīng)為N,根據(jù)計(jì)

6、數(shù)器的計(jì)數(shù)特性可知，N1的絕對(duì)誤差是N1=N+1,N1的相對(duì)誤差為N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相對(duì)誤差可知，N的數(shù)值愈大，相對(duì)誤差愈小，成反比關(guān)系。因此，在f以確定的條件下，為減少N的相對(duì)誤差，可通過(guò)增大T的方法來(lái)降低測(cè)量誤差。當(dāng)T為某確定值時(shí)（通常取1s），則有f1=N1,而f=N，故有f1的相對(duì)誤差：f1=(f1-f)/f=1/f從上式可知f1的相對(duì)誤差與f成反比關(guān)系，即信號(hào)頻率越高，誤差越??；而信號(hào)頻率越低，則測(cè)量誤差越大。因此測(cè)頻法適合用于對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量，頻率越高，測(cè)量精度也越高。二、計(jì)時(shí)法計(jì)時(shí)法又稱(chēng)為測(cè)周期法，測(cè)周期法使用被測(cè)信號(hào)來(lái)控制閘門(mén)的開(kāi)閉，而將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基脈沖通過(guò)閘

7、門(mén)加到計(jì)數(shù)器，閘門(mén)在外信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)打開(kāi)，這樣計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值就是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基脈沖外信號(hào)的周期值，然后求周期值的倒數(shù)，就得到所測(cè)頻率值。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求的性能與技術(shù)指標(biāo)，首先需要確定能滿(mǎn)足這些指標(biāo)的頻率測(cè)量方法。有上述頻率測(cè)量原理與方法的討論可知，計(jì)時(shí)法適合于對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量，而計(jì)數(shù)法則適合于對(duì)較高頻信號(hào)的測(cè)量。但由于用計(jì)時(shí)法所獲得的信號(hào)周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運(yùn)算才能得到信號(hào)頻率，而求倒數(shù)運(yùn)算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路較難實(shí)現(xiàn)，因此，計(jì)時(shí)法不適合本實(shí)驗(yàn)要求。測(cè)頻法的測(cè)量誤差與信號(hào)頻率成反比，信號(hào)頻率越低，測(cè)量誤差就越大，信號(hào)頻率越高，其誤差就越小。但用測(cè)頻法所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，在閘門(mén)時(shí)間為一秒時(shí)，不需

8、要進(jìn)行任何換算，計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)據(jù)就是信號(hào)頻率。因此，本實(shí)驗(yàn)所用的頻率測(cè)量方法是測(cè)頻法。第二節(jié) 整體方框圖及原理其設(shè)計(jì)方案框圖如圖1-2。 時(shí)基電路 譯 碼 顯 示 器 鎖 存 器 計(jì) 數(shù) 器 閘 門(mén) 電 路 整 形 電 路 fx圖1-2數(shù)字頻率計(jì)原理圖如圖1-2所示此頻率計(jì)的主體電路由時(shí)基電路、整形電路、鎖存器電路和計(jì)數(shù)顯示電路組成。它的工作過(guò)程是由時(shí)基電路產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)控制閥門(mén)，調(diào)節(jié)時(shí)基電路中的電阻可產(chǎn)生需要的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。信號(hào)輸入整形電路中，經(jīng)過(guò)整形，輸出一方波，通過(guò)閥門(mén)后，計(jì)時(shí)器對(duì)其計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)完畢，時(shí)基電路輸出一個(gè)上升沿，使鎖存器打開(kāi)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果輸入譯碼器，從而讓顯示器顯示。第二

9、章 數(shù)字頻率計(jì)的硬件設(shè)計(jì)第一節(jié) 單元電路設(shè)計(jì)一、整形電路整形電路是將待測(cè)信號(hào)整形變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)。電路形式采用由555所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。當(dāng)輸入被測(cè)波形后，經(jīng)過(guò)整形電路后，輸出可以被計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的矩形波。從而達(dá)到整形目的，其圖示如圖2-1圖2-1整形電路圖二、時(shí)基電路時(shí)基信號(hào)控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，其精度在很大程度上決定了頻率計(jì)的頻率測(cè)量精度。要求較高時(shí)，一般使用晶體振蕩器通過(guò)分頻獲得。在本設(shè)計(jì)中依然使用了555定時(shí)器構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸入單脈沖，輸出一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，從而在時(shí)間上控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的時(shí)間。在此頻率計(jì)中，時(shí)鐘信號(hào)采用由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。由一個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生脈

10、沖源，其原理為懸空為高電平，按下開(kāi)關(guān)產(chǎn)生低電平，松開(kāi)又為高電平，從而產(chǎn)生一單脈沖。 圖2-2單脈沖產(chǎn)生 圖2-3產(chǎn)生的波形產(chǎn)生的單脈沖經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，可以輸出一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)R值可確定Tw的寬度。通過(guò)確定Tw不同的寬度，從而達(dá)到換檔的目的。其計(jì)算公式為T(mén)w=1.1RC。其中確定C=0.001F。當(dāng)Tw等于1S、0.1S、0.01S和0.001S時(shí)，可求出R分別為909、90.9、9.09和0.909。TW 圖2-4 Tw示意圖同時(shí)在控制鎖存器方面，在輸出上加一個(gè)非門(mén)，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)完畢，輸出的是一個(gè)上升沿，此時(shí)打開(kāi)鎖存器，讓計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)鎖存器。在計(jì)數(shù)時(shí)，數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字

11、，由于頻率大，那么會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直在閃動(dòng)。通過(guò)鎖存信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的時(shí)候讓數(shù)碼管不顯示，計(jì)完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)器計(jì)到的數(shù)字的功能。 圖2-5 時(shí)基電路圖三、計(jì)數(shù)器電路中的計(jì)數(shù)電路應(yīng)用了四片74LS90異步計(jì)數(shù)器，它是二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。是下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)。它的工作原理是當(dāng)6和7引腳有一個(gè)接地，2和3引腳全部接高電平時(shí)清零，所以此電路把7引腳接地，把所有2引腳接在一起連在一個(gè)開(kāi)關(guān)上，開(kāi)關(guān)接地，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，計(jì)數(shù)器清零。開(kāi)關(guān)合上，計(jì)數(shù)器正常工作。 圖2-6 計(jì)數(shù)器電路四、鎖存器鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)時(shí)間結(jié)束時(shí)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定得顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。選用8D鎖存器74LS27

12、3可以完成上述的功能，當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變來(lái)到時(shí)，鎖存器的輸入等于輸出，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(wú)論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來(lái)的狀態(tài)Q不變，所以計(jì)數(shù)期間，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。圖2-7 鎖存器電路 五、譯碼顯示器用4片74LS48驅(qū)動(dòng)的7段LED顯示 圖2-8 譯碼顯示電路第二節(jié) 芯片功能介紹一、74LS48的引腳及功能表74LS48是控制七段顯示器顯示的集成譯碼電路之一，其引線排列圖如圖3-1所示。A、B、C、D為BCD碼輸入端，A為最高位, YaYg為輸出端，分別驅(qū)動(dòng)七段顯示器的ag輸入端，高電平觸發(fā)顯示，可驅(qū)動(dòng)共陰極發(fā)光二極管組

13、成的七段顯示器顯示。其它端為使能端。它的使能端的功能如下：一 消隱輸入/。當(dāng)=0時(shí)， 不論其它各使能端和輸入端處于何種狀態(tài)， YaYg均輸出低電平， 顯示器的七個(gè)字段全熄滅。這個(gè)端子是個(gè)雙功能端子， 既可作輸入端子， 也可作輸出端子。 作輸入端子用時(shí)， 它是消隱輸入； 作輸出端子用時(shí)， 它是滅零輸出。二 滅零輸出/。為滅零輸出。當(dāng)=0，輸入ABCD=0000時(shí)，=0， 利用該滅零輸出信號(hào)可將多位顯示中的無(wú)用零熄滅。 圖3-1 74LS48引腳圖輸入輸出A3 A2 A1 A0abcDEfg012345678911111111111000000010010001101000101011001111

14、000100111111111111011010111111110011111011111111011011010*101000101010001110110011111011101112131415111111101010111100110111101111111111000100001000010000110110100010001110111110LT1000 0 0 0001001001001001001001001 表3-2 74LS48功能表二、555的引腳及功能表555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)，作為閘門(mén)開(kāi)通的基準(zhǔn)時(shí)間。NE555引腳圖

15、1GND電源負(fù)極5CVOLT控制2TRIG觸發(fā)6THR閾值3OUT輸出7DISC放電4RESET復(fù)位8VCC電源正極 555管腳圖圖3-3 555的引腳圖輸入輸出X導(dǎo)通(2/3)VCC(2/3)VCC(1/3)VCC導(dǎo)通(2/3)VCC(1/3)VCC不變不變 圖3-4 555功能表三、74LS90 引腳圖及功能表74LS90邏輯電路圖如圖3-5所示，74LS90 可以獲得對(duì)稱(chēng)的十分頻計(jì)數(shù)，辦法是將QD 輸出接到A 輸入端，并把輸入計(jì)數(shù)脈沖加到B 輸入端，在QA 輸出端處產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的十分頻方波。 圖3-5 74LS90引腳圖Reset Inputs復(fù)位輸入 輸出 R0(1) R0(2) R9(1

16、) R9(2) QD QC QB QA H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H L LH X L X L COUNT COUNT COUNT COUNT L X L X L X X L X L L X 圖3-6 74LS90功能表四、74LS00引腳圖及功能表74LS00 是常用的2輸入與非門(mén)集成電路，他的作用很簡(jiǎn)單顧名思義就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)與非門(mén)。 圖3-7 74LS00引腳圖輸入輸出圖3-8 74LS00功能表五、74LS273引腳圖及功能表圖3-9 74LS273引腳圖及功能表74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器， 1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8

17、Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作數(shù)據(jù)鎖存器,地址鎖存器。D0D7：出入； Q0Q7：輸出；第一腳WR：主清除端，低電平觸發(fā)，即當(dāng)為低電平時(shí)，芯片被清除，輸出全為0（低電平）；CP（CLK）：觸發(fā)端，上升沿觸發(fā)，即當(dāng)CP從低到高電平時(shí)，D0D7的數(shù)據(jù)通過(guò)芯片，為0時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存，D0D7的數(shù)據(jù)不變。第三章 結(jié)論 通過(guò)為期短短一周的課程設(shè)計(jì)，完成了本次簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的技術(shù)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搞定，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，先連好時(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)測(cè)符合要求。最后連

18、接控制電路，完成了整張電路圖的設(shè)計(jì)。個(gè)人總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)，是一次理論與實(shí)踐的結(jié)合，也可以說(shuō)讓我們平時(shí)的積累得到一次施展，加深了對(duì)電子技術(shù)的理解，明白了所學(xué)知識(shí)的重要性和自己理論知識(shí)的欠缺，增加了自己對(duì)所學(xué)課程的興趣。因?yàn)橐郧皼](méi)有做過(guò)類(lèi)似的設(shè)計(jì)，在最初拿到題目的時(shí)候感到有些無(wú)所適從，但經(jīng)過(guò)查閱過(guò)一些資料和看一些相關(guān)的例子，思路才逐漸清晰，能夠在老師的指導(dǎo)下按照自己的思路設(shè)計(jì)出自己的電路圖，并用altium designer畫(huà)出圖形，這讓我感到平時(shí)知識(shí)積累的重要性。在拿到題目后，有些平時(shí)不努力的同學(xué)盡管很用心的去做，但也很難設(shè)計(jì)出自己的電路。但那些基礎(chǔ)好的同學(xué)卻能較容易的做出來(lái)，所以說(shuō)今后我要把平時(shí)的學(xué)習(xí)做得更好，知識(shí)的獲得不是一朝一夕的，只能到平時(shí)的積累。最后，我能順利完成這次課程設(shè)計(jì)，不僅要感激老師平時(shí)的教導(dǎo)，尤要感謝指導(dǎo)老師的耐心指導(dǎo)，使他的指導(dǎo)才讓我們的設(shè)計(jì)更加完善合理，并讓我們從中學(xué)到很多實(shí)踐知識(shí)