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1、貴州大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第14頁(yè)目錄目錄1簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)2摘要2前言2本論2一、數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)原理21.基本原理22. 頻率計(jì)的基本組成框圖33.邏輯控制電路44.鎖存器65.脈沖形成電路66.閘門電路、77.擴(kuò)展電路8二、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求9三、電路設(shè)計(jì)與測(cè)試9四、測(cè)試數(shù)據(jù)與誤差分析11總結(jié)12致謝12參考文獻(xiàn)12附錄13簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)摘要數(shù)字頻率設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。它是一種十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。他的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。而且還可以測(cè)量他們的周期。經(jīng)過(guò)改裝,可以測(cè)量脈沖寬度,做成數(shù)字式脈寬測(cè)量
2、儀;可以測(cè)量電容做成數(shù)字式電容測(cè)量?jī)x;在電路中增加傳感器,還可以做成數(shù)字脈搏儀、計(jì)價(jià)器等。因?yàn)閿?shù)字頻率計(jì)在測(cè)量方面有廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵字:數(shù)字頻率計(jì),Proteus,課程設(shè)計(jì),邏輯電路,譯碼器。前言隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,信號(hào)作為其最基礎(chǔ)的元素,其頻率的測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要,而且需要測(cè)頻的范圍也越來(lái)越寬。數(shù)字頻率計(jì)是主要用來(lái)顯示被測(cè)頻率的大小的裝置,其廣泛應(yīng)用于許多設(shè)計(jì)復(fù)雜、功能多樣的電子設(shè)備中,雖然其功能復(fù)雜,但是使用起來(lái)既簡(jiǎn)單又方便。本課程設(shè)計(jì)是為了達(dá)到學(xué)以致用的能力,把所學(xué)的電子技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生活中去,鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí)等而進(jìn)行的。課程設(shè)計(jì)既要理論聯(lián)系實(shí)際,又要通過(guò)學(xué)生自
3、己的設(shè)計(jì)對(duì)理論知識(shí)牢固而靈活的掌握,著重培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。本論一、數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)原理1.基本原理數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)量信號(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。測(cè)頻的基本原理是,若T為時(shí)間間隔,N為T內(nèi)測(cè)得的周期信號(hào)重復(fù)變化次數(shù),則其頻率可表示為f=。計(jì)數(shù)譯碼顯示閘門電路脈沖形成電路fx門控電路時(shí)基信號(hào)發(fā)生器頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘,對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù),此時(shí)我們稱閘門時(shí)間為1秒。閘門時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門時(shí)間越長(zhǎng),得到的頻率
4、值就越準(zhǔn)確,但閘門時(shí)間越長(zhǎng)則沒(méi)測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門時(shí)間越短,測(cè)的頻率值刷新就越快,但測(cè)得的頻率精度就受影響。本文。數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器,被測(cè)信號(hào)可以是正弦波,方波或其它周期性變化的信號(hào)。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?,可以?duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試,比如機(jī)械振動(dòng)的頻率,轉(zhuǎn)速,聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。因此,數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。2. 頻率計(jì)的基本組成框圖簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖和波形圖如下所示。 a 圖表 1 b譯碼顯示器鎖存器計(jì)數(shù)器閘門電路器時(shí)基電路放大整形電路邏輯控制電路x鎖存計(jì)數(shù)清“0”TxN主要功能:4位十進(jìn)制數(shù)顯示、小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)定位;主要技術(shù)指標(biāo)頻率測(cè)量范圍
5、1HZ10KHZ、10KHZ100KHZ、100K HZ1MHZ; 頻率準(zhǔn)確度 -3;被測(cè)信號(hào)幅度Vxm=0.2V5V(正弦波、方波、三角波)3.邏輯控制電路根據(jù)圖1(b)所示時(shí)序波形,在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)跳變用來(lái)產(chǎn)生鎖存信號(hào),鎖存信號(hào)的負(fù)跳變又用來(lái)產(chǎn)生清“0”信號(hào),他們的脈沖寬度由本身電路的參數(shù)所決定。因此這兩個(gè)脈沖信號(hào)和可以由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生,其電路圖如圖2所示,其中74LS123是集成電路可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)定觸發(fā)器,其內(nèi)部有兩個(gè)完全獨(dú)立的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。74LS123的功能表如表3所示。圖表 2圖表 3設(shè)鎖存信號(hào)和清“0”信號(hào)的脈沖寬度tw相同,如果tw=0.02s,可由式tw=0
6、.45RextCext來(lái)計(jì)算時(shí)間常數(shù)RextCext=0.02s時(shí)的值。因?yàn)閠w=0.45RextCext=0.02s若取Rext=10K,則Cext=tw/0.45Rext=4.4F取標(biāo)準(zhǔn)值4.7F。當(dāng)CLR=1,觸發(fā)脈沖從A輸入時(shí),在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下,輸出端Q可獲得一正脈沖,Q非端可獲取一負(fù)脈沖,其脈寬tw由Rext決定。4.鎖存器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)行所存,使顯示器上獲得的穩(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)。1s計(jì)數(shù)時(shí)間結(jié)束時(shí),邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號(hào)IV,將計(jì)數(shù)器此時(shí)的值送
7、譯碼顯示器,因此顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定的。選用鎖存器74ls273可以完成上述鎖存功能。如圖4所示,采用2片74ls273構(gòu)成的16位二進(jìn)制的輸出鎖存器的連接電路。當(dāng)時(shí)鐘脈沖信號(hào)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。由鎖存器74ls273的功能可知,正脈沖結(jié)束后,無(wú)論輸入端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)時(shí)間內(nèi),計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。圖表 45.脈沖形成電路脈沖形成電路的作用是將輸入的周期性信號(hào)如正弦波、三角波或者其他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
8、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,其中施密特觸發(fā)器的應(yīng)用較多。構(gòu)成施密特觸發(fā)器的器件有運(yùn)算放大器、集成邏輯門、集成觸發(fā)器、集成定時(shí)器555等。我采用的是集成定時(shí)器555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,其電路圖如圖5所示。圖表 5圖中R10與R11的作用是將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)。因?yàn)榧啥〞r(shí)器555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平VT+=2Vcc/3,下觸發(fā)電平VT=Vcc/3.回差電平VT為VT=VT+VT即 VT=1/3Vcc6.閘門電路、閘門電路的作用是控制計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(1s正脈沖)來(lái)到時(shí),閘門開通,被測(cè)信號(hào)的脈沖通過(guò)閘門進(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)
9、),閘門關(guān)閉,計(jì)數(shù)器無(wú)時(shí)種脈沖輸入。可見閘門電路的邏輯功能可以由一個(gè)與非門來(lái)完成,如圖6所示。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為1s的脈沖是由定時(shí)器555構(gòu)成的多振蕩器電路產(chǎn)生的(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),取振蕩器的頻率=0.67Hz,則振蕩器的輸出波形如圖所示,其中T=(R+R)Cln20.7(R+R)C可以計(jì)算電阻R1、R2及電容C的值,即 T=0.7(R+R)C T=0.7RC若取電容C=10F,則 R6= =35.7K R7=107.2K圖表 67.擴(kuò)展電路擴(kuò)展電路的功能是使數(shù)字頻率計(jì)對(duì)頻率范圍和電壓范圍更寬的信號(hào)都能進(jìn)行測(cè)量。(1) 擴(kuò)展電路的頻率范圍。擴(kuò)展測(cè)量頻率范圍電路可以
10、實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍的自動(dòng)切換。其工作原理是:當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí),最高位產(chǎn)生進(jìn)位單位脈沖Qcc,,使多路數(shù)據(jù)選擇器的地址計(jì)數(shù)器加1,多路數(shù)據(jù)選擇器將選通下一路數(shù)據(jù)輸入信號(hào),即為上一次頻率的1/10的分頻信號(hào),因此只要將顯示器的數(shù)乘以10就得到被測(cè)頻率值,這可以通過(guò)移動(dòng)顯示器上的小數(shù)點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。(2) 擴(kuò)展被測(cè)信號(hào)的幅度范圍。采用如圖7所示電路,可以擴(kuò)展被測(cè)信號(hào)的幅度范圍。當(dāng)輸入信號(hào)Vx的幅度較大時(shí),可以先經(jīng)過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)衰減,在經(jīng)過(guò)相同運(yùn)算放大到施密特整形電路所需的信號(hào)幅度。當(dāng)輸入信號(hào)的幅度太小,如數(shù)毫伏時(shí),則可直接進(jìn)行線性放大,再經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形。圖表 7二、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求(1) 被測(cè)信號(hào)的頻率范圍為
11、1Hz999KHz,分為4個(gè)檔位:1Hz,10Hz,100Hz,1KHz。(2) 被測(cè)信號(hào)幅度Vxm=0.5(正弦波、三角波、方波)。(3) 用3為數(shù)碼管顯示測(cè)量數(shù)據(jù),測(cè)量誤差小于10%。(4) 設(shè)計(jì)頻率計(jì)相應(yīng)的單元電路。(5)設(shè)計(jì)頻率計(jì)的整機(jī)電路并畫出框圖和總電路圖。三、電路設(shè)計(jì)與測(cè)試(1)計(jì)數(shù)、顯示電路如圖8所示。圖表 8(2根據(jù)各電路原理及功能,設(shè)計(jì)出總電路圖如圖8所示。圖表 9四、測(cè)試數(shù)據(jù)與誤差分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示:實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差誤差百分比5Hz5 Hz00150Hz149Hz1Hz0.67%400Hz396Hz4Hz1%515Hz510Hz5Hz0.9%1000Hz996Hz
12、4Hz0.4%1.5kHz1.5kHz003kHz3kHz004.5kHz4.5kHz005kHz5kHz009kHz9kHz0012kHz11.9kHz100Hz0.8%20kHz20kHz0050kHz50kHz0095kHz94.9kHz100Hz0.1%120kHz121kHz100Hz0.08%200kHz200kHz00500kHz500kHz00950kHz949kHz1000.1%圖表 10總結(jié)數(shù)字頻率計(jì)是數(shù)字電路中一個(gè)典型的應(yīng)用,實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)用到的器件較多,連線比較復(fù)雜,而且會(huì)產(chǎn)生較大的延時(shí)。隨著復(fù)雜可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用,將使整個(gè)系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化,提高整體性能。通過(guò)本次課程
13、設(shè)計(jì),對(duì)仿真軟件更好的掌握了,了解了數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻率與測(cè)周期的基本原理,熟練掌握數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法及減小測(cè)量誤差的方法,鍛煉了我們的動(dòng)手思考能力和創(chuàng)新思想,為以后的學(xué)習(xí)更深的知識(shí)和工作打好了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。致謝感謝老師對(duì)我相關(guān)知識(shí)的傳授和課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo),感謝同學(xué)在課程設(shè)計(jì)中對(duì)我的問(wèn)題的解答和幫助,有了老師和同學(xué)的幫助,才是我這次課程設(shè)計(jì)得以完成。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì),我對(duì)Proteus軟件的應(yīng)用更好的掌握了,用這個(gè)軟件完成對(duì)電路的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中我們隊(duì)很多方面的設(shè)計(jì)總是不理想,但通過(guò)向同學(xué)的請(qǐng)教、自己的查找資料,以及與一些老師的交流,設(shè)計(jì)出了合適的電路。當(dāng)把所設(shè)計(jì)的所有分塊電路組合起來(lái)卻出現(xiàn)了一些
14、問(wèn)題,這些問(wèn)題可能是在設(shè)計(jì)之初沒(méi)有考慮到全局的各各方面導(dǎo)致的。但是憑借對(duì)軟件的掌握,對(duì)電子技術(shù)課程的透徹理解,讓我改進(jìn)了電路,基本上完成了指標(biāo)。讓我感到了成功的喜悅。通過(guò)該課程設(shè)計(jì),我對(duì)于數(shù)字電子技術(shù)的理論知識(shí)也有了更深厚的理解,并且體會(huì)到了在努力學(xué)習(xí)知識(shí)重要性。謝謝!參考文獻(xiàn)數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì) 王毓銀主編電子技術(shù)基礎(chǔ) 康華光主編子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 王愉節(jié) 竇勤耘 編附錄(1) 計(jì)算機(jī)程序Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件(該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司)。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能,還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步,但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件),從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與
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